基于粉煤灰在水泥稳定路面基层材料中的应用

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　　摘要：为了改善和提高半刚性基层路用性能尤其是抗裂性能，在大量试验的基础上，从混合料的无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度、同弹模量这几个方面进一步验证了粉煤灰的加入有助于改善水泥稳定碎石的路用性能，具有广阔的工程应用前景。
　　
　　关键词：半刚性基层抗拉强度粉煤灰性能
　　
　　1原材料技术性质和混合料组成设计
　　1.1原材料技术性质
　　水泥：本研究所用水泥为某水泥厂生产的32．5(R)普通硅酸盐水泥，其检验结果见表1。
　　表1水泥检测结果
　　
　　
　　 粉煤灰：粉煤灰为湿煤灰，0.3mm与0．075mm筛的通过率为98．7％、71．5％，满足《粉煤灰石灰类道路基层施工及验收规程》(cJJ4―97)要求。具体指标见表2所示。
　　表2粉煤灰性能指标
　　
　　
　　集料：本研究采用级配碎石，每种级配碎石均分为3档5～31．5mm料(简称1号料)、5～10mm料(简称2号料)、0～5mm料(简称石屑)，该碎石为石灰岩组，物理性质见表3。
　　表3 集料的物理力学性能
　　
　　
　　1．2混合料组成设计
　　 严格按照《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034―2000)中对于集料级配的要求进行合成级配设计，其级配组成见表4所示。
　　
　　
　　 根据基层材料的类型，结合原材料的特性，选用掺配比例为l号料：2号料：石屑=40：20：40。采用表4所示集料级配，水泥剂量按3％、4％、5％、6％配制水泥粉煤灰稳定碎石基层，根据《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034―2000)强度标准，《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057―94)中有关无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度、回弹模量的测试方法进行试验。按最佳含水量和最大干密度制作基层试件。
　　
　　2试验结果与分析
　　2.1无侧限抗压强度
　　2.1.1粉煤灰掺量对无侧限抗压强度的影响
　　粉煤灰的掺量过大或过小均对水泥稳定碎石的无侧限抗压强度及路用性能有明显影响，故水泥剂量取4％、5％，粉煤灰掺量取5％、7．5％、10％、12．5％，压实度按98％进行基层混合料试验，通过检测其7d无侧限抗压强度以确定粉煤灰的最佳掺量，其结果见表5、图1所示。
　　 由表5、图I所示数据可以得出，当粉煤灰掺量为10％时，水泥粉煤灰稳定碎石的7d无侧限抗压强度出现极大值，明显大于不掺粉煤灰的水泥稳定材料。分析原因，由于混合料的破坏是浆体本身破坏以及集料与浆体界面的破坏同时构成的，当粉煤
　　 表5粉煤灰掺量7d无侧限抗压强度
　　
　　
　　灰的掺量较低时，集料的含量过高，胶结料总量偏少，界面浆体过薄，难以起到良好的胶结、填充作用，因此强度较低；当粉煤灰掺量为10％时，混合料形成骨架－密实结构，明显具有较高的强度；继续加大粉煤灰掺量到15％，随着胶结料总量的增加，混合料呈悬浮结构，强度明显下降。故将粉煤灰的最佳掺量确定为10％。
　　2.1.2不同水泥掺量的无侧限抗压强度
　　 粉煤灰最佳掺量确定后，水泥掺量取3％、4％、5％，、6％进行水泥粉煤灰稳定碎石混合料配合比试验。其不同龄期的无侧限抗压强度见表6所示。由表6数据可以得出，同等水泥掺量时，水泥粉煤灰稳定碎石的7d早期强度和水泥稳定碎石相差不大，但后期强度前者明显大于后者。当水泥掺量为5％时，水泥粉煤
　　灰稳定碎石的28d强度高于水泥稳定碎石20％，60d强度前者高于后者25％。稳定基层粒料击实及无侧限抗压强度结果
　　 表6稳定基层粒料击实及无侧限抗压强度结果
　　
　　
　　2.2劈裂抗拉强度
　　 混合料劈裂抗拉强度结果如表7所示。由表7可以看出，同等水泥掺量下，水泥粉煤灰稳定碎石和水泥稳定碎石劈裂抗拉强度基本相同。随着养护龄期的延长，水泥粉煤灰稳定碎石劈裂抗拉强度的增长趋势大于水泥稳定碎石。
　　2.3回弹模量
　　 基层的刚度必须与面层的刚度相匹配。如面层和基层的刚度差别过大，则面层会由于过大的拉应力或拉应变而过早开裂破坏。各配比回弹模量结果见表8所示。可以看出，同等水泥掺
　　 表7劈裂抗拉强度试验结果
　　
　　
　　表8回弹模量试验结果
　　
　　
　　量下，水泥粉煤灰稳定碎石的回弹模量小于水泥稳定碎石，说明水泥粉煤灰稳定碎石在同等荷载作用下拥有更大的形变范围。因此在劈裂抗拉强度相差不大的情况下，水泥粉煤灰稳定碎石抗裂性能较优越。
　　
　　3水泥粉煤灰稳定碎石强度形成机理
　　 水泥粉煤灰稳定碎石的强度主要由2部分组成。①集料之间的相互嵌挤形成的骨架强度(物理强度)。在水泥粉煤灰稳定碎石试件成型时或在施工中经碾压成型过程中，由于机械压实的压力作用，粉煤灰和水泥的混合物填充级配碎石中的空隙，将碎石空隙中的空气排出，并在外力(机械力)的作用下，紧密压实，使得粉煤灰和粉煤灰之间、粉煤灰与水泥之间及粉煤灰与碎石之间的颗粒彼此靠近，使外力所做的绝大部分功转变成颗粒间的凝聚力（范德华力），这一作用为物理－力学作用。它使得松散的颗粒重新排列，缩短了颗粒问的距离，使水泥粉煤灰能够有效聚结，从而也为发生化学反应提供了条件。②结合料之间、结合料与集料之间形成的胶结强度(化学强度)。粉煤灰颗粒表面被一层较厚的水化物包裹，粉煤灰表面的水化产物和其他细颗粒(水化物)之间有较好的连接。水泥的水化作用、水泥粉煤灰之间的火山灰反应，以及水泥与集料中活性土之间的离子交换作用、团粒作用和碳酸化作用等一系列复杂且相互交织的物理－力学、物理－化学及化学作用使其强度进一步提高。
　　
　　4结束语
　　(1)水泥粉煤灰稳定碎石中，粉煤灰掺量不宜过火，建议粉煤灰用量宜≤10％，集料用量宜≥85％。
　　(2)水泥粉煤灰稳定碎石的7d抗压强度平均比水泥稳定碎石高5％，28d抗压强度高30％，60d抗压强度高40％，水泥粉煤灰具有较好的后期强度性能优势。
　　(3)水泥粉煤灰碎石的回弹模量明显小于水泥稳定碎石，与此同时，在劈裂抗拉强度相差不大的情况下，水泥粉煤灰稳定碎石抗裂性能较优越。
　　(4)探讨水泥粉煤灰稳定碎石的强度形成机理，机械压实、部分水泥水化作用是形成水泥粉煤灰稳定碎石早期强度的主要原因，水泥的进一步水化及火山灰反应则是形成水泥粉煤灰稳定碎石后期强度的主要原因。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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