水泥- 石灰- 干渣半剛性基層材料路用性能研究

陳松靈

（江蘇省科佳工程設(shè)計有限公司，江蘇 常州 214002）

1 引言

近年來，我國高速公路工程飛速發(fā)展。與此同時，公路建設(shè)對道路材料需求較大導(dǎo)致資源枯竭，因此，對一些固體廢棄材料的開發(fā)、研究與利用尤為重要，而干渣作為工業(yè)廢渣，其物理力學(xué)性能與碎石較為相似，具有較好的強(qiáng)度和剛度。我國干渣排放量較大，而利用率較大，本文采用水泥-石灰-干渣作為半剛性基層材料，通過7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)和抗彎拉試驗(yàn)確定最佳水泥、石灰、干渣摻量，并結(jié)合水泥-石灰-干渣半剛性基層路段施工工藝，在道路基層中推廣應(yīng)用的水泥-石灰-干渣半剛性基層材料，實(shí)現(xiàn)減少土地占用、保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[1]。

2 工程概況

某高速公路為水泥-石灰-干渣半剛性基層，項(xiàng)目路段設(shè)計瀝青上面層為4cmSBS 改性瀝青混凝土，中面層為6cm AC-20 瀝青混凝土，下面層為8 cm 瀝青穩(wěn)定碎石，基層為26 cm水泥-石灰-干渣穩(wěn)定碎石，底基層為28 cm 碎石石灰土。項(xiàng)目路段施工方案見表1。

表1 項(xiàng)目道路各結(jié)構(gòu)層施工方案

3 水泥- 石灰- 干渣半剛性基層最佳方案

3.1 原材料

3.1.1 干渣

半剛性基層力學(xué)性能主要由干渣決定。干渣是承受道路行車荷載的重要材料，其基本性能直接影響半剛性基層的力學(xué)性能、穩(wěn)定性能和耐久性能[2]。

3.1.2 水泥

半剛性基層材料采用硅酸鹽水泥作為膠凝材料，并對水泥主要礦物水化速度和強(qiáng)度進(jìn)行檢測。水泥的初凝時間、終凝時間、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度關(guān)于水泥的基本性能，因此，本文對水泥的初凝時間、終凝時間、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行檢測，由檢測結(jié)果可知，水泥初凝時間為169 min，終凝時間343 min，3 d、7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度分別為18.55 MPa、37 MPa、44.3 MPa，3 d、7 d、28 d 抗折強(qiáng)度分別為3.45 MPa、4.6 MPa、6.45 MPa。檢測結(jié)果均滿足半剛性基層材料對水泥性能的要求。

3.1.3 石灰

石灰水化后可以提高水泥的和易性，且石灰在半剛性基層材料中可以改善其耐水性，增強(qiáng)基層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3.2 水泥- 石灰- 干渣半剛性基層最佳摻量

3.2.1 確定半剛性基層干渣摻量

水泥-石灰-干渣半剛性基層強(qiáng)度的形成由集料組成強(qiáng)度骨架，干渣填充骨架空隙，有利于增強(qiáng)骨料顆粒間的摩擦力，進(jìn)一步加強(qiáng)集料骨架強(qiáng)度。本文試件采用粒徑小于4.75 mm的干渣摻比為0%、20%、40%、60%、80%、100%，并進(jìn)行7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)和抗彎拉試驗(yàn)，干渣摻比與強(qiáng)度關(guān)系如圖1 所示。

圖1 干渣摻比半剛性基層強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖1 可知，半剛性基層抗壓強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度隨干渣摻比增大呈先增大后減小的趨勢，干渣摻比從0%增加到60%，基層抗壓強(qiáng)度從3.12 MPa 增加到4.02 MPa，抗壓強(qiáng)度增加了28.85%，干渣摻比從60%增加到100%，基層抗壓強(qiáng)度從4.02 MPa 減小到3.69 MPa，抗壓強(qiáng)度減小了8.21%；干渣摻比從0%增加到80%，基層疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度分別從0.28 MPa、1.21 MPa 增加到0.45 MPa、1.76 MPa，疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度分別增加了60.71%、45.46%，摻比從80%增加到100%，基層疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度分別從0.45 MPa、1.76 MPa 減小到0.43 MPa、1.71 MPa，疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度分別減小了4.44%、2.84%，干渣摻比在60%～80%，基層抗壓強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度最優(yōu)，因此，項(xiàng)目工程高速公路水泥-石灰-干渣半剛性基層干渣摻比選擇70%。

3.2.2 確定半剛性基層水泥摻量

本文試件采用水泥摻比為3%、4%、5%，并進(jìn)行7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)和抗彎拉試驗(yàn)，水泥摻比與強(qiáng)度關(guān)系如圖2 所示。

