水泥粉煤灰穩定碎石力學參數影響因素研究

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定類混合料基層，但容易因基層開裂引起瀝青路面出現反射裂縫。在實際使用過程中，人們往往著重關注水泥穩定碎石的強度。許多學者研究了水泥劑量、成型方式及試件尺寸等因素對水泥穩定碎石強度的影響[1-3]，而忽略了對水泥穩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[4-5]，其數值的增加意味著基層材料的抗變形能力減弱。在荷載和環境因素等作用下易使基層產生裂縫。在保證路面強度和剛度的前提下，水泥穩定類材料混合料配合比設計時，應適當減小回彈模量，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，優化水泥粉煤灰穩定碎石配合比設計，作者擬研究水泥劑量、粉煤灰劑量及養護齡期對無側限抗壓強度、劈裂強度及回彈模量的影響。

1 原材料

1) 集料

試驗采用某石場產的花崗巖碎石，其主要技術指標見表 1，符合現行規范要求。各檔集料按比例摻配后的合成級配如圖1所示。

表1 集料的技術性質及摻配比例Table 1 Technical properties and mixing proportion of aggregates

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

2) 水泥的技術指標

試驗采用某水泥公司生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其技術指標見表2，符合現行規范要求。

3) 粉煤灰的技術指標

試驗采用某電廠生產的II級粉煤灰，其技術指標見表3，符合現行規范要求。

表2 水泥的物理性質及力學性質Table 2 Physical and mechanical properties of the cement

表3 粉煤灰檢驗結果Table 3 Test results of the fly ash

2 配合比設計

水泥粉煤灰穩定碎石配合比設計的關鍵參數包括：集料的級配、水泥及粉煤灰與集料的比例。在該領域已有研究和前期試驗的基礎上[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。根據擬定的配合比，參考《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程(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，試驗結果見表4。

從表4中可以看出，當粉煤灰劑量為6%時，隨著水泥劑量的提高，水泥粉煤灰穩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，水泥粉煤灰穩定碎石的最大干密度不變。當水泥劑量為3.5%時，隨著粉煤灰劑量的提高，水泥粉煤灰穩定碎石的最佳含水量和最大干密度表現出類似的規律。

表4 水泥粉煤灰穩定碎石的配合比設計Table 4 Proportion design of cement fly ash stabilized crushed stone

3 試驗方法

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

4 試驗結果與分析

4.1 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度是反映無機結合料穩定類材料承載能力的一項重要技術指標，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%水泥劑量下的無側限抗壓強度，其28 d的試驗結果如圖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，這與普通水泥穩定碎石的強度隨水泥劑量的提高而增加的變化規律相一致。當水泥劑量為5.5%時，其28 d無側限抗壓強度為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限抗壓強度，其28 d的試驗結果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著粉煤灰劑量的提高，水泥粉煤灰穩定碎石的 28 d無側限抗壓強度呈先增加后減小的趨勢。當粉煤灰劑量不大于 9%時，隨著粉煤灰劑量的提高，無側限抗壓強度總體呈增長趨勢。當粉煤灰劑量為9%時，無側限抗壓強度最大，達到9.52 MPa。當粉煤灰劑量大于9%時，隨著粉煤灰劑量的提高，水泥粉煤灰穩定碎石無側限抗壓強度呈下降的趨勢。4.1.3 養護齡期對無側限抗壓強度的影響

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

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

圖4 養護齡期對無側限抗壓強度的影響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合料穩定材料抗拉能力的常用指標，其數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。這與普通水泥穩定碎石的強度隨水泥劑量的增加而增加的變化規律相一致。當水泥劑量為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，水泥粉煤灰穩定碎石的 28 d劈裂強度呈先增加后減小的趨勢。當粉煤灰劑量不大于 9%時，隨著粉煤灰劑量的提高，劈裂強度總體呈增長趨勢。當粉煤灰劑量為9%時，劈裂強度最大，達到0.87 MPa。當粉煤灰劑量大于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

為研究養護齡期對劈裂強度的影響，比較配合比2#普通水泥穩定碎石(3.5%水泥，0%粉煤灰)和配合比 4#水泥粉煤灰穩定碎石(3.5%水泥，6%粉煤灰)7,14,28 和60 d的劈裂強度，試驗結果如圖7所示。從圖7中可以看出，隨著養護齡期的延長，普通水泥穩定碎石與粉煤灰水泥穩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護齡期條件下，水泥粉煤灰穩定碎石的劈裂強度是普通水泥穩定碎石的1.1倍左右。

圖7 養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材料在荷載作用下產生的應力與其相應的回彈應變的比值。在無機結合料穩定類材料強度不變的條件下，適當地降低回彈模量可以增強基層的抗開裂能力。

4.3.1 水泥劑量對回彈模量的影響

當粉煤灰劑量為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%后趨于穩定。當水泥劑量為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)研究養護齡期對回彈模量的影響，試驗結果如圖10所示。從圖10中可以看出，隨著養護齡期的延長，普通水泥穩定碎石和粉煤灰水泥穩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護齡期條件下，水泥粉煤灰穩定碎石的回彈模量是普通水泥穩定碎石的1.2倍左右。

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

5 結論

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

1) 28 d無側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。隨養護齡期的延長，普通水泥穩定碎石與粉煤灰水泥穩定碎石的無側限抗壓強度均呈增大的趨勢。與7 d的無側限抗壓強度相比，28和60 d無側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。隨著養護齡期的延長，普通水泥穩定碎石和粉煤灰水泥穩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%后趨于穩定。隨著粉煤灰劑量的提高，水泥粉煤灰穩定碎石的28 d回彈模量呈線性減小的趨勢。隨著養護齡期的延長，普通水泥穩定碎石和粉煤灰水泥穩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%。