外摻水泥提高二灰碎基層早期強(qiáng)度在市政道路應(yīng)用試驗(yàn)研究

凌思德

(天津城市道路橋梁管理事務(wù)中心道路第二分中心，天津 300151)

二灰碎作為半剛性材料，以其整體性強(qiáng)、承載力高、剛度大、水穩(wěn)定性好等特點(diǎn)在高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用。但隨著我國(guó)城市規(guī)模、人口規(guī)模的不斷擴(kuò)大，車(chē)輛增多，城市交通壓力日益增大，使得道路的養(yǎng)護(hù)維修難度日益增大，對(duì)市政道路養(yǎng)護(hù)維修工期提出了嚴(yán)格的要求；另外現(xiàn)實(shí)施工操作一般采用半幅封閉施工半幅通行，待攤鋪完粗料后再倒行封閉施工，必然使得道路承受的軸載次數(shù)及反復(fù)停車(chē)起步?jīng)_擊揉搓作用迅猛增加，而二灰碎基層的早期強(qiáng)度低，將對(duì)道路后期使用的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此，探索如何能夠經(jīng)濟(jì)、有效地提高二灰碎基層的早期強(qiáng)度，對(duì)市政道路施工工期以及建成通車(chē)后的使用品質(zhì)都將產(chǎn)生有利影響，是施工實(shí)踐中的重要問(wèn)題。

1 二灰碎強(qiáng)度形成機(jī)理分析

二灰碎的強(qiáng)度形成機(jī)理決定了其早期強(qiáng)度低，石灰的主要成分CaO水解后生成Ca(OH)2，粉煤灰的主要化學(xué)成分為活性SiO2、Al2O3、Fe2O3，其本身沒(méi)有粘結(jié)性，但當(dāng)它以細(xì)分散狀態(tài)與水、石灰混和時(shí)，在常溫下能發(fā)生反應(yīng)生成水硬性膠凝產(chǎn)物，但這些反應(yīng)很緩慢，這也就是二灰碎早期強(qiáng)度低的根本原因。

根據(jù)其強(qiáng)度形成機(jī)理，可以考慮添加有早強(qiáng)作用的結(jié)合劑補(bǔ)充強(qiáng)度的形式來(lái)提高早期強(qiáng)度，如水泥等。添加水泥后由于水泥顆粒的水化作用形成的水泥架構(gòu)，在二灰碎石中形成晶格網(wǎng)絡(luò)，提高了二灰碎石的強(qiáng)度和韌性；同時(shí)水泥水化后形成的Ca(OH)2成分對(duì)粉煤灰有較強(qiáng)的激活作用，使其中的Fe、Al、Si等氧化物更充分地與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成與水泥水化后相似的硬凝膠物質(zhì)；由于較多的硬凝膠物質(zhì)的作用，礦料之間的粘接性大大增強(qiáng)，進(jìn)一步增加了二灰水泥碎石的強(qiáng)度。

2 二灰碎外摻水泥試驗(yàn)研究

本次試驗(yàn)以北辰道道路維修工程為依托，采用水泥外摻法，分別為不摻加水泥、摻加1%、2%、3%水泥四種類(lèi)型，水泥采用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行7 d，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試；同時(shí)工程現(xiàn)場(chǎng)鋪筑四段試驗(yàn)路段，同樣為不摻加水泥、摻加1%、2%、3%水泥，在最佳含水率下碾壓成型，保濕養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行彎沉試驗(yàn)。

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

為保證試驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果能夠真實(shí)反映施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用性能，試驗(yàn)室內(nèi)所采用的各種材料均取自于施工現(xiàn)場(chǎng)，且均不做任何的二次加工處理，采用重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得最佳含水率8%，最大干密度2.116 g/cm3，試件在常溫下保濕養(yǎng)生6 d，浸水24 h后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 不同水泥摻量無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比表

圖1 隨水泥摻量增加無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)情況

表2 不同水泥摻量7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析表

表3 不同水泥摻量28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析表

從表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出，外摻1%水泥的二灰碎7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較不摻加水泥的提高了0.5 MPa，提高52.1%；外摻2%水泥的二灰碎7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較不摻加水泥的提高了0.99 MPa，提高103.1%；外摻3%水泥的二灰碎7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較不摻加水泥的提高了1.51 MPa，提高157.3%。從分析可以看出，外摻水泥對(duì)提高二灰碎的早期強(qiáng)度是有顯著作用的；同時(shí)當(dāng)水泥摻加量達(dá)到3%時(shí)，二灰碎的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相當(dāng)于不摻加水泥二灰碎的28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，亦說(shuō)明了外摻水泥對(duì)二灰碎的早期強(qiáng)度有顯著的增強(qiáng)，可以達(dá)到提早恢復(fù)交通的目的。從表2及圖1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示每提高1%水泥摻量，二灰碎的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高約0.5 MPa，隨著水泥摻量的增加，強(qiáng)度幾乎呈線性遞增；同時(shí)從表3及表2試驗(yàn)結(jié)果顯示28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較7 d的小，這些都符合水泥自身的特性，前期強(qiáng)度增長(zhǎng)快后期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，也說(shuō)明了外摻水泥對(duì)提高二灰碎的早期強(qiáng)度有利，進(jìn)而對(duì)保證工期提早開(kāi)放交通有利，但從經(jīng)濟(jì)性和施工易操作性考慮，應(yīng)該對(duì)水泥摻量要有限度要求。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路段彎沉試驗(yàn)

