石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石基層材料合理組成研究

□文/趙 鑫 王志剛 林樹(shù)友

石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石基層材料合理組成研究

□文/趙 鑫 王志剛 林樹(shù)友

石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石是公路路面結(jié)構(gòu)中最為常用的半剛性基層材料，但對(duì)其配比設(shè)計(jì)多參照規(guī)范設(shè)計(jì)中值進(jìn)行，難以發(fā)揮該材料優(yōu)良特性。文章針對(duì)石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石的路用性質(zhì)進(jìn)行了專項(xiàng)研究并綜合考慮層位功能及其路用性能進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化。

二灰碎石；合理組成；基層

石灰粉煤灰（以下簡(jiǎn)稱“二灰”）穩(wěn)定碎石是在公路路面結(jié)構(gòu)中最為常用的半剛性基層材料，但對(duì)其配比設(shè)計(jì)多參照規(guī)范設(shè)計(jì)中值進(jìn)行，難以發(fā)揮該材料優(yōu)良特性。針對(duì)二灰穩(wěn)定碎石的路用性質(zhì)進(jìn)行專項(xiàng)研究。

1 原材料性能試驗(yàn)

1.1 石灰

石灰是粉煤灰水化反應(yīng)的激發(fā)劑，應(yīng)對(duì)其有效氧化鈣、氧化鎂含量提出最低要求。對(duì)石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石所用石灰進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 石灰技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)

1.2 粉煤灰

為確保二灰碎石混合料質(zhì)量，應(yīng)對(duì)粉煤灰活性成分Si02+Al203+Fe2O3的含量、燒失量和比表面積進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)

1.3 集料

1）集料篩分。試驗(yàn)所用集料為石灰?guī)r，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 原材料篩分試驗(yàn)

2）針片狀顆粒含量及壓碎值。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4粗集料壓碎值試驗(yàn) %

集料類型 標(biāo)準(zhǔn)要求 實(shí)測(cè)結(jié)果壓碎值 30 15.2

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

二灰穩(wěn)定碎石混合料可以看成是由粗集料、細(xì)集料和二灰3部分組成。將細(xì)集料加入二灰中，類似于水泥混凝土中的砂與水泥的混合故稱為二灰砂漿。作為分散相，顆粒粒徑＜4.75 mm的細(xì)集料分散在二灰基體中，形成顆粒增強(qiáng)材料，因此細(xì)集料的加入可以明顯改善二灰混合料的力學(xué)性能。

用砂漿代替純二灰填充粗集料顆粒間空隙，可以改善二灰穩(wěn)定碎石半剛性基層的道路用性能，特別是可進(jìn)一步降低二灰穩(wěn)定碎石混合料的收縮；在二灰穩(wěn)定碎石混合料的組成中，除了使二灰碎石混合料中的粗集料緊密排列，形成良好的骨架結(jié)構(gòu)之外，密實(shí)二灰砂漿應(yīng)填滿骨架空隙并將骨架粘結(jié)成為整體，這樣的結(jié)構(gòu)是二灰穩(wěn)定碎石半性基層發(fā)揮優(yōu)良路用性能的必要條件，也是進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想。

將二灰穩(wěn)定碎石分成2個(gè)組成結(jié)構(gòu)層次。第1層次由石灰、粉煤灰、水和細(xì)集料組成的二灰砂漿，它是二灰穩(wěn)定碎石中的主要粘結(jié)成分，必須具有足夠的強(qiáng)度和粘結(jié)力，起填充、粘結(jié)作用。第2層次粗集料顆粒緊密排列形成良好的骨架結(jié)構(gòu)，砂漿填充骨架的空隙并將骨架粘結(jié)成一個(gè)穩(wěn)定的整體，既充分發(fā)揮了粗集料的骨架作用，又利用了砂漿的粘結(jié)力。

2.2 比例的確定

石灰、粉煤灰相互混合后，發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成混合料強(qiáng)度的結(jié)晶凝膠物質(zhì)。若粉煤灰比例過(guò)高，多余的粉煤灰不能參加化學(xué)反應(yīng)，這樣混合料初期乃至后期強(qiáng)度不會(huì)太高；反之，若石灰過(guò)剩，多余的石灰會(huì)自行結(jié)晶，結(jié)晶后的石灰與粉煤灰未反應(yīng)，而石灰與二氧化碳生成的碳酸鈣對(duì)二灰強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)沒(méi)有火山灰反應(yīng)物的貢獻(xiàn)大，因此石灰含量過(guò)高也會(huì)引起二灰混合料強(qiáng)度的下降。另一方面，二灰與集料配合比一定的情況下，二灰中石灰含量越高，其干縮系數(shù)越大，越容易產(chǎn)生干縮裂縫。因此，在石灰與粉煤灰之間存在一個(gè)最佳的配比，在這個(gè)配比下二灰混合料的性能最優(yōu)。

