水泥粉煤灰稳定碎石基层的耐久性

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摘要 为了研究水泥粉煤灰稳定碎石的路用性能，将粉煤灰当成细集料考虑，采用不同的配合比制备试件，对其抗冲刷性能、疲劳性能和抗冻性能进行了分析。研究结果表明：粉煤灰掺量不宜过多，尽量不超过10%；当粉煤灰掺量为10%时，冻融前强度比较高，但是冻融后强度损失较大；考虑抗冲刷性能和抗冻性能，水泥掺量不宜小于5%。

  　　关键词 道路工程；水泥粉煤灰；耐久性；基层 　　中图分类号：U416.1 　　文献标志码：B 　　文章编号：1000—033X（2012）07—0047—02 　　0 引言 　　水泥粉煤灰稳定碎石是一类具有较好路用性能的基层材料，目前已成为中国高等级公路广泛采用的半刚性基层材料，在中国河南、河北等省份被广泛使用。有很多学者针对水泥粉煤灰稳定碎石的相关性能展开了大量试验研究，研究结果发现水泥粉煤灰稳定碎石存在诸如强度低、收缩大、开裂现象较为严重等问题。配合比优化设计、合理的施工工艺与质量控制可以减缓上述问题的发生。对此，本文考虑将粉煤灰当成细集料，即水泥外掺、粉煤灰内掺，通过配合比优化对其耐久性进行试验研究，分析水泥、粉煤灰的掺量对耐久性的影响。 　　1 原材料 　　1.1基本性质 　　（1）水泥。试验选用的水泥为华新水泥厂32.5级普通硅酸盐水泥，细度（0.08mm筛余）1.9%，标准稠度用水量为26.7%，安定性合格。 　　（2）粉煤灰。试验所用粉煤灰均产自伊川电厂，为湿排灰，氧化物含量大于70%。粉煤灰的物理性能见表1。 　　（3）碎石。满足相关技术规范中关于碎石的质量要求。试验采用的5～10mm、10～20mm和10～30mm碎石均产自偃师石料场。 　　（4）细集料。建议采用含泥量小的中粗砂作细集料。 　　1.2水泥粉煤灰掺量设计 　　在进行试验前，按照不同掺量配合比制作试件。将粉煤灰当成细集料考虑，采用的比例见表2。 　　2 耐久性能分析 　　2.1抗冲刷性能 　　（1）试件制备。按照标准方法制备中φ15cm×15cm的试件，养生180d，然后浸水1d。 　　（2）试验方法。采用振动台和钢容器作为基本试验设备，钢容器内径240mm，高200mm，将钢容器置于振动台上，加50mm高的水后将试件放入中间，并在试件上加荷2750g，振动频率为50Hz，振动5min后，收集冲刷残余物，烘干后称其质量进行比较。试验结果如表3所示。 　　1号、2号、5号试件的水泥剂量固定在5%，粉煤灰的掺量分别为0%、5%、10%，试件抗冲刷性能试验结果表明掺加粉煤灰可以影响到基层的抗冲刷性能。粉煤灰掺量为5%时，与不掺粉煤灰试件的（相当于水泥稳定碎石）试验结果相差不大，但掺量不宜过多，尽量不要超过10%。 　　2号、3号、4号试件粉煤灰掺量固定在5%，水泥剂量分别为5%、4%、3%，其混合料单位时间冲刷量分别为3.29、2.91、4.55g•min—1。可以看出水泥剂量对混合料抗冲刷性能的影响：水泥剂量为3%时，单位时间冲刷量最大；水泥剂量大于或等于4%时。单位时间冲刷量急剧减小。这是因为水泥的水化产物和水泥与粉煤灰的火山灰反应产物均为胶结物，它们有稳定和牵制混合料中细料成分不被动水压力冲掉的能力。当水泥剂量较小时，胶结物含量不足，未反应粉煤灰相对较多。且部分细料因摆脱了胶结物的牵制和稳定作用而被冲掉，故单位时间冲刷量最大；当水泥的剂量不断增加，胶结物含量也逐渐增多，它们稳定和牵制细料的能力也相应增强，故单位时间冲刷量急剧减小。为了保证水泥粉煤灰稳定碎石的抗冲刷性能，水泥剂量不宜小于4%。 　　2.2抗疲劳性能 　　（I）试件制备。在最佳含水量和最大干密度的条件下，按98%的压实度成型试件，养生180d后泡水1d。为减小误差，在制备试件的过程中，用于抗弯拉强度的6个试件和用于疲劳试验的13个试件同批成型和养生。 　　