粉煤灰對改善水泥穩定碎石中石屑的性能影響分析

邰云野

(黑龍江省龍建路橋第四工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150070)

0 引 言

目前，半剛性基層材料以其早期強度高，易于施工，養護方便，行車舒適性好等優勢得到了廣泛應用，是我國高等級公路首選的基層種類。水泥穩定碎石通過多年的工程應用也展現出部分缺陷，從原材料角度看，因水泥穩定碎石為當前主要的基層結構類型，造成當前原材供應緊缺；半剛性基層主要作為承重層，對強度要求嚴格，集料所用巖石硬度增加，使得破碎出的石屑整體偏粗，造成集料整體級配偏粗，對結構整體強度產生影響；因集料多由破碎工藝得到，在破碎過程中產生較多粉塵，造成集料含泥量指標偏大，從而影響水泥穩定碎石強度和收縮性能。有研究表明粉煤灰可以改善水泥穩定碎石性能，為驗證該結論，本研究以通過率為控制指標，從物理性能、力學性能等方面探究粉煤灰對水泥穩定碎石性能的影響規律，從而為粉煤灰在基層結構推廣做好技術儲備。

1 原材料選擇

選用某實體工程項目所用水泥、石屑和粉煤灰為原材料，進行原材料技術指標的測定，指標如下。

1.1 水泥

根據工程設計要求，選用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，各項指標均滿足規范要求。

1.2 石屑

石屑選用工程附近料場集料，并按要求進行篩分試驗，篩分結果見表1。

表1 石屑篩分

1.3 粉煤灰

粉煤灰選用工程附近熱電廠，按《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)對粉煤灰化學組成、篩分、液塑限指標進行測定，結果見表2～表4。

表2 粉煤灰的化學組成

表3 粉煤灰篩分

表4 粉煤灰液、塑限指標

對比石屑與粉煤灰篩分結果，繪制級配曲線如圖1所示。

圖1 石屑與粉煤灰級配曲線

從圖1可以看出石屑的級配偏粗，粉煤灰的級配較細，將兩種原材料混合會使材料級配處在一個適中的級配范圍，更容易滿足水泥穩定碎石對級配范圍的要求。

2 物理性能

水泥穩定碎石在配合比設計過程中需確定最佳含水率與最大干密度，為縮短試驗工作量與試驗時間，本研究采用無機結合料擊實試驗分別確定石屑、粉煤灰最佳含水率，綜合各原材料占比計算出水泥穩定碎石的最佳含水率，用這個最佳含水率進行擊實試驗，確定該配比下的最大干密度。

2.1 石屑的最佳含水率與最大干密度

考慮粉煤灰在一定程度可以改善水泥穩定碎石中石屑的相關性能，因此在本研究中控制石屑0.15 mm孔徑的通過率，選取通過率為0%、3%、5%、7%四種石屑級配進行含水率與干密度試驗，試驗結果見表5，試驗數據如圖2所示。

表5 不同級配下石屑的最佳含水率與最大干密度

圖2 不同級配下石屑的擊實試驗

從圖2中可以看出隨石屑0.15 mm篩孔通過率增加，石屑的最佳含水率與最大干密度均增大。

2.2 粉煤灰的最佳含水率與最大干密度

按規范試驗要求，對粉煤灰進行擊實試驗，試驗數據如圖3所示，根據試驗數據得到粉煤灰最佳含水量為18.8%，最大干密度為1.259 g/cm3。

圖3 粉煤灰擊實試驗

2.3 摻加粉煤灰后的最佳含水率與最大干密度

為分析粉煤灰對水泥穩定碎石物理性能的影響，在控制石屑0.15 mm通過率的前提下摻入不同劑量的粉煤灰后進行擊實試驗，最佳含水率按各原材料摻配比例綜合計算，試驗結果見表6，如圖4所示。

表6 不同粉煤灰摻量下的干密度指標

圖4 0.15 mm通過率不同石屑在不同粉煤灰含量下的干密度

通過表6與圖4可以看出，在石屑通過率一定條件下，粉煤灰摻量與最大干密度指標成拋物線關系，在一定范圍內先增大后減小，最佳含水率隨粉煤灰摻量增加而增大；當石屑通過率不斷增大時，粉煤灰摻量增加對壓實度指標影響程度降低。

3 力學性能

3.1 無側限抗壓強度

通過試驗得到不同通過率下，不同粉煤灰摻量下的無側限抗壓強度，試驗結果見表7，如圖5所示。

表7 不同粉煤灰摻量下的無側限抗壓強度

圖5 不同粉煤灰摻量下的無側限抗壓強度

通過表7與圖5可以看出，在石屑通過率一定條件下，無側限抗壓強度隨粉煤灰摻量增加而增大；當石屑通過率不斷增大時，粉煤灰摻量增加會降低水泥穩定碎石的無側限抗壓強度。

3.2 劈裂強度

通過試驗得到不同通過率下，不同粉煤灰摻量下的劈裂強度，試驗結果見表8，如圖6所示。

表8 不同粉煤灰摻量下的劈裂強度

圖6 不同粉煤灰摻量下的劈裂強度

通過表8與圖6可以看出，在石屑通過率一定條件下，劈裂強度隨粉煤灰摻量增加先增大后減小；在同一粉煤灰摻量下，劈裂強度隨石屑通過率增大而提高，當通過率繼續增大時，粉煤灰對強度影響減弱。

4 結 論

本文以石屑0.15 mm通過率為控制指標，通過在水泥穩定碎石中摻加不同劑量粉煤灰，探索粉煤灰對石屑在水泥穩定碎石中性能的影響，通過壓實試驗、無側限抗壓試驗、劈裂試驗得到以下結論：

當石屑通過率一定時，壓實效果隨著粉煤灰含量的增加呈先增大后減小的趨勢，在石屑0.15 mm孔徑通過率在0%～5%范圍內，粉煤灰的加入會提高材料的壓實性能，當石屑0.15 mm孔徑通過率在7%時，摻加少量的粉煤灰會小幅度的增加其壓實性能。

粉煤灰的加入可以改善石屑的力學性能，當石屑通過率一定時，力學指標隨著粉煤灰含量的增加呈先增加后減小關系。

綜合物理性能與力學性能，當石屑0.15 mm孔徑通過率在0%至5%，摻加適當的粉煤灰對改善水泥穩定碎石性能指標有利。