水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石力學(xué)參數(shù)影響因素研究

劉新海，彭小林

(1. 廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420；2. 廣東交科檢測有限公司，廣東 廣州 510550)

水泥穩(wěn)定碎石具有較高的強度和剛度。在中國高等級瀝青路面中大多采用水泥穩(wěn)定類混合料基層，但容易因基層開裂引起瀝青路面出現(xiàn)反射裂縫。在實際使用過程中，人們往往著重關(guān)注水泥穩(wěn)定碎石的強度。許多學(xué)者研究了水泥劑量、成型方式及試件尺寸等因素對水泥穩(wěn)定碎石強度的影響[1-3]，而忽略了對水泥穩(wěn)定碎石回彈模量的研究。回彈模量是表征半剛性基層材料性能的重要參數(shù)[4-5]，其數(shù)值的增加意味著基層材料的抗變形能力減弱。在荷載和環(huán)境因素等作用下易使基層產(chǎn)生裂縫。在保證路面強度和剛度的前提下，水泥穩(wěn)定類材料混合料配合比設(shè)計時，應(yīng)適當(dāng)減小回彈模量，以改善基層的開裂情況。已有的研究表明[6-10]：摻加一定量的粉煤灰活性粉末做結(jié)合料可以提高基層的抗裂性能。因此，為提高基層抗開裂能力，優(yōu)化水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計，作者擬研究水泥劑量、粉煤灰劑量及養(yǎng)護齡期對無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度及回彈模量的影響。

1 原材料

1) 集料

試驗采用某石場產(chǎn)的花崗巖碎石，其主要技術(shù)指標(biāo)見表 1，符合現(xiàn)行規(guī)范要求。各檔集料按比例摻配后的合成級配如圖1所示。

表1 集料的技術(shù)性質(zhì)及摻配比例Table 1 Technical properties and mixing proportion of aggregates

圖1 集料合成級配Fig. 1 Synthetic gradation of aggregates

2) 水泥的技術(shù)指標(biāo)

試驗采用某水泥公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標(biāo)見表2，符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

3) 粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)

試驗采用某電廠生產(chǎn)的II級粉煤灰，其技術(shù)指標(biāo)見表3，符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

表2 水泥的物理性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)Table 2 Physical and mechanical properties of the cement

表3 粉煤灰檢驗結(jié)果Table 3 Test results of the fly ash

2 配合比設(shè)計

水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)包括：集料的級配、水泥及粉煤灰與集料的比例。在該領(lǐng)域已有研究和前期試驗的基礎(chǔ)上[6-13]，采用圖1所示的集料合成級配，分別摻加2.5%～5.5%的水泥、0%～12%的粉煤灰，擬定了8種配合比。根據(jù)擬定的配合比，參考《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程(JTG E51—2009)》，分別進行振動壓實試驗，確定每種配合比的最大干密度和最佳含水量，試驗結(jié)果見表4。

從表4中可以看出，當(dāng)粉煤灰劑量為6%時，隨著水泥劑量的提高，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的最佳含水量先增加后減小，4.5%水泥劑量的最佳含水量最大為6.1%。隨著水泥劑量的提高，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的最大干密度不變。當(dāng)水泥劑量為3.5%時，隨著粉煤灰劑量的提高，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的最佳含水量和最大干密度表現(xiàn)出類似的規(guī)律。

表4 水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的配合比設(shè)計Table 4 Proportion design of cement fly ash stabilized crushed stone

3 試驗方法

根據(jù)表4中的設(shè)計配合比，制成尺寸為Φ150 mm×150 mm的試件。按《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程(JTG E51—2009)》的要求，在完成養(yǎng)生后進行了試驗，研究水泥劑量、粉煤灰劑量及養(yǎng)護齡期對水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度和回彈模量等力學(xué)參數(shù)的影響。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 無側(cè)限抗壓強度

無側(cè)限抗壓強度是反映無機結(jié)合料穩(wěn)定類材料承載能力的一項重要技術(shù)指標(biāo)，它的大小決定基層是否能夠承受面層傳遞下來的荷載，影響路面的使用性能和壽命。

4.1.1 水泥劑量對無側(cè)限抗壓強度的影響

半剛性材料的強度主要來源于水泥水化硬化后的膠結(jié)作用。為研究水泥劑量對抗壓強度的影響，將固定粉煤灰劑量取為 6%，比較 2.5%,3.5%,4.5%和5.5%水泥劑量下的無側(cè)限抗壓強度，其28 d的試驗結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著水泥劑量的提高，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的28 d抗壓強度呈線性增加的趨勢，這與普通水泥穩(wěn)定碎石的強度隨水泥劑量的提高而增加的變化規(guī)律相一致。當(dāng)水泥劑量為5.5%時，其28 d無側(cè)限抗壓強度為16.25 MPa，為2.5%水泥劑量的2.95倍。表明：提高水泥劑量可以顯著增加半剛性材料的無側(cè)限抗壓強度。

