1、水泥粉煤灰稳定碎石基层材料路用性能研究摘要：从水泥粉煤灰稳定碎石基层材料的强度、干缩和温缩性能、抗冻及抗冲刷性能等一系列重要路用性能指标出发，将水泥粉煤灰稳定碎石与水泥稳定碎石进行比较，以期从整体上对这种混合料的相对性能特点进行把握，为以后的设计和施工提供技术指导。 关键词：粉煤灰；强度；干缩；温缩；抗冻性：冲刷性 中图分类号： TU522 文献标识码： A 0 引言 水泥粉煤灰稳定碎石基层是近年来发展起来的新型路面基层类型。水泥粉煤灰稳定碎石后期强度高，收缩系数较小，前提是经过了充分的水化反应。因此，半刚性基层经常出现的开裂问题就得到了很好的解决;与水稳碎石相比，用粉煤灰来替换水泥，不仅工程
2、的成本造价大幅减少，最主要的是路用性能中的抗裂性也变好了，所以后期裂缝相应的变少了，经济效益也很理想。 1 试验试件制备 （1）配合比： 1）水泥粉煤灰稳定碎石结合料与集料的比例采用 11.0：89.0，水泥与粉煤灰的比例采用 1.5：9.5，2.0：9.0，2.5：8.5 和 3.0：8.0，集料级配采用级配（）范围中值； 2）水泥稳定碎石，水泥与集料的比例采用 3：97，集料级配与水泥粉煤灰稳定碎石相同； （2）试件尺寸与龄期： 1）抗压强度、抗压模量、劈裂强度：尺寸15cm15cm 圆型试件，龄期水泥粉煤灰稳定碎石的龄期为 7d，28d，90d，180d；水泥稳定碎石和石粉煤灰稳定碎石的
3、龄期为 7d，28d，90d，180d。 2）干缩试件：尺寸10cm10cm40cm 梁式试件，龄期7d。 3）温缩试件：尺寸10cm10cm40cm 梁式试件，龄期90d。 4）冲刷试件：尺寸15cm15cm 圆型试件，龄期180d。 5）冻融试件：尺寸15cm15cm 圆型试件，龄期28d，180d。 （3）试件制备：首先，不同的混合料的最大干密度和最佳含水量要先确定，压实度达到 98%，处于最佳含水量条件下，用试模通过静压成型，最后在 202温度环境下湿气养生。 2 强度与刚度分析 2.1 强度指标 水泥粉煤灰稳定碎石和水泥稳定碎石两种混合料的强度指标试验结果如表 2.12.3 所示。
4、表 2.1 两种混合料强度试验结果（抗压强度） 表 2.2 两种混合料强度试验结果（劈裂强度） 表 2.3 两种混合料强度试验结果（抗压模量） 图 2.1 半刚性材料抗压强度指标随龄期的变化规律 图 2.2 半刚性材料劈裂强度指标随龄期的变化规律 图 2.3 半刚性材料抗压模量指标随龄期的变化 2.2 试验结果分析 （1）为了研究水泥粉煤灰稳定碎石的设计龄期，下面列出两种混合料的力学特性指标与龄期的关系，如表 2.42.5 所示。 表 2.4 水泥粉煤灰稳定碎石的力学特性指标与龄期的关系 表 2.5 水泥稳定碎石的力学特性指标与龄期的关系 通过表 2.4、2.5 可以看出，就 28d/180d
5、 力学特性指标而言，水泥稳定碎石均大于水泥粉煤灰稳定碎石。水泥稳定碎石力学强度指标前期增长幅度也大于水泥粉煤灰稳定碎石。同样就 90d/180d 值而言，水泥稳定碎石也大于水泥粉煤灰稳定碎石，故 90d180d 期间强度特性指标继续拓展的空间水泥粉煤灰稳定碎石大于水泥稳定碎石。因为水泥稳定碎石的力学特性指标 90d/180d 已经接近或超过 90%，所以到达 90d 龄期时，水泥稳定碎石的强度形成反应已经基本完成，所以它的设计参数采用 90d龄期。水泥粉煤灰稳定碎石的力学性能指标 120d/180d 已经接近或超过90，达到 120d 的龄期后，在水泥粉煤灰稳定碎石之间的物理化学反应已基本完成
6、，因此其采用 120d 龄期的设计参数，若不采用 120d 龄期，而采用 90d 龄期，到 180d 龄期期间各种力学性能均有较大的拓展空间，它可能是这样一种情况：水泥，粉煤灰比例不同的混合料 90d 龄期力学性能指标相近或相差甚少，但到 180d 龄期时却有明显的差距，所以 90d的力学性能指标不能对材料后期强度增长给出一个很好的预测;设计 180d龄期，对后期强度的预测是比较合理的，但同时也延长了测试试件的养生龄期。因此，劈裂强度和抗压模量的两个设计参数，水泥粉煤灰稳定碎石使用 120d 的龄期。 （2）由于 180d 龄期后两种混合料的强度拓展空间都很小，所以180d 龄期的力学特性指标
7、能够在一定程度上反应混合料作为基层材料的可行性。通过两种混合料 180d 龄期时的抗压强度和劈裂强度的比较可知，它们均比较接近，所以既然水泥稳定碎石能够用作半刚性基层，那么水泥粉煤灰稳定碎石也可以用作半刚性基层。 （3）水泥粉煤灰稳定碎石的 R180 最大，是因为它的水泥剂量虽然与水泥稳定碎石相同，但组成结构却为悬浮骨架密实结构，而水泥稳定碎石为骨架空隙结构。 3 收缩特性 3.1 试验结果 两种混合料干缩和温缩试验结果如表 3.13.3 所示。 表 3.1 水泥粉煤灰稳定碎石 7d 龄期干缩试验结果 表 3.2 两种混合料的干缩试验结果对比 表 3.3 两种混合料 180d 龄期的温度收缩试
8、验结果对比 3.2 试验结果分析 （1）水泥粉煤灰稳定