（2）试验过程。试验在MTS试验机上进行，试验时首先测出各组试件的抗弯拉强度，然后确定应力比，根据抗弯拉强度和应力比确定疲劳试验时所加的荷载、波形、频率，设置初始状态。试验都采用三分点加载方式，以保证试件底面能有一段弯矩相等的均匀受拉区，两支点距离15cm。将试件放在支架上后，三分点受力下开动试验机，直至试件被破坏。为了更好地模拟混合料在随机动载下的挠曲状态，采用交变荷载。试验施加荷载为正弦荷载，荷载作用的频率为10Hz，大致相当于60km•h—1的行车速度，加载波形为连续式正弦波无间歇时间，试验温度为常温，循环特征值为0.02，应力比取0.75。疲劳试验结果见表4。 　　1号采用没有掺加粉煤灰的混合料，与相同级配的粉煤灰掺加量为5%的2号试件相比，其抗疲劳性能明显较差，疲劳寿命低出33%。这是因为疲劳破坏与材料内部结构有关。当混合料在重复荷载的作用下，材料内部结构发生疲劳损伤，而损伤是材料结构组织在外界因素作用下发生的力学性能劣化，并导致体积单元破坏的现象，水泥粉煤灰稳定碎石是由水泥、粉煤灰、骨料等加水后组成的复合材料。在自然状态下是一种疏松介质。这类材料在受力后，会在体内产生弥散裂隙。这些表现为裂隙或空洞形式的材料损伤，将在荷载、环境等因素的持续作用下进一步增长、扩展，逐渐并集、聚合，形成一定尺度的宏观裂纹，导致结构强度、刚度的下降。也就是说，材料的内部结构是决定材料疲劳性能的主要因素。空隙率小，在养生条件较好时，其内部微细裂纹或孔洞少、而水泥稳定类材料由于其结合料少，空隙率较大，内部微细裂纹或孔洞相应较多。致使其疲劳性能较差。但是在水泥稳定类材料中掺入粉煤灰后，粉煤灰一方面起到“填隙”的作用，另一方面与水泥发生“二次反应”，生成的胶凝物质增多，总体上使水泥类稳定材料的空隙率减小，内部微细裂纹或孔洞减少，进而使其抗疲劳性能得到提高。可见，粉煤灰对提高混合料的抗疲劳性能有明显的作用。 　　4号、3号和2号试件的水泥剂量分别为3%、4%和5%，粉煤灰掺量均为5%，结果可以看出，随着水泥剂量的增加，水泥粉煤灰稳定碎石混合料的疲劳寿命呈线形增长。可见增加水泥的剂量，可以提高水泥粉煤灰稳定碎石混合料的抗疲劳特性。 　　2.3抗冻性能 　　（1）试件制备。在最大干容重和最佳含水量下，采用静压法将不同配合比的水泥粉煤灰碎石制成φ15cm×15cm的圆柱形试件，养生180d后，浸水24h。 　　（2）试验方法。采用直接冻融法，将养生好的试件置于—15℃的冰箱中冻结12h后，在常温条件下融解12h，这作为一个冻融循环。经过5个循环后，测其抗压强度，计算耐冻系数，抗冻性能试验结果见表5。 　　从2号和5号试件的冻融前强度试验结果可以得出，掺加粉煤灰对提高混合料的强度有很大帮助，分别比不掺加粉煤灰的1号试件提高了42%和70%。通过冻融试验，得到冻融后各不同水泥粉煤灰掺配混合料的强度，用耐冻系数进行评价。1号试件的耐冻系数仅为0.73，而2号和5号试件的耐冻系数达到0.92和0.89，所以说掺加粉煤灰可以提高混合料的抗冻性能，但是掺量不能过多，5号试件比2号试件多掺加了5%的粉煤灰，结果其冻融后强度损失比较大。 　　4号、3号和2号是粉煤灰掺量保持在5%，水泥剂量按照1%递加，集料级配相同的水泥粉煤灰稳定碎石配合比。分析可知，水泥剂量不能太小，因为水泥水化产物会相应减少，内部空隙较大，水结冰后引起体积膨胀所产生内应力增加，会导致混合料的抗冻性能降低。所以，为了使水泥粉煤灰稳定碎石具有较好的抗冻性能，水泥剂量不宜小于5%。 　　3 结语 　　从水泥粉煤灰的抗冲刷性能可以看出，粉煤灰掺量不宜过多，尽量不超过10%；另一方面，虽然粉煤灰掺量为10%时，冻融前强度（即180d强度）比较高，但是冻融后强度损失较大，所以从抗冻性能考虑，粉煤灰掺量也不宜过高。综合考虑抗冲刷性能和抗冻性能，水泥剂量外掺不宜小于5%。 　　[责任编辑：王玉玲]