水泥粉煤灰穩定碎石在高速公路基層中的應用研究

管小健

(福建省建筑科學研究院 福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

前 言

高速公路路面基層是位于路面面層下，路基土層上間接承受路面載荷并傳遞應力的功能層。基層的強弱和好壞對整個路面的強度、使用質量和使用壽命都有十分重要的影響[1]，目前我國用于路面基層建設的材料主要是二灰穩定粒料和水泥穩定粒料[2]，水泥穩定粒料具有承載力高，水穩性和冰凍穩定性好，具有較強的抗沖刷能力，與下封層有較好的粘結力，施工方便等優點，但存在收縮性大，易產生裂縫等缺陷。而基層一旦開裂，不僅影響到基層的整體性和承載能力，而且反射到瀝青砼面層，出現反射裂縫并可導致瀝青面結構破壞[3]，二灰穩定粒料具有后期強度高，收縮系數小，板體性好，水穩性、抗凍性較好，且能大量利用工業廢料(粉煤灰)，經濟性好等優點。但同時存在早期強度低，施工進度受限制，表面松散起灰，不利于層間結合，耐沖刷性一般，影響耐久性等缺點[4][5][6]。目前，我省的通用結構為水泥穩定碎石。水泥穩定碎石結構質量首先由水泥、碎石等原材料決定，其中水泥品質是確保穩定固化質量的關鍵，同時水泥的品質直接與施工工藝，尤其施工延遲時間息息相關，而目前市場上水泥在凝結時間上無法滿足要求，所以如何選用一種膠結材料既能滿足高速公路對水泥穩定土的質量要求，又能降低材料的造價具有很大的現實意義，故參照我省粉煤灰應用的成熟技術及路面混凝土，大壩混凝土等摻用粉煤灰成功的經驗，我們提出了采用粉煤灰代替部分水泥(水泥穩定碎石)，降低水泥穩定碎石的造價，摻用緩凝型外加劑來改善穩定層施工質量的研究，在保證結構層質量的基礎上，使水泥穩定碎石層的材料成本降低。同時利用粉煤灰可使火電廠少建或不建貯灰場，可節約大量的土地和能源，保護和治理環境，具有顯著的社會效益。

國內外對水泥粉煤灰穩定碎石已有了一些研究和應用，21世紀初就有人提出了用水泥粉煤灰穩定路面基層材料[7][8][9]，這樣不僅使材料具有較高的早期強度，同時由于粉煤灰的摻入，也大大提高了材料的后期強度、耐久性能以及抗裂性能，并能使施工工藝大大的簡化。隨著我國經濟和高速公路事業的發展，水泥粉煤灰穩定碎石作為一種耐久、整體性好，經濟上合理的混合料作高速公路的基層具有很大的現實意義，本文在試驗室條件下，進行了水泥穩定碎石基層中摻用粉煤灰和緩凝型外加劑的配合比設計試驗，在滿足強度和經濟性兩指標基礎上，確定了適合水泥粉煤灰穩定碎石層的配合比，并進行了相關的性能試驗。

1 水泥粉煤灰穩定碎石層的強度形成機理

粉煤灰是從燃煤鍋爐煙氣中收集到的細顆粒粉末。它是一種火山灰質材料，按排放的方式可分為干排灰和濕排灰，隨著煤的品種、鍋爐類型、燃燒方式、收塵方式等不同，粉煤灰的質量隨之變動。粉煤灰具有優良的火山灰活性主要由于其中含有大量的硅鋁組成的玻璃體，它們在堿性激發劑的作用下，能生成水化硅酸鈣等具有水硬性的水化產物。同時又由于粉煤灰中含有大量圓球顆粒，在集料攪拌壓實過程中發揮著潤滑作用，所以在水泥穩定碎石機構中摻入粉煤灰不僅能減少水泥用量，而且還能使其改良施工和易性與提高施工質量等許多優良性能。

水泥粉煤灰穩定碎石層的強度形成機理主要在于粉煤灰玻璃體與水泥水化產生的Ca(OH)2作用，發生“火山灰”反應，產生C－S－H和C－A－H等凝膠物質。由于水泥水化產生的Ca(OH)2晶體較純且易溶于水，離解出大量 Ca2+和OH－，使粉煤灰水化速度加快，隨著混合料在一定溫度和濕度條件下養生時間增長，水分通過各種毛細孔供給，在養生過程中含有Ca2+和OH－的溶液通過粉煤灰表面水化凝膠物間縫隙向里滲透，使火山灰反應繼續發生，增加了混合料中凝膠物數量，填充了粉煤灰顆粒間的孔隙，使結構整體變得緊密;同時，水化粉煤灰顆粒間凝膠物相互交叉嵌鎖，增加了界面間的摩擦力，使混合料后期強度得到發展。

2 原材料的選擇

2.1 水泥

試驗用的水泥采用海螺牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能指標見(表1)，化學成分見(表2)。

表1 水泥的物理力學性能指標

2.2 粉煤灰

使用福州華能電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，比表面積3950cm2/g，需水量比92%，其化學成分見(表2)。

表2 水泥、粉煤灰的化學成分(%)

