水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層的耐久性

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摘要 為了研究水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的路用性能，將粉煤灰當(dāng)成細(xì)集料考慮，采用不同的配合比制備試件，對(duì)其抗沖刷性能、疲勞性能和抗凍性能進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：粉煤灰摻量不宜過(guò)多，盡量不超過(guò)10%；當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，凍融前強(qiáng)度比較高，但是凍融后強(qiáng)度損失較大；考慮抗沖刷性能和抗凍性能，水泥摻量不宜小于5%。

  　　關(guān)鍵詞 道路工程；水泥粉煤灰；耐久性；基層 　　中圖分類號(hào)：U416.1 　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 　　文章編號(hào)：1000—033X（2012）07—0047—02 　　0 引言 　　水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石是一類具有較好路用性能的基層材料，目前已成為中國(guó)高等級(jí)公路廣泛采用的半剛性基層材料，在中國(guó)河南、河北等省份被廣泛使用。有很多學(xué)者針對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的相關(guān)性能展開了大量試驗(yàn)研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石存在諸如強(qiáng)度低、收縮大、開裂現(xiàn)象較為嚴(yán)重等問(wèn)題。配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理的施工工藝與質(zhì)量控制可以減緩上述問(wèn)題的發(fā)生。對(duì)此，本文考慮將粉煤灰當(dāng)成細(xì)集料，即水泥外摻、粉煤灰內(nèi)摻，通過(guò)配合比優(yōu)化對(duì)其耐久性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析水泥、粉煤灰的摻量對(duì)耐久性的影響。 　　1 原材料 　　1.1基本性質(zhì) 　?。?）水泥。試驗(yàn)選用的水泥為華新水泥廠32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，細(xì)度（0.08mm篩余）1.9%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.7%，安定性合格。 　　（2）粉煤灰。試驗(yàn)所用粉煤灰均產(chǎn)自伊川電廠，為濕排灰，氧化物含量大于70%。粉煤灰的物理性能見表1。 　　（3）碎石。滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范中關(guān)于碎石的質(zhì)量要求。試驗(yàn)采用的5～10mm、10～20mm和10～30mm碎石均產(chǎn)自偃師石料場(chǎng)。 　?。?）細(xì)集料。建議采用含泥量小的中粗砂作細(xì)集料。 　　1.2水泥粉煤灰摻量設(shè)計(jì) 　　在進(jìn)行試驗(yàn)前，按照不同摻量配合比制作試件。將粉煤灰當(dāng)成細(xì)集料考慮，采用的比例見表2。 　　2 耐久性能分析 　　2.1抗沖刷性能 　　（1）試件制備。按照標(biāo)準(zhǔn)方法制備中φ15cm×15cm的試件，養(yǎng)生180d，然后浸水1d。 　　（2）試驗(yàn)方法。采用振動(dòng)臺(tái)和鋼容器作為基本試驗(yàn)設(shè)備，鋼容器內(nèi)徑240mm，高200mm，將鋼容器置于振動(dòng)臺(tái)上，加50mm高的水后將試件放入中間，并在試件上加荷2750g，振動(dòng)頻率為50Hz，振動(dòng)5min后，收集沖刷殘余物，烘干后稱其質(zhì)量進(jìn)行比較。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。 　　1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)試件的水泥劑量固定在5%，粉煤灰的摻量分別為0%、5%、10%，試件抗沖刷性能試驗(yàn)結(jié)果表明摻加粉煤灰可以影響到基層的抗沖刷性能。粉煤灰摻量為5%時(shí)，與不摻粉煤灰試件的（相當(dāng)于水泥穩(wěn)定碎石）試驗(yàn)結(jié)果相差不大，但摻量不宜過(guò)多，盡量不要超過(guò)10%。 　　2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)試件粉煤灰摻量固定在5%，水泥劑量分別為5%、4%、3%，其混合料單位時(shí)間沖刷量分別為3.29、2.91、4.55g•min—1。可以看出水泥劑量對(duì)混合料抗沖刷性能的影響：水泥劑量為3%時(shí)，單位時(shí)間沖刷量最大；水泥劑量大于或等于4%時(shí)。單位時(shí)間沖刷量急劇減小。這是因?yàn)樗嗟乃a(chǎn)物和水泥與粉煤灰的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物均為膠結(jié)物，它們有穩(wěn)定和牽制混合料中細(xì)料成分不被動(dòng)水壓力沖掉的能力。當(dāng)水泥劑量較小時(shí)，膠結(jié)物含量不足，未反應(yīng)粉煤灰相對(duì)較多。且部分細(xì)料因擺脫了膠結(jié)物的牽制和穩(wěn)定作用而被沖掉，故單位時(shí)間沖刷量最大；當(dāng)水泥的劑量不斷增加，膠結(jié)物含量也逐漸增多，它們穩(wěn)定和牽制細(xì)料的能力也相應(yīng)增強(qiáng)，故單位時(shí)間沖刷量急劇減小。為了保證水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的抗沖刷性能，水泥劑量不宜小于4%。 　　2.2抗疲勞性能 　　（I）試件制備。在最佳含水量和最大干密度的條件下，按98%的壓實(shí)度成型試件，養(yǎng)生180d后泡水1d。為減小誤差，在制備試件的過(guò)程中，用于抗彎拉強(qiáng)度的6個(gè)試件和用于疲勞試驗(yàn)的13個(gè)試件同批成型和養(yǎng)生。 　?。?）試驗(yàn)過(guò)程。