超大摻量粉煤灰無機結(jié)合料穩(wěn)定基層材料配合比

樸志海,姚瑞珊,孫明剛,池 波,王普夷

(1.龍建路橋股份有限公司,黑龍江 哈爾濱 150009;2.黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150025)

1 前 言

水泥穩(wěn)定基層材料自從應(yīng)用于公路路面基層以來，以其強度較高，穩(wěn)定性較好，抗凍性強，自成板體等優(yōu)點被廣泛采用。但它本身也存在耐磨性差，易發(fā)生干縮開裂和溫縮開裂，養(yǎng)生期較長，水泥總用量較大等等缺點。

針對水泥穩(wěn)定碎石基層材料水泥總用量較大問題，研究團隊進行了系列研究，試配出了一種超大摻量粉煤灰無機結(jié)合料穩(wěn)定基層材料。該配合比制作的無側(cè)限抗壓強度試件，其7 d無側(cè)限抗壓強度可穩(wěn)定達到4.0 MPa左右，28 d無側(cè)限抗壓強度可穩(wěn)定達到6.0 MPa左右。完全可以滿足高等級公路基層和底基層強度要求。

2 原材料的選擇

本配合比涉及到的原材料主要包括粗集料、細集料、水泥、外加劑、礦物摻合料(本課題主要使用粉煤灰)和拌和水。以下為這些原材料選擇方案和實測技術(shù)性能。

2.1 粗、細集料的選擇

粗集料采用9.5～31.5 mm碎石、5～10 mm碎石、3～5 mm碎石，這三檔碎石質(zhì)地堅硬、粒形粗糙方正、潔凈無雜質(zhì)。細集料采用石屑，該石屑質(zhì)地堅硬，級配較好。這四種集料的實測技術(shù)性能如表1～表4。

表1 9.5～31.5 mm碎石技術(shù)性能

表2 5～10 mm碎石技術(shù)性能

表3 3～5 mm碎石技術(shù)性能

表4 石屑技術(shù)性能

2.2 膠凝材料和外加劑的選擇

(1)水泥

參照高等級公路設(shè)計標準，本配合比選用42.5級普通硅酸鹽水泥?？紤]到本配合比摻加復(fù)合外加劑，因此對水泥可以不提出明確的緩凝時間要求。

(2)粉煤灰

本配合比將水泥穩(wěn)定基層材料劃歸為特貧混凝土范疇，摻加粉煤灰的作用之一就是在混合料中產(chǎn)生二次水化反應(yīng)，提高無機結(jié)合料的后期強度，因此摻加的粉煤灰需滿足Ⅱ級要求。

(3)外加劑

本配合比設(shè)計綜合考慮了無機結(jié)合料的強度、凝結(jié)時間、干燥收縮、溫度收縮、耐久性等指標，根據(jù)水泥混凝土試配經(jīng)驗，并經(jīng)過廣泛考察對比，選擇了收縮率最小的聚羧酸鹽系高性能外加劑(該外加劑中復(fù)合了減水劑、緩凝劑、引氣劑、膨脹劑或減縮劑、保坍劑等組分)。與此同時，也選擇了性價比相對較高的脂肪族外加劑進行對比。

3 配合比的選定、優(yōu)化

3.1 配合比設(shè)計方案

本方案將水泥穩(wěn)定基層材料劃歸為特貧混凝土范疇，其礦質(zhì)混合料級配按水泥穩(wěn)定級配碎石設(shè)計，使用部位按高速和一級公路C-B-1推薦級配范圍選擇；膠凝材料采用水泥加超大摻量粉煤灰(摻加50%Ⅱ級粉煤灰)。

(1)初步確定混合料級配及級配曲線

本配合比根據(jù)篩分結(jié)果調(diào)整的碎石合成級配如下：9.5～31.5 mm占50%，5～10 mm占5%，3～5 mm占10%，0～3 mm占35%。該級配符合JTG/T F20-2015 《公路工程路面基層施工技術(shù)細則》中的相關(guān)要求。見以圖1,表5。