為驗(yàn)證水泥提高二灰碎早期強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)效果及施工操作性，我們?cè)诒背降冷佒囼?yàn)路段。施工用石灰粉煤灰碎石采用拌合機(jī)集中廠拌，推土機(jī)配合平地機(jī)攤鋪，碾壓完成后及時(shí)檢測(cè)干密度和含水量，鋪筑完成后，保濕養(yǎng)護(hù)7 d后對(duì)不同試驗(yàn)段進(jìn)行彎沉試驗(yàn)，并對(duì)采取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

現(xiàn)場(chǎng)彎沉試驗(yàn)采用自動(dòng)落錘式彎沉儀(CFWD-10T，YQS275)，依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60-2008)及《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/1-2004)，以雙車(chē)道步距每20m一個(gè)測(cè)點(diǎn)。

對(duì)比公式

LB=-5.440+0.902·LFWD

(1)

相關(guān)系數(shù)R=0.964；保證率系數(shù)Za=1.645；

表4 不同水泥摻量試驗(yàn)段彎沉試驗(yàn)結(jié)果表

圖2 不同水泥摻量試驗(yàn)段彎沉試驗(yàn)結(jié)果線形圖

表5 不同水泥摻量試驗(yàn)段彎沉試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表

從表5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出，外摻1%水泥的二灰碎7 d彎沉值較不摻加水泥的減小了25.7，減小率19.6%；外摻2%水泥的二灰碎7 d彎沉值較不摻加水泥的減小了35.9，減小率27.4%；外摻3%水泥的二灰碎 7d彎沉值較不摻加水泥的減小了42.5，減小率32.4%。結(jié)合表4可以看出，隨著水泥摻量增大，在二灰碎表面測(cè)得的彎沉值逐漸減小， 可以說(shuō)明二灰碎基層的強(qiáng)度是逐漸增強(qiáng)的，亦即外摻水泥對(duì)提高二灰碎的早期強(qiáng)度是有顯著作用的。從表5可以看出，每增加1%水泥摻量彎沉值減小值由25.7、10.2～6.6，即隨著水泥摻量的增加彎沉值減小值的效果是減小的，亦即從經(jīng)濟(jì)性的角度是變差，因此對(duì)水泥摻量要有一個(gè)限度的要求。

3 結(jié)語(yǔ)及進(jìn)一步研究建議

從室內(nèi)試驗(yàn)及試驗(yàn)路段測(cè)試的結(jié)果看，用水泥提高二灰碎基層的早期強(qiáng)度是可行的，具有在貼合施工操作、不增加施工難度的情況下達(dá)到提前開(kāi)放交通，縮短工期的優(yōu)勢(shì)，能夠大大減輕養(yǎng)護(hù)施工對(duì)市政道路交通壓力的影響時(shí)間，并且從經(jīng)濟(jì)性考慮可以在不增加較大的投資情況下達(dá)到，例如對(duì)于1 km長(zhǎng)24 m寬的道路，按2%的水泥外摻量，增加投資約占基層投資比7.46%，但從工期上看，可以在7 d保濕養(yǎng)護(hù)后鋪筑粗料即可倒行車(chē)輛進(jìn)行另半幅施工，大大縮短工期，減輕交通壓力，并且后期使用性能有明顯改善。

外摻水泥量對(duì)二灰碎基層的早期強(qiáng)度有顯著影響，水泥用量越大，早期強(qiáng)度的改善越明顯，但水泥用量過(guò)大則經(jīng)濟(jì)性欠佳，同時(shí)過(guò)大增加工程成本；水泥用量過(guò)小則會(huì)增加施工難度，不易拌合均勻，造成鋪筑后基層強(qiáng)度不均勻不穩(wěn)定等，后期使用效果產(chǎn)生不確定影響；同時(shí)同當(dāng)下養(yǎng)護(hù)時(shí)間緊迫時(shí)采用的黑色碎石基層的對(duì)比使用情況等。因此，從貼合施工過(guò)程，經(jīng)濟(jì)性及后期道路使用品質(zhì)等方面考慮，最佳水泥摻量需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究確定。