在進(jìn)行二灰配比設(shè)計(jì)時(shí)，石灰與粉煤灰的比例控制在1∶2～1∶3，目的是縮小范圍。按石灰∶粉煤灰為6∶14、6∶12、8∶12、8∶17，根據(jù)重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)確定最佳含水量及最大干密度并成型標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè)定7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)合使用要求與經(jīng)濟(jì)性選取配合比。

2.3 粗集料級(jí)配確定

由二灰穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)性能、水穩(wěn)定性能、耐久性能和抗收縮性能的要求出發(fā)，應(yīng)該具有這樣的理想結(jié)構(gòu)：在經(jīng)壓實(shí)后的二灰碎石混合料中，表面包裹一薄層顆粒粒徑＞4.75 mm的粗集料，形成良好的骨架結(jié)構(gòu)，密實(shí)的二灰砂漿填滿骨架空隙并將骨架粘結(jié)成為整體。

為進(jìn)一步研究集料級(jí)配范圍對(duì)二灰穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度的影響，結(jié)合二灰穩(wěn)定碎石路用性能需求，綜合考慮施工變異性及養(yǎng)生情況，確定了骨架密實(shí)型、懸浮密實(shí)型2種級(jí)配。

對(duì)級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化見(jiàn)圖1和圖2。參考規(guī)范中推薦的規(guī)范上下限，骨架密實(shí)型集料級(jí)配各規(guī)格粒料比例為：9.5～31.5 mm 碎石：9.5～19 mm 碎石：4.75～9.5 mm 碎石：石屑=58∶19∶11∶12。懸浮密實(shí)型集料級(jí)配各規(guī)格粒料比例為 9.5～31.5 mm碎石：9.5～19 mm碎石：4.75～9.5 mm 碎石：石屑 =14∶37∶16∶33。

圖1 骨架密實(shí)型集料級(jí)配

3 合理組成研究

懸浮密實(shí)級(jí)配和骨架密實(shí)級(jí)配采用同一種二灰(石灰與粉煤灰質(zhì)量比不同)成型同一尺寸的試件，為φ150 mm×150 mm的圓柱體試件。分別摻入不同劑量的集料。制備不同配合比、不同集料級(jí)配的混合料，確定最佳含水量和最大干密度，用于選定混合料的配合比。

選用石灰∶粉煤灰∶碎石=6∶14∶80、8∶12∶80、8∶17∶75、5∶10∶85配合比分別進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 級(jí)配與成型方式對(duì)最大干密度的影響

采用重型擊實(shí)和振動(dòng)壓實(shí)方法確定材料的最大干密度。表5和表6分別是懸浮密實(shí)型和骨架密實(shí)型二灰穩(wěn)定碎石最大干密度與最佳含水量試驗(yàn)結(jié)果。

表5 懸浮密實(shí)型二灰穩(wěn)定碎石最大干密度與最佳含水量

表6 骨架密實(shí)型二灰穩(wěn)定碎石最大干密度與最佳含水量

1）成型方式對(duì)最大干密度的影響。由表5和表6可以看出，各種配合比的二灰穩(wěn)定碎石振動(dòng)壓實(shí)試件的最大干密度均大于重型擊實(shí)試件的最大干密度，說(shuō)明振動(dòng)壓實(shí)成型的試件更加密實(shí)。

懸浮密實(shí)型二灰穩(wěn)定碎石混合料，振動(dòng)壓實(shí)法與重型擊實(shí)法確定的最大干密度平均比值為1.028；骨架密實(shí)型二灰穩(wěn)定碎石混合料，振動(dòng)壓實(shí)法與重型擊實(shí)法確定的最大干密度平均比值為1.04。說(shuō)明振動(dòng)壓實(shí)法對(duì)于提高二灰穩(wěn)定碎石混合料的最大干密度有著直接影響。采用振動(dòng)成型法得到的干密度能更好地提高水穩(wěn)混合料的密實(shí)性，從而提高基層的整體性。

2）級(jí)配對(duì)最大干密度的影響。由表5和表6可以看出，無(wú)論重型擊實(shí)法還是振動(dòng)壓實(shí)法，各種配合比的骨架密實(shí)性級(jí)配的試件的最大干密度均大于懸浮密實(shí)性試件的最大干密度，說(shuō)明骨架密實(shí)性試件較為密實(shí)。