表5 C-B-1礦料合成級配

圖1 C-B-1礦料合成級配曲線

(2)確定最佳膠凝材料用量

為了確定配合比的最佳膠凝材料劑量，我們以級配居中的Ⅱ類級配作為本次配合比的集料摻配比例，同時以4.0%、4.5%、5.0%水泥劑量分別進行擊實試驗，分別求出最大干密度和最佳含水率，并以此結(jié)果對上述三種水泥劑量分別成型13個無側(cè)限抗壓強度大試件，以7 d無側(cè)限抗壓強度及經(jīng)濟性等其他因素綜合確定最佳膠凝材料用量。以下為本次試驗的具體數(shù)據(jù)。

擊實試驗結(jié)果及無側(cè)限抗壓強度平均值。

表7 無側(cè)限抗壓強度(表格括號內(nèi)數(shù)據(jù)為變異系數(shù))

從上述系列試驗可以發(fā)現(xiàn)：4.5%水泥劑量的最大干密度及7 d、28 d無側(cè)限抗壓強度適中，其摻量介于4.0%和5.0%之間，雖然較4.0%水泥劑量偏大，但考慮到目前高等級公路的常規(guī)設(shè)計值以及經(jīng)濟性、適用性等多方面因素，4.5%的摻量具有普遍代表性，所以確定4.5%的膠凝材料為最佳摻量，并以此摻量進行后續(xù)的系列試驗研究。

(3)確定合適的外加劑種類及摻量

以上述最佳混合料級配Ⅱ類級配，最佳膠凝材料總用量4.5%(2.25%水泥+2.25%粉煤灰)為基準，分別按以下配合比進行擊實試驗。

50%水泥+50%粉煤灰不加外加劑

50%水泥+50%粉煤灰+(1.2%～2.4%)脂肪族外加劑

50%水泥+50%粉煤灰+(0.7%～1.3%)聚羧酸外加劑

表8 擊實試驗表(加脂肪族外加劑)

表9 擊實試驗表(加聚羧酸外加劑)

表10 無側(cè)限抗壓強度試驗表(加脂肪族外加劑，表格括號內(nèi)數(shù)據(jù)為變異系數(shù))

表11 無側(cè)限抗壓強度試驗表(加聚羧酸外加劑，表格括號內(nèi)數(shù)據(jù)為變異系數(shù))

結(jié)論：通過上述試驗結(jié)果可知，用摻加1.0%聚羧酸外加劑的配合比進行擊實，得到的最佳含水率最小，最大干密度最大，7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度最大，這種外加劑能以更少的摻量達到最佳的效果，綜合研究討論后確定最合適的外加劑為聚羧酸外加劑，最佳摻量為1.0%。

(3)確定最佳配合比

經(jīng)過上述系列對比試驗，最終確定的配合比如下。

①碎石級配組成：9.5～31.5 mm碎石占50%，5～10 mm碎石占5%，3～5 mm碎石占10%，0～3 mm石屑占35%；

②膠凝材料：4.5%，其中，水泥占50%，Ⅱ級粉煤灰占50%；

③聚羧酸外加劑占膠凝材料總和的1.0%；

④最佳含水率：3.7%，最大干密度2.279 g/cm3。

4 結(jié) 語

(1)將水泥穩(wěn)定基層材料劃歸為特貧混凝土范疇。進行水泥穩(wěn)定基層材料配合比組成設(shè)計時，參考并融合了水泥混凝土配合比設(shè)計的有益手段和方法。這種考量對水泥穩(wěn)定基層材料來說不啻是一場革命。

(2)等量超大摻量粉煤灰(50%)應(yīng)用的同時，又摻加復(fù)合聚羧酸鹽高性能外加劑，既保證強度、又降低結(jié)合料的成本，綠色環(huán)保，經(jīng)濟社會效益顯著。

(3)在配合比組成設(shè)計階段，采用機械振動方法攪拌水泥穩(wěn)定基層材料，以此取代傳統(tǒng)的手工拌和方式。

(4)水泥穩(wěn)定基層材料容許延遲時間可靈活控制(由緩凝劑控制)，由此擴大了水泥的選材和適用范圍。