圖2 水泥摻比半剛性基層強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖2 可知，半剛性基層抗壓強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度隨水泥摻比增大呈增大的趨勢，當(dāng)水泥摻比從3%增加到4%，基層抗壓強(qiáng)度、 疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度分別增加了34.01%、62.5%、34.54%；當(dāng)水泥摻比從4%增加到5%，基層抗壓強(qiáng)度、 疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度分別增加了8.68%、7.69%、8.81%。對比水泥摻比3%～4%和4%～5%，基層強(qiáng)度增強(qiáng)幅度較前者大幅度降低，因此在保證基層力學(xué)性能的前提下，應(yīng)選擇水泥摻比較小的施工方案，不僅可以提高經(jīng)濟(jì)效益，還可以減少路面出現(xiàn)脆性破壞[3]。因此，項(xiàng)目工程高速公路水泥-石灰-干渣半剛性基層水泥摻比選擇4%。

3.2.3 確定半剛性基層石灰摻量

本文試件采用石灰摻比為2%、3%、4%，并進(jìn)行7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)和抗彎拉試驗(yàn)，石灰摻比與強(qiáng)度關(guān)系如圖3 所示。

圖3 石灰摻比半剛性基層強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖3 所示，半剛性基層抗壓強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度隨石灰摻比增大呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)石灰摻比從2%增加到3%，基層抗壓強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度分別增加了29.93%、15.39%、44.44%； 當(dāng)石灰摻比從3%增加到4%，基層抗壓強(qiáng)度、 疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度分別減小了6.14%、8.89%、7.34%。因此，項(xiàng)目工程高速公路水泥-石灰-干渣半剛性基層石灰摻比選擇3%。

4 水泥- 石灰- 干渣半剛性基層路用性能

4.1 施工工藝

為檢測水泥-石灰-干渣半剛性基層路用性能，本文選取試驗(yàn)路段K155+000～K160+000，試驗(yàn)路段全程5 km，其中，半剛性基層級配類型選用骨架密實(shí)型級配設(shè)計，水泥-石灰-干渣半剛性基層材料干渣摻比為70%、水泥摻比為4%、石灰摻比為3%，對基層混合料進(jìn)行拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓處理，施工完成后對試驗(yàn)路段平整度和壓實(shí)度進(jìn)行檢測。

4.2 平整度檢測

項(xiàng)目工程水泥-石灰-干渣半剛性基層試驗(yàn)路段施工完成后，根據(jù)規(guī)范要求采用3 m 直尺測得路面平整度，本文在項(xiàng)目路段K156+330～K157+330 和K158+880～K159+880 分別選取2 處檢測點(diǎn)進(jìn)行檢測。由檢測結(jié)果可知，K156+330～K157+330 國際平整度IRI 平均值為0.63m/km；K158+880～K159+880 國際平整度IRI 平均值為0.44 m/km，依據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，國際平整度IRI 應(yīng)當(dāng)小于2 m/km，水泥-石灰-干渣半剛性基層路段IRI 值為0.63 m/km 和0.44 m/km，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2 m/km，滿足規(guī)范要求，說明水泥-石灰-干渣半剛性基層路段路面具有較好的行車舒適性能。

4.3 壓實(shí)度檢測

水泥-石灰-干渣半剛性基層試驗(yàn)路段施工完成后，根據(jù)規(guī)范要求采用核子密度儀法對水泥-石灰-干渣半剛性基層路段壓實(shí)度進(jìn)行檢測，本文在項(xiàng)目路段選取4 處檢測點(diǎn)，對檢測點(diǎn)A、B、C、D 壓實(shí)度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)路段壓實(shí)度檢測結(jié)果表

由表3 可知，K156+330 ～K157+330 壓實(shí)度平均值為96.5%，K158+880～K159+880 壓實(shí)度平均值為97.3%，說明水泥-石灰-干渣半剛性基層路段路面具有較好的壓實(shí)性能，滿足施工規(guī)范的壓實(shí)度要求。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目工程采用水泥-石灰-干渣半剛性基層路段，通過7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)和抗彎拉試驗(yàn)確定最佳水泥、石灰、干渣摻量，并結(jié)合實(shí)際水泥-石灰-干渣半剛性基層路段施工工藝，得到如下結(jié)論：

1）通過抗壓強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度確定最佳水泥、石灰、干渣摻量分別為4%、3%、70%；

2）水泥-石灰-干渣半剛性基層路段具有較好的行車舒適性能；

3）水泥-石灰-干渣半剛性基層路段的壓實(shí)度滿足規(guī)范的要求。