圖2 水泥劑量對抗壓強度的影響Fig. 2 Effect of cement dosage on the compressive strength

4.1.2 粉煤灰劑量對無側(cè)限抗壓強度的影響

隨后市場將會展開底部的寬幅震蕩，也就是通過所說的一浪和二浪運行；大底部寬幅震蕩將結(jié)束于秋季的第二個全年最重要的日線時間處，然后再開始向上加速。

水泥粉煤灰中含有活性成分。為研究粉煤灰劑量對無側(cè)限抗壓強度的影響，將固定水泥劑量取為3.5%，比較 0%,3%,6%,9%和 12%粉煤灰劑量下的無側(cè)限抗壓強度，其28 d的試驗結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著粉煤灰劑量的提高，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的 28 d無側(cè)限抗壓強度呈先增加后減小的趨勢。當(dāng)粉煤灰劑量不大于 9%時，隨著粉煤灰劑量的提高，無側(cè)限抗壓強度總體呈增長趨勢。當(dāng)粉煤灰劑量為9%時，無側(cè)限抗壓強度最大，達到9.52 MPa。當(dāng)粉煤灰劑量大于9%時，隨著粉煤灰劑量的提高，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度呈下降的趨勢。4.1.3 養(yǎng)護齡期對無側(cè)限抗壓強度的影響

圖3 粉煤灰劑量對無側(cè)限抗壓強度的影響Fig. 3 Effect of fly ash dosage on unconfined compressive strength

為研究養(yǎng)護齡期對無側(cè)限抗壓強度的影響，比較配合比2#普通水泥穩(wěn)定碎石(3.5%水泥，0%粉煤灰)和配合比4#水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石(3.5%水泥，6%粉煤灰)7,14,28和60 d的無側(cè)限抗壓強度，試驗結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的延長，普通水泥穩(wěn)定碎石與粉煤灰水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度均呈增大的趨勢。與7 d的無側(cè)限抗壓強度相比，28 d無側(cè)限抗壓強度增長了約30%，60 d無側(cè)限抗壓強度增長了約60%。在相同的水泥劑量和養(yǎng)護齡期條件下，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度是普通水泥穩(wěn)定碎石的1.2倍左右。

圖4 養(yǎng)護齡期對無側(cè)限抗壓強度的影響Fig. 4 Effect of curing age on unconfined compressive strength

4.2 劈裂強度

劈裂強度是反映無機結(jié)合料穩(wěn)定材料抗拉能力的常用指標(biāo)，其數(shù)值的大小對路面基層抗開裂能力的影響顯著。

4.2.1 水泥劑量對劈裂強度的影響

為研究水泥劑量對抗拉強度的影響，固定粉煤灰劑量為6%，比較2.5%,3.5%,4.5%和5.5%水泥劑量下的抗拉強度，其28 d的試驗結(jié)果如圖5所示。從圖5 中可以看出，隨著水泥劑量的提高，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的28 d劈裂強度呈線性增加的趨勢。這與普通水泥穩(wěn)定碎石的強度隨水泥劑量的增加而增加的變化規(guī)律相一致。當(dāng)水泥劑量為5.5%時，其28 d劈裂強度強度為1.32 MPa，為2.5%水泥劑量的2.16倍。表明：提高水泥劑量可以顯著增加半剛性材料的劈裂強度。

圖5 水泥劑量對劈裂強度的影響Fig. 5 Effect of cement dosage on splitting strength

4.2.2 粉煤灰劑量對劈裂強度的影響

為研究粉煤灰劑量對劈裂強度的影響，將固定水泥劑量取為3.5%，比較0%,3%,6%,9%和12%粉煤灰劑量下的劈裂強度，其28 d的試驗結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著粉煤灰劑量的提高，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的 28 d劈裂強度呈先增加后減小的趨勢。當(dāng)粉煤灰劑量不大于 9%時，隨著粉煤灰劑量的提高，劈裂強度總體呈增長趨勢。當(dāng)粉煤灰劑量為9%時，劈裂強度最大，達到0.87 MPa。當(dāng)粉煤灰劑量大于9%時，隨著粉煤灰劑量的提高，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石劈裂強度呈下降的趨勢。

