超大摻量粉煤灰綜合穩定基層材料性能研究

樸志海,陳興盛,許 巍,姚瑞珊

(1.龍建路橋股份有限公司,黑龍江 哈爾濱 150009;2.天津市農村社會事業發展服務中心,天津 300384;3.黑龍江省寒地建筑科學研究院,黑龍江 哈爾濱 150080;4.黑龍江建筑職業技術學院,黑龍江 哈爾濱 150025)

1 前 言

長期以來,水泥穩定基層材料被人們廣泛應用于較高和高等級路面基層中,它具有比較明顯的技術優勢:強度較高,穩定性較好,抗凍性較強,自成板體等。

傳統水泥穩定基層材料也存在著一些無法克服的缺點:耐磨性較差,水泥絕對用量較大、易發生干縮、溫縮裂縫,施工工藝局促,從配料攪拌到攤鋪碾壓完成要求間隔時間較短,對水泥凝結時間和施工隊伍操作水平要求較高,一般水泥穩定材料強度增長較慢,養生期較長[1]。

研究了一種可以弘揚其既有優點,同時可以最大限度減小其固有缺點的水泥穩定基層材料,即超大摻量粉煤灰綜合穩定基層材料。

張桂霞對多功能水泥穩定碎石基層材料外加劑進行過較系統研發[2]。受此啟發,在研究中超量摻加Ⅱ級粉煤灰(占膠凝材料的50%),同時摻加1%的聚羧酸高性能外加劑,外加劑中復合了適量的緩凝劑,混合料的延遲時間可控。

2 配合比的選擇

在研究中,參考了水泥混凝土配合比設計思路,將超大摻量粉煤灰綜合穩定基層材料劃為特貧混凝土范疇研究,充分考慮超大摻量摻加粉煤灰的后果,可能會降低混合料的早期強度,嘗試在混合料中摻加復合外加劑,降低最佳含水率,以彌補早期強度的損失。黃煜鑌、呂偉民、徐建達等人對水泥穩定基層材料中摻加減水劑都曾進行過研究[3],取得了有益的成果。

大量研究結果表明,摻加外加劑后,超大摻量粉煤灰綜合穩定基層材料與純水泥穩定基層材料相比,最佳含水率降低了1.2%,這就為保證早期強度滿足施工要求提供了理論依據。

經過系列研究試配,最終確定超大摻量粉煤灰綜合穩定基層材料配合比如下。[4]

(1)碎石級配組成:9.5～31.5 mm碎石占53%,5～10 mm碎石占9%,3～5 mm碎石占6%,0～3 mm石屑占32%[5]。

(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:4.4%,最大干密度2.311 g/cm3。

3 力學性能

3.1 無側限抗壓強度[6]

首先確定超大摻量粉煤灰綜合穩定基層材料配合比,該配合比與傳統無機結合料基層材料的不同點已在前言有所陳述,在此不再贅述。為體現出該配合比的特點,本研究與另兩個配合比的基層材料進行對比,這三個對比組合的膠凝材料組分分別為:(1)2.25%水泥+2.25%粉煤灰+1%外加劑;(2)2.25%水泥+2.25%粉煤灰無外加劑;(3)4.5%純水泥。其中,組合(1)為本研究對象,其余兩個組合為對比組合。因本試驗研究的膠凝材料中摻加了大量的粉煤灰,粉煤灰的水化速度較慢,所以在確定這批綜合穩定材料試件的試驗齡期時除了考慮7 d齡期外外,同時考慮了28 d、60 d和90 d三個齡期。對比試驗結果見表1。

表1 對比試驗各齡期無側限抗壓強度

從表中1可以看出,本研究的7 d無側限抗壓強度雖然低于純水泥同齡期組合,但完全滿足各等級公路基層設計強度要求,其特征與優勢主要體現在后期強度增長率較高。

3.2 抗彎拉強度

考慮到綜合穩定基層材料路用性能和受力特點,進行了抗彎拉強度試驗研究。因該研究膠凝材料中摻加了50%的粉煤灰,屬于超大摻量范疇,所以確定以180 d齡期作為研究試驗齡期。該試驗研究參數可為無機結合料穩定材料的彎拉疲勞試驗、彎拉模量試驗確定加荷標準提供基礎數據。同時可以以此驗證該配合比的可行性和穩定性。本次研究路線同2.1,研究試驗結果見表2。

表2 超大摻量粉煤灰水泥穩定基層材料各齡期抗彎拉強度

彎拉強度試驗驗結果表明:摻加50%粉煤灰同時摻加1%外加劑的配合比,其180 d彎拉強度達到100%純水泥配合比同齡期彎拉強度的93.4%;摻加50%粉煤灰不摻加外加劑的配和比,其180 d彎拉強度達到100%純水泥配合比同齡期彎拉強度的88.5%。從這三種不同配合比不同結果中可以體現出摻加外加劑配合比的優勢。

3.3 間接抗彎拉強度

間接抗彎拉強度也是無機結合料穩定材料的一個主要力學參數,它可以間接衡量該材料的劈裂強度,為此文中進行了間接抗彎拉強度試驗(每個齡期每個配合比13個試件)研究,因該研究膠凝材料中摻加了50%的粉煤灰,屬于超大摻量范疇,所以確定以180 d齡期作為研究試驗齡期,以此驗證該配合比的可行性和穩定性。本次研究路線同2.1,研究試驗結果見表3。

