石灰粉煤灰穩定碎石基層材料合理組成研究

□文/趙 鑫 王志剛 林樹友

石灰粉煤灰穩定碎石基層材料合理組成研究

□文/趙 鑫 王志剛 林樹友

石灰粉煤灰穩定碎石是公路路面結構中最為常用的半剛性基層材料，但對其配比設計多參照規范設計中值進行，難以發揮該材料優良特性。文章針對石灰粉煤灰穩定碎石的路用性質進行了專項研究并綜合考慮層位功能及其路用性能進行了配合比設計優化。

二灰碎石；合理組成；基層

石灰粉煤灰（以下簡稱“二灰”）穩定碎石是在公路路面結構中最為常用的半剛性基層材料，但對其配比設計多參照規范設計中值進行，難以發揮該材料優良特性。針對二灰穩定碎石的路用性質進行專項研究。

1 原材料性能試驗

1.1 石灰

石灰是粉煤灰水化反應的激發劑，應對其有效氧化鈣、氧化鎂含量提出最低要求。對石灰粉煤灰穩定碎石所用石灰進行技術指標檢驗，結果見表1。

表1 石灰技術指標檢驗

1.2 粉煤灰

為確保二灰碎石混合料質量，應對粉煤灰活性成分Si02+Al203+Fe2O3的含量、燒失量和比表面積進行檢測，結果見表2。

表2 粉煤灰技術指標檢驗

1.3 集料

1）集料篩分。試驗所用集料為石灰巖，結果見表3。

表3 原材料篩分試驗

2）針片狀顆粒含量及壓碎值。試驗結果見表4。

表4粗集料壓碎值試驗 %

集料類型 標準要求 實測結果壓碎值 30 15.2

2 配合比設計

2.1 設計思路

二灰穩定碎石混合料可以看成是由粗集料、細集料和二灰3部分組成。將細集料加入二灰中，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的細集料分散在二灰基體中，形成顆粒增強材料，因此細集料的加入可以明顯改善二灰混合料的力學性能。

用砂漿代替純二灰填充粗集料顆粒間空隙，可以改善二灰穩定碎石半剛性基層的道路用性能，特別是可進一步降低二灰穩定碎石混合料的收縮；在二灰穩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，形成良好的骨架結構之外，密實二灰砂漿應填滿骨架空隙并將骨架粘結成為整體，這樣的結構是二灰穩定碎石半性基層發揮優良路用性能的必要條件，也是進行配合比設計指導思想。

將二灰穩定碎石分成2個組成結構層次。第1層次由石灰、粉煤灰、水和細集料組成的二灰砂漿，它是二灰穩定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2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定的整體，既充分發揮了粗集料的骨架作用，又利用了砂漿的粘結力。

2.2 比例的確定

石灰、粉煤灰相互混合后，發生火山灰反應，生成混合料強度的結晶凝膠物質。若粉煤灰比例過高，多余的粉煤灰不能參加化學反應，這樣混合料初期乃至后期強度不會太高；反之，若石灰過剩，多余的石灰會自行結晶，結晶后的石灰與粉煤灰未反應，而石灰與二氧化碳生成的碳酸鈣對二灰強度的貢獻遠沒有火山灰反應物的貢獻大，因此石灰含量過高也會引起二灰混合料強度的下降。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，其干縮系數越大，越容易產生干縮裂縫。因此，在石灰與粉煤灰之間存在一個最佳的配比，在這個配比下二灰混合料的性能最優。

在進行二灰配比設計時，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7 d無側限抗壓強度，結合使用要求與經濟性選取配合比。

2.3 粗集料級配確定

由二灰穩定碎石基層的力學性能、水穩定性能、耐久性能和抗收縮性能的要求出發，應該具有這樣的理想結構：在經壓實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，形成良好的骨架結構，密實的二灰砂漿填滿骨架空隙并將骨架粘結成為整體。

為進一步研究集料級配范圍對二灰穩定碎石混合料強度的影響，結合二灰穩定碎石路用性能需求，綜合考慮施工變異性及養生情況，確定了骨架密實型、懸浮密實型2種級配。

對級配進行優化見圖1和圖2。參考規范中推薦的規范上下限，骨架密實型集料級配各規格粒料比例為：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。懸浮密實型集料級配各規格粒料比例為 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 骨架密實型集料級配