試驗(yàn)在MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)首先測(cè)出各組試件的抗彎拉強(qiáng)度，然后確定應(yīng)力比，根據(jù)抗彎拉強(qiáng)度和應(yīng)力比確定疲勞試驗(yàn)時(shí)所加的荷載、波形、頻率，設(shè)置初始狀態(tài)。試驗(yàn)都采用三分點(diǎn)加載方式，以保證試件底面能有一段彎矩相等的均勻受拉區(qū)，兩支點(diǎn)距離15cm。將試件放在支架上后，三分點(diǎn)受力下開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，直至試件被破壞。為了更好地模擬混合料在隨機(jī)動(dòng)載下的撓曲狀態(tài)，采用交變荷載。試驗(yàn)施加荷載為正弦荷載，荷載作用的頻率為10Hz，大致相當(dāng)于60km•h—1的行車速度，加載波形為連續(xù)式正弦波無(wú)間歇時(shí)間，試驗(yàn)溫度為常溫，循環(huán)特征值為0.02，應(yīng)力比取0.75。疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表4。 　　1號(hào)采用沒(méi)有摻加粉煤灰的混合料，與相同級(jí)配的粉煤灰摻加量為5%的2號(hào)試件相比，其抗疲勞性能明顯較差，疲勞壽命低出33%。這是因?yàn)槠谄茐呐c材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)混合料在重復(fù)荷載的作用下，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷，而損傷是材料結(jié)構(gòu)組織在外界因素作用下發(fā)生的力學(xué)性能劣化，并導(dǎo)致體積單元破壞的現(xiàn)象，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石是由水泥、粉煤灰、骨料等加水后組成的復(fù)合材料。在自然狀態(tài)下是一種疏松介質(zhì)。這類材料在受力后，會(huì)在體內(nèi)產(chǎn)生彌散裂隙。這些表現(xiàn)為裂隙或空洞形式的材料損傷，將在荷載、環(huán)境等因素的持續(xù)作用下進(jìn)一步增長(zhǎng)、擴(kuò)展，逐漸并集、聚合，形成一定尺度的宏觀裂紋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的下降。也就是說(shuō)，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是決定材料疲勞性能的主要因素?？障堵市。陴B(yǎng)生條件較好時(shí)，其內(nèi)部微細(xì)裂紋或孔洞少、而水泥穩(wěn)定類材料由于其結(jié)合料少，空隙率較大，內(nèi)部微細(xì)裂紋或孔洞相應(yīng)較多。致使其疲勞性能較差。但是在水泥穩(wěn)定類材料中摻入粉煤灰后，粉煤灰一方面起到“填隙”的作用，另一方面與水泥發(fā)生“二次反應(yīng)”，生成的膠凝物質(zhì)增多，總體上使水泥類穩(wěn)定材料的空隙率減小，內(nèi)部微細(xì)裂紋或孔洞減少，進(jìn)而使其抗疲勞性能得到提高?？梢?，粉煤灰對(duì)提高混合料的抗疲勞性能有明顯的作用。 　　4號(hào)、3號(hào)和2號(hào)試件的水泥劑量分別為3%、4%和5%，粉煤灰摻量均為5%，結(jié)果可以看出，隨著水泥劑量的增加，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命呈線形增長(zhǎng)?？梢娫黾铀嗟膭┝?，可以提高水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料的抗疲勞特性。 　　2.3抗凍性能 　?。?）試件制備。在最大干容重和最佳含水量下，采用靜壓法將不同配合比的水泥粉煤灰碎石制成φ15cm×15cm的圓柱形試件，養(yǎng)生180d后，浸水24h。 　　（2）試驗(yàn)方法。采用直接凍融法，將養(yǎng)生好的試件置于—15℃的冰箱中凍結(jié)12h后，在常溫條件下融解12h，這作為一個(gè)凍融循環(huán)。經(jīng)過(guò)5個(gè)循環(huán)后，測(cè)其抗壓強(qiáng)度，計(jì)算耐凍系數(shù)，抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果見表5。 　　從2號(hào)和5號(hào)試件的凍融前強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可以得出，摻加粉煤灰對(duì)提高混合料的強(qiáng)度有很大幫助，分別比不摻加粉煤灰的1號(hào)試件提高了42%和70%。通過(guò)凍融試驗(yàn)，得到凍融后各不同水泥粉煤灰摻配混合料的強(qiáng)度，用耐凍系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。1號(hào)試件的耐凍系數(shù)僅為0.73，而2號(hào)和5號(hào)試件的耐凍系數(shù)達(dá)到0.92和0.89，所以說(shuō)摻加粉煤灰可以提高混合料的抗凍性能，但是摻量不能過(guò)多，5號(hào)試件比2號(hào)試件多摻加了5%的粉煤灰，結(jié)果其凍融后強(qiáng)度損失比較大。 　　4號(hào)、3號(hào)和2號(hào)是粉煤灰摻量保持在5%，水泥劑量按照1%遞加，集料級(jí)配相同的水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石配合比。分析可知，水泥劑量不能太小，因?yàn)樗嗨a(chǎn)物會(huì)相應(yīng)減少，內(nèi)部空隙較大，水結(jié)冰后引起體積膨脹所產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力增加，會(huì)導(dǎo)致混合料的抗凍性能降低。所以，為了使水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石具有較好的抗凍性能，水泥劑量不宜小于5%。 　　3 結(jié)語(yǔ) 　　從水泥粉煤灰的抗沖刷性能可以看出，粉煤灰摻量不宜過(guò)多，盡量不超過(guò)10%；另一方面，雖然粉煤灰摻量為10%時(shí)，凍融前強(qiáng)度（即180d強(qiáng)度）比較高，但是凍融后強(qiáng)度損失較大，所以從抗凍性能考慮，粉煤灰摻量也不宜過(guò)高。綜合考慮抗沖刷性能和抗凍性能，水泥劑量外摻不宜小于5%。 　　[責(zé)任編輯：王玉玲]