2.3 粗集料

采用福州謝坑處洋坑山的凝灰熔巖碎石，表觀密度為2.69 g/cm3，含泥量為0.28%。

2.4 細集料

采用閩江中砂，細度模數為2.6，含泥量0.35%。

2.5 外加劑

采用選擇具有緩凝作用的高效減水劑。

3 配合比優化設計及性能測試

3.1 集料級配組成設計

按照(JTJ034－2000)要求的基層顆粒級配，最大粒徑不超過30mm，顆粒組成符合II級級配，根據要求，我們進行了基層的顆粒級配試驗，按不同的比例進行試配，選定了基層為碎石:砂=60:40的級配，試驗結果表明，當粗細集料的比例為60%:40%時基層集料級配符合JTJ034－93，基層的級配計算見(表3)。

表3 基層的級配計算表

3.2 膠結料的選擇

根據我國技術規范要求，高速公路路面基層7d抗壓強度為3～4MPa，壓實度為98%，要達到上述質量要求，除級配符合要求外，還必須有優良的膠結料，以確保基層有足夠的強度和良好的穩定性。目前膠結料有石灰、水泥等各種材料組成，但性能與經濟性各異，在研究中針對我省情況，選擇了水泥和粉煤灰并通過試驗找出二者最佳配比。

水泥是粉煤灰最常用的激發材料，一方面提供一定的水化膠凝物質以保證粉煤灰早期強度的需要，另一方面又要求水泥水化所生成的Ca(OH)2數量與質量足以激發粉煤灰的活性物質發生水化反應，并因此生成數量足夠及質量高的水化膠凝產物以保證基層后續強度的持續穩定發展。從經濟原因及強度要求考慮，為了達到結構層使用要求，我們選擇了水泥和粉煤灰基層適宜的比例，其結果見(表4)。

表4 水泥和粉煤灰基層適宜的比例

3.3 混合料重型擊實試驗

根據表4所確定的水泥和粉煤灰適宜比例，依據(JTJ057－94)試驗方法，進行擊實試驗，得出水泥粉煤灰穩定碎石的最大干容重和最佳含水率見(表5)。

表5 最大干容重和最佳含水率選擇

3.3 混合料的配合比設計及抗壓強度

根據(表5)所確定的不同水泥和粉煤灰比例所得出的最佳含水率和計算的干密度制備試件，水泥粉煤灰穩定碎石混合料的配合比及抗壓強度見(表6)。

表6 混合料的配合比及抗壓強度

從(表4－6)可以看出根據滿足強度要求的情況下:選擇最小水泥和粉煤灰比例的原則，確定理論水泥和粉煤灰基層比例為65:65。

3.4 水泥粉煤灰和水泥穩定碎石的性能

水泥粉煤灰穩定碎石的性能研究中，對比做了水泥粉煤灰穩定碎石和水泥穩定碎石基層的CBR、回彈模量、劈拉強度、彎拉強度等試驗，試驗結果見(表7)。

表7 水泥粉煤灰和水泥穩定碎石性能試驗

從所做的試驗可以看出，基層水泥粉煤灰穩定碎石CBR比水泥穩定碎石的值略高;水泥粉煤灰穩定碎石的回彈模量比水泥穩定碎石的值略高，能滿足基層回彈模量400～500MPa;從抗壓強度試驗可以看出，水泥粉煤灰穩定碎石抗壓強度的發展，特別是后期抗壓強度增長率比水泥穩定碎石大，為此保證了水泥粉煤灰穩定碎石層的后期強度;從劈拉試驗和彎拉試驗結果可以看出，基層水泥粉煤灰穩定碎石的7天強度比水泥穩定碎石的值略低，而28天的值高于水泥穩定碎石。說明其抗裂性比水泥穩定碎石好，但均能滿足基層達到0.6MPa的要求。

3.5 Ⅲ級粉煤灰替代Ⅱ級粉煤灰應用的可行性

在保證質量的前提下，為拓寬灰源，降低造價，我們依據(JTJ057－94)試驗的方法，用Ⅲ級粉煤灰做水泥穩定碎石基層的強度對比試驗，試驗結果見(表8)。

表8 Ⅱ、Ⅲ級粉煤灰基層抗壓強度

從所做的試驗可以看出，采用Ⅲ級灰所做基層的強度和Ⅱ級灰相近。說明用Ⅲ級粉煤灰替代Ⅱ級粉煤灰是可行的。

4 結論

(1)水泥穩定碎石基層中用粉煤灰代替部分水泥，即水泥粉煤灰穩定碎石層代替水泥穩定碎石層研究，經試驗所選定基層的水泥:粉煤灰為65:65的比例是可行的，其7天、28天、60天的無側限抗壓強度均達到規范的要求。

(2)摻用粉煤灰與外加劑后，水泥粉煤灰穩定碎石的凝結時間明顯延長，能夠滿足材料對水泥終凝時間的要求，有利于施工單位對材料的選擇，且能改善施工條件，保證施工質量。

(3)水泥粉煤灰穩定碎石的承載比、劈拉強度、彎拉強度、回彈模量等性能和水泥穩定碎石層相近。其后期的無側限抗壓強度均比水泥穩定碎石層高，這有利于承擔后期大交通量的增長，延長路面的疲勞壽命。

(4)采用華能電廠的Ⅲ灰代替Ⅱ灰作為水泥粉煤灰穩定碎石層的摻合料，經無側限抗壓強度試驗，其抗壓強度與Ⅱ級灰基本相近，說明采用Ⅲ灰是可行的。

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