3 合理組成研究

懸浮密實級配和骨架密實級配采用同一種二灰(石灰與粉煤灰質量比不同)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配合比分別進行對比試驗。

3.1 級配與成型方式對最大干密度的影響

采用重型擊實和振動壓實方法確定材料的最大干密度。表5和表6分別是懸浮密實型和骨架密實型二灰穩定碎石最大干密度與最佳含水量試驗結果。

表5 懸浮密實型二灰穩定碎石最大干密度與最佳含水量

表6 骨架密實型二灰穩定碎石最大干密度與最佳含水量

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

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

2）級配對最大干密度的影響。由表5和表6可以看出，無論重型擊實法還是振動壓實法，各種配合比的骨架密實性級配的試件的最大干密度均大于懸浮密實性試件的最大干密度，說明骨架密實性試件較為密實。

3.2 抗壓強度試驗

二灰穩定碎石基層必須能夠承受交通荷載和自然因素的反復作用，在設計的使用年限內，基層不會產生過大的殘余變形，更不會產生剪切破壞或彎拉疲勞破壞。所以基層要滿足這幾個條件，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構組成，即要求基層具有足夠的強度和剛度。

3.2.1 試驗方法

二灰穩定碎石基層材料最常用的強度指標是7 d無側限抗壓強度，見表7。

表7 二灰混合料的抗壓強度標準 MPa

按最佳含水量和計算得的干密度制備試件，進行強度試驗。以擊實試驗確定的最佳含水量和最大干密度，制備圓柱體試件，測定二灰穩定碎石混合料的7 d無側限抗壓強度。

對于150 mm的試件，無側限抗壓強度計算公式為

3.2.2 試驗結果

實測結果驗證，二灰穩定碎石混合料強度標準差較小，各試件之間強度相差不大且各種配合的二灰穩定碎石早期抗壓強度遠遠大于規范要求。

3.2.3 影響分析

1）齡期對抗壓強度的影響，見圖3。

由圖3可以看出，二灰穩定碎石抗壓強度均隨齡期增長，早期強度增幅較小，然后逐漸增大，之后又開始變緩，呈現慢、快、慢的變化規律。各種級配的抗壓強度從 14 d∶7 d、28 d∶14 d、35 d∶24 d 的抗壓強度比值的平均值分別為1.11、1.58、1.17，同時說明二灰穩定碎石早期養生對抗壓強度形成有重要的作用。

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

4 結論

1）成型方法對最大干密度的影響。對于同樣的配合比，用重型擊實法確定最大干密度時，懸浮密實型與骨架密實型二灰穩定碎石混合料的最大干密度的比值平均為1.01，而用振動壓實法確定最大干密度時，懸浮密實型與骨架密實型二灰穩定碎石混合料的最大干密度的比值平均為1.02，說明骨架密實型級配的混合料要密實且粗集料適當增加的骨架密實型二灰穩定碎石混合料更適合于振動成型，在振動成型方式下此混合料能獲得更大的密實度。

2）骨架密實型二灰碎石混合料早期強度高。試驗實測結果驗證，各種配合比的二灰穩定碎石早期抗壓強度遠遠大于規范要求。骨架密實型混合料具有如下特點：細集料少，粗集料形成緊密骨架結構；結合料含量根據空隙率大小計算確定，排除了隨意性，確保膠結料既達到最大密實，又不對集料產生撐持作用而破壞骨架結構，從而使骨架密實結構二灰碎石混合料具有強度高的優點。

3）齡期對抗壓強度的影響。齡期對二灰穩定碎石抗壓強度的影響很大。二灰穩定碎石抗壓強度均隨齡期增長，早期強度增幅較小，然后逐漸增大，之后又開始變緩，呈現慢、快、慢的變化規律。二灰穩定碎石早期養生對抗壓強度形成有重要的作用。

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

［1］JTJ 034-2000，公路路面基層施工技術規范［S］.

［2］JTGE 51-2009，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程［S］.

［3］JTG D50-2006，公路瀝青路面設計規范［S］.

［4］DB 22/T 470-2009，石灰粉煤灰穩定材料路面基層底基層技術規范［S］.

□王志剛、林樹友/天津市國泰工程咨詢監理有限公司。

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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，天津市國泰工程咨詢監理有限公司，從事公路工程材料試驗檢測工作。