表3 超大摻量粉煤灰水泥穩定基層材料各齡期間接抗彎拉強度

間接抗彎拉強度研究試驗結果表明:摻加50%粉煤灰同時摻加1%外加劑的配合比,其180 d間接彎拉強度達到100%純水泥配合比同齡期間接彎拉強度的84.2%;摻加50%粉煤灰不摻加外加劑的配合比,其180 d間接彎拉強度達到100%純水泥配合比同齡期間接彎拉強度的60.0%。從這三種不同配合比研究結果中可以體現出摻加外加劑配合比的優勢。

3.4 室內抗壓回彈模量(頂面法)

室內抗壓回彈模量也是無機結合料穩定材料的一個力學參數,是路面基層進行無側限抗壓強度等結構設計的基礎性參數。

回彈模量是指路基,路面及各種筑路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,路面基層回彈模量表示路面基層材料在彈性變形階段內,在垂直荷載作用下,抵抗豎向變形的能力。如果垂直荷載為定值,路面基層回彈模量值愈大則產生的垂直位移就愈小;如果豎向位移是定值,回彈模量值愈大,則路面基層承受外荷載作用的能力就愈大。從這里我們可以看出,室內抗壓回彈模量是衡量基層路用性能的一個重要指標和參數,在某種意義上說,它比無側限抗壓強度能更好的體現基層的承載能力。

本研究參照2.1思路,即選擇三個對比組合對該參數進行較為系統研究。對比組合分別為:(1)2.25%水泥+2.25%粉煤灰+1%外加劑;(2)2.25%水泥+2.25%粉煤灰無外加劑;(3)4.5%純水泥。研究試驗結果見表4～表6和圖1～圖3。

圖1 純水泥無機結合料回彈模量曲線

圖2 2.25%水泥+2.25%粉煤灰無外加劑無機結合料回彈模量曲線

圖3 2.25%水泥+2.25%粉煤灰+1%外加劑無機結合料回彈模量曲線

表4 純水泥無機結合料回彈模量試驗數據

表5 2.25%水泥+2.25%粉煤灰無外加劑無機結合料回彈模量試驗數據

表6 2.25%水泥+2.25%粉煤灰+1%外加劑無機結合料回彈模量試驗數據

室內抗壓回彈模量試驗結果表明:摻加50%粉煤灰同時摻加1%外加劑的配和比,其180 d室內抗壓回彈模量達到100%純水泥配合比同齡期室內抗壓回彈模量的100.8%;摻加50%粉煤灰不摻加外加劑的配合比,其180 d室內抗壓回彈模量達到100%純水泥配合比同齡期室內抗壓回彈模量的46.4%。

以上三種不同配合比不同結果凸顯了摻加外加劑配合比的優勢,同時,我們更應該充分利用摻加粉煤灰筑路材料長期性能的優勢。

4 綜合穩定基層材料耐久性研究

4.1 綜合穩定基層材料抗凍性能

綜合穩定基層材料抗凍性是指其在飽水狀態下遭受凍融循環時,抵抗破壞的能力,它也是反映綜合穩定基層材料耐久性能最重要參數之一。為了驗證綜合穩定基層材料抗凍性能,研究過程中將以下三組配合比的抗凍性能進行對比:2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑、2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑和4.5%純水泥。因為抗凍試件中有兩種配合比的膠凝材料中均摻加了50%的粉煤灰,所以這些試件的養生齡期均確定為180 d。為了系統客觀全面檢驗這一參數,研究中采用五次凍融循環和十次凍融循環兩種循環制度,分別檢驗這三種配合比的抗凍性能。五次凍融循環和十次凍融循環試驗對比數據,見表7和表8。

表7 五次循環后凍融試驗數據

表8 十次循環后凍融試驗數據

從上述五次凍融循環和十次凍融循環試驗可以看出:在這兩種凍融循環制度下,其試驗結果的規律基本相同,即質量損失率:4.5%純水泥配合比最小,2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑配合比較前者稍大,2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑配合比最大。強度損失率:2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑配合比最大,5%純水泥配合比稍小,2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑配合比最小。

在凍融循環這一指標參數中,2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑配合比的強度損失最小。以上研究表明,摻加外加劑超大摻量粉煤灰綜合穩定基層材料的抗凍性能良好,尤其在高寒地區應用,它在抵抗強度損失方面具有明顯的優勢。

4.2 綜合穩定基層材料干縮性能

本參數研究路線與思路同3.1,研究中將以下三組配合比的干縮性能進行對比:2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑、2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑和4.5%純水泥。具體試驗結果見表9～表11及圖4～圖6。

圖4 2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑無機結合料干縮曲線

圖5 2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑無機結合料干縮曲線

圖6 純水泥無機結合料干縮曲線

表9 2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑無機結合料干縮試驗數據

表11 純水泥無機結合料干縮試驗數據

從以上三組不同配合比干縮試驗對比數據中可以明顯看出,100%純水泥的配合比干縮最大,2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑的干縮次之,:2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑的干縮最小,由此得出結論:摻加了粉煤灰和聚羧酸外加劑的綜合穩定材料可以大大減小干縮系數。

5 結 語

超大摻量粉煤灰水泥穩定基層材料具有良好的力學性能、優越的耐久性能、方便的施工性能。(1)力學性能滿足目前公路基層底基層無側限抗壓強度設計要求,尤其長期力學性能增長率突出。(2)耐久性能明顯優于傳統基層材料。(3)因摻加了緩凝型外加劑,混合料延遲時間可控,方便施工。(4)超大摻量粉煤灰穩定基層材料成本低,據測算可節省材料成本約32%,經濟效益顯著。(5)超大摻量使用粉煤灰,節能環保,屬于綠色施工,環境效益和社會效益顯著。該技術已在黑龍江省安達市政工程、黑龍江省西部通鄉公路等工程進行了試用,力學性能、耐久性能良好,具有良好的應用前景。