3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

二灰穩(wěn)定碎石基層必須能夠承受交通荷載和自然因素的反復(fù)作用，在設(shè)計(jì)的使用年限內(nèi)，基層不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的殘余變形，更不會(huì)產(chǎn)生剪切破壞或彎拉疲勞破壞。所以基層要滿足這幾個(gè)條件，除了有一定的厚度要求外，還主要取決于基層材料本身的性能及結(jié)構(gòu)組成，即要求基層具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

3.2.1 試驗(yàn)方法

二灰穩(wěn)定碎石基層材料最常用的強(qiáng)度指標(biāo)是7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)表7。

表7 二灰混合料的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn) MPa

按最佳含水量和計(jì)算得的干密度制備試件，進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。以擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水量和最大干密度，制備圓柱體試件，測(cè)定二灰穩(wěn)定碎石混合料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

對(duì)于150 mm的試件，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，二灰穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差較小，各試件之間強(qiáng)度相差不大且各種配合的二灰穩(wěn)定碎石早期抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范要求。

3.2.3 影響分析

1）齡期對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，二灰穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度均隨齡期增長(zhǎng)，早期強(qiáng)度增幅較小，然后逐漸增大，之后又開(kāi)始變緩，呈現(xiàn)慢、快、慢的變化規(guī)律。各種級(jí)配的抗壓強(qiáng)度從 14 d∶7 d、28 d∶14 d、35 d∶24 d 的抗壓強(qiáng)度比值的平均值分別為1.11、1.58、1.17，同時(shí)說(shuō)明二灰穩(wěn)定碎石早期養(yǎng)生對(duì)抗壓強(qiáng)度形成有重要的作用。

由圖4可以看出，二灰穩(wěn)定碎石中石灰與粉煤灰的含量對(duì)混合料的早期強(qiáng)度有著一定影響，對(duì)后期強(qiáng)度影響不大。例如配合比為8∶17∶75與6∶14∶80之間7 d的強(qiáng)度比為1.17，而35 d的強(qiáng)度則相差不大。

4 結(jié)論

1）成型方法對(duì)最大干密度的影響。對(duì)于同樣的配合比，用重型擊實(shí)法確定最大干密度時(shí)，懸浮密實(shí)型與骨架密實(shí)型二灰穩(wěn)定碎石混合料的最大干密度的比值平均為1.01，而用振動(dòng)壓實(shí)法確定最大干密度時(shí)，懸浮密實(shí)型與骨架密實(shí)型二灰穩(wěn)定碎石混合料的最大干密度的比值平均為1.02，說(shuō)明骨架密實(shí)型級(jí)配的混合料要密實(shí)且粗集料適當(dāng)增加的骨架密實(shí)型二灰穩(wěn)定碎石混合料更適合于振動(dòng)成型，在振動(dòng)成型方式下此混合料能獲得更大的密實(shí)度。

2）骨架密實(shí)型二灰碎石混合料早期強(qiáng)度高。試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，各種配合比的二灰穩(wěn)定碎石早期抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范要求。骨架密實(shí)型混合料具有如下特點(diǎn)：細(xì)集料少，粗集料形成緊密骨架結(jié)構(gòu)；結(jié)合料含量根據(jù)空隙率大小計(jì)算確定，排除了隨意性，確保膠結(jié)料既達(dá)到最大密實(shí)，又不對(duì)集料產(chǎn)生撐持作用而破壞骨架結(jié)構(gòu)，從而使骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)二灰碎石混合料具有強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。

3）齡期對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。齡期對(duì)二灰穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度的影響很大。二灰穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度均隨齡期增長(zhǎng)，早期強(qiáng)度增幅較小，然后逐漸增大，之后又開(kāi)始變緩，呈現(xiàn)慢、快、慢的變化規(guī)律。二灰穩(wěn)定碎石早期養(yǎng)生對(duì)抗壓強(qiáng)度形成有重要的作用。

4）配合比對(duì)不同齡期二灰穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響。二灰穩(wěn)定碎石中石灰與粉煤灰的含量對(duì)混合料的早期強(qiáng)度有著一定影響，對(duì)后期強(qiáng)度影響不大。

［1］JTJ 034-2000，公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］JTGE 51-2009，公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［3］JTG D50-2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］DB 22/T 470-2009，石灰粉煤灰穩(wěn)定材料路面基層底基層技術(shù)規(guī)范［S］.

□王志剛、林樹(shù)友/天津市國(guó)泰工程咨詢監(jiān)理有限公司。

U414

C

1008-3197（2013）05-75-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.05.029

2013-04-08

趙 鑫/男，1986年出生，助理工程師，天津市國(guó)泰工程咨詢監(jiān)理有限公司，從事公路工程材料試驗(yàn)檢測(cè)工作。