圖6 粉煤灰劑量對劈裂強度的影響Fig. 6 Effect of fly ash dosage on splitting strength

為研究養(yǎng)護齡期對劈裂強度的影響，比較配合比2#普通水泥穩(wěn)定碎石(3.5%水泥，0%粉煤灰)和配合比 4#水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石(3.5%水泥，6%粉煤灰)7,14,28 和60 d的劈裂強度，試驗結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的延長，普通水泥穩(wěn)定碎石與粉煤灰水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強度均呈增大的趨勢。與7 d的劈裂強度相比，28 d劈裂強度增長了約 50%，60 d劈裂強度增長了約70%。在相同的水泥劑量和養(yǎng)護齡期條件下，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的劈裂強度是普通水泥穩(wěn)定碎石的1.1倍左右。

圖7 養(yǎng)護齡期對劈裂強度的影響Fig. 7 Effect of curing age on splitting strength

4.3 回彈模量

回彈模量是彈性變形階段內(nèi)材料在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力與其相應(yīng)的回彈應(yīng)變的比值。在無機結(jié)合料穩(wěn)定類材料強度不變的條件下，適當(dāng)?shù)亟档突貜椖Ａ靠梢栽鰪娀鶎拥目归_裂能力。

4.3.1 水泥劑量對回彈模量的影響

當(dāng)粉煤灰劑量為6%時，2.5%,3.5%,4.5%和5.5%水泥劑量的28 d回彈模量試驗結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，隨著水泥劑量的提高，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的28 d回彈模量呈線性增加的趨勢。增長速率先快后慢，水泥劑量達到4.5%后趨于穩(wěn)定。當(dāng)水泥劑量為5.5%時，其28 d回彈模量為4 285 MPa，為2.5%水泥劑量的1.85倍。

圖8 水泥劑量對回彈模量的影響Fig. 8 Effect of cement dosage on resilience modulus

4.3.2 粉煤灰劑量對回彈模量的影響

當(dāng)水泥劑量為 3.5%時，0%,3%,6%,9%和 12%粉煤灰劑量的28 d回彈模量試驗結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出，隨著粉煤灰劑量的提高，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的 28 d回彈模量呈線性減小的趨勢。12%粉煤灰劑量的回彈模量是0%粉煤灰劑量的回彈模量的85%。表明：在水泥劑量一定的條件下，摻加粉煤灰可以降低水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量，提高其抗變形能力。

圖9 粉煤灰劑量對回彈模量的影響Fig. 9 Effect of fly ash dosage on resilience modulus

4.3.3 養(yǎng)護齡期對回彈模量的影響

采用配合比2#(3.5%水泥，0%粉煤灰)和配合比4#(3.5%水泥，6%粉煤灰)研究養(yǎng)護齡期對回彈模量的影響，試驗結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的延長，普通水泥穩(wěn)定碎石和粉煤灰水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量均呈增大的趨勢。與7 d的回彈模量相比，28 d回彈模量增長了約65%；60 d回彈模量增長了約120%。在相同的水泥劑量和養(yǎng)護齡期條件下，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的回彈模量是普通水泥穩(wěn)定碎石的1.2倍左右。

圖10 養(yǎng)護齡期對回彈模量的影響Fig. 10 Effect of curing age on resilience modulus

5 結(jié)論

通過研究水泥劑量、粉煤灰劑量及養(yǎng)生齡期對水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度及回彈模量的影響，得出的結(jié)論為：

1) 28 d無側(cè)限抗壓強度隨水泥劑量的提高呈線性增加趨勢，隨粉煤灰劑量的提高呈先增加后減小的趨勢。隨養(yǎng)護齡期的延長，普通水泥穩(wěn)定碎石與粉煤灰水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強度均呈增大的趨勢。與7 d的無側(cè)限抗壓強度相比，28和60 d無側(cè)限抗壓強度分別增長了30%和60%。

2) 28 d劈裂強度隨水泥劑量的提高呈線性增加趨勢，隨粉煤灰劑量的提高呈先增加后減小的趨勢。隨著養(yǎng)護齡期的延長，普通水泥穩(wěn)定碎石和粉煤灰水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強度均呈增大的趨勢。與7 d的劈裂強度相比，28和60 d劈裂強度分別增長了50%和70%。

3) 28 d回彈模量隨著水泥劑量的提高呈線性增加趨勢。增長速率先快后慢，水泥劑量達到4.5%后趨于穩(wěn)定。隨著粉煤灰劑量的提高，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的28 d回彈模量呈線性減小的趨勢。隨著養(yǎng)護齡期的延長，普通水泥穩(wěn)定碎石和粉煤灰水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量均呈增大的趨勢。與7 d的回彈模量相比，28和60 d回彈模量分別增長了65%和120%。