二灰穩(wěn)定碎石抗裂級配正交試驗研究

劉淑艷,張春昱,張 珺,張振瑋

(天津市市政工程研究院)

1 設計基本原則

材料的組成結構決定其性能,而性能又是材料內(nèi)部組成結構的外在反映。一般情況下,采用強度來綜合反映材料的性能。作為松散顆粒復合材料,二灰碎石的強度來源于集料顆粒的內(nèi)摩擦阻力和填充料的粘結力兩個方面。為了使二灰碎石獲得優(yōu)良的性能,其前提就是它必須具有良好的組成結構。根據(jù)二灰碎石基層的力學性能、水穩(wěn)定性能、耐久性能和抗收縮性能的要求,它應該具有這樣的理想結構,在經(jīng)壓實成型后的二灰碎石中,粗集料緊密排列,形成良好的骨架結構,密實的二灰砂漿(包括二灰膠結料、細集料)填滿骨架空隙,并將骨架粘結成為穩(wěn)定的整體。

以理想結構模式為指導,將二灰碎石分成二個組成結構層次。第一層次,由石灰、粉煤灰、水和細集料組成的二灰砂漿,它是二灰碎石中的主要粘結成分,必須具有足夠的強度和粘結力,起填充、粘結作用。第二層次,粗集料顆粒緊密排列形成良好的骨架結構,砂漿填充骨架的空隙,并將骨架粘結成一個穩(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力。這樣形成的二灰碎石具有較好的力學性能、水穩(wěn)定性能、耐久性和抗收縮性能。

2 原材料性能

試驗所用粉煤灰、石灰取自石家莊市,按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料的試驗規(guī)程》的測定方法,石灰、粉煤灰檢測結果見表 1。

試驗所用石灰粉煤灰符合規(guī)范質(zhì)量要求。

碎石采用石灰?guī)r,集料的壓碎值為 16.8%,各檔粗集料分別為 31.5～19.0mm、19.0～9.5mm、9.5～4.75mm。

表 1 石灰粉煤灰檢測結果表

3 二灰砂漿配合比的確定

影響二灰砂漿路用性能的因素主要有細集料級配形式、細集料與二灰膠結料重量比及二灰中石灰粉煤灰重量比。

3.1 骨架密實型二灰穩(wěn)定碎石細集料級配選擇

對于二灰穩(wěn)定碎石而言,石灰、粉煤灰用量很大,且密度較小,占的體積大,所需要的細集料相對要少。細集料級配選擇時采用采用 k法計算,分別取 k值為 0.55、0.60、0.65、0.70,按照下式計算細集料級配形式,計算結果如表 2。

3.2 石灰、粉煤灰摻配比例的確定

進行二灰配比設計時,按 m石灰∶m粉煤灰為 1∶2、1∶2.5、1∶3、1∶4的比例根據(jù)重型標準擊實確定最佳含水量及最大干密度,并成型標準試件,測定 7d無側(cè)限抗壓強度,試驗結果見表 3。

由表 3,當 m石灰∶m粉煤灰=1∶2.5時,二灰膠結料強度最大。由重型擊實試驗測得此配比下,二灰最大干密度為1.224g/cm3,最佳含水量為 27%。

表 2 細集料計算篩余百分率

3.3 二灰砂漿配合比的確定

二灰砂漿配合比根據(jù)正交試驗結果確定,正交試驗結果及極差分析結果如表 4、表 5。

表3 二灰強度實驗結果

表 4 正交試驗方案表

表 5 極差分析結果表

根據(jù)極差分析結果可知,第二列極差較大,第一列和第三列極差較小,這說明當因素B水平變動時,指標波動最大,因此可根據(jù)極差大小順序排出因素的主次:B＞A＞E,由此可以看出二灰與細集料比例是影響二灰砂漿無側(cè)限抗壓強度最重要的因素。其次是石灰與粉煤灰比例,對強度貢獻最小的是細集料級配類型。

與極差分析結果相同,方差分析結果見表 6,表明對二灰砂漿強度影響最顯著的因素為二灰與細集料的比值。

表6 正交試驗方差分析結果表

綜合以上分析結果,最終確定優(yōu)選的二灰砂漿為m石灰∶m粉煤灰=1∶3、m二灰∶m細集料 =70∶30、細集料級配形式為 k=0.65。

3.4 粗骨料級配的確定

(1)試驗方法

依據(jù)《公路路面基層施工技術規(guī)范》的規(guī)定,二灰穩(wěn)定碎石混合料用作基層時,石料顆粒最大粒徑不應超過31.5mm,因此研究采用的碎石最大粒徑 D0為 31.5mm。

以 D0(19～31.5mm)的用量為 100%,下一級粒徑 D1(9.5～19mm)以 D0重量的 5%為步長,均勻混和后裝入容量桶中,置于振動臺上振實 3min,計算其振實密度,建立填充數(shù)量與振實密度的關系曲線。

以振實密度最大為判據(jù)取相應的 D1摻量作為最佳摻量,計算其比例。

重復上述方法進行二級(D2、4.75～9.5mm)填充,根據(jù)結果計算出振實密度最大的粗集料最佳級配形式,作為研究最終采用的粗集料級配。

(2)試驗結果

取 19～31.5mm粒徑的集料 15kg,以 15kg的 5%的9.5～19mm的集料進行填充振動試驗,測定振實密度及計算空隙率,按照上述方法再以 15kg的 10%的重量進行的二次填充試驗,以此類推,直到找出振實密度最大的集料組成,試驗結果見表 7。

表 7 粗集料級配表(篩孔通過率)

3.5 粗骨料與二灰砂漿比例的確定

二灰碎石中,以主骨料形成骨架嵌擠,使其空隙率最小,二灰砂漿以最大密實度填充于主骨料空隙中,從而形成骨架密實結構的二灰碎石混合料。因此按照體積法進行骨料與砂漿配比的計算。

二灰砂漿用量=單位體積×主骨料空隙率 ×二灰砂漿最大干密度

為便于比較,研究中確定二灰砂漿與主骨料比例時,分別采用粗骨料松裝密度、搗實密度及振實密度計算的空隙率,并應用體積法計算結合料含量。計算結果見表 8。

表 8 二灰碎石混合料配比計算表

不同密度下計算的集料級配見表 9。

為比較在松裝密度、插搗密度及振實密度下確定的二灰碎石混合料性能的優(yōu)劣,對三種混合料進行了抗壓強度試驗,試驗結果見表 10。

表 9 不同密度下集料級配表

表 10 二灰碎石混合料無側(cè)限抗壓強度

根據(jù)無側(cè)限抗壓強度試驗結果,以強度最大為判據(jù),根據(jù)插搗密度計算所得的二灰碎石混合料配比為最優(yōu),二灰碎石優(yōu)化配合比為

m石灰∶m粉煤灰∶m集料=5.7∶14.3∶80,集料級配為表 9中根據(jù)插搗計算的級配 B。

4 結 論

在大量室內(nèi)試驗及理論分析的基礎上,確定了基于抗裂性能的骨架密實型二灰穩(wěn)定碎石的合理組成,得出以下結論。

(1)考慮影響二灰砂漿路用性能的因素,研究中安排了3因素 4水平的 L16(45)正交表,通過重型擊實試驗,確定混合料最佳含水量及最大干密度,靜壓成型試件,根據(jù)強度優(yōu)選出了二灰砂漿的最佳配比。

(2)粗集料級配的確定采用振動試驗方法,分別進行了一級和二級填充,以粗集料在振實狀態(tài)下最密實為判據(jù),確定了粗集料最佳級配形式。

(3)分別采用粗骨料松裝密度、搗實密度及振實密度計算的空隙率,并應用體積法計算結合料含量,對三種混合料進行了無側(cè)限抗壓強度試驗,以強度最大為判據(jù),確定了插搗密度計算所得的二灰碎石混合料配比為粗骨料與二灰砂漿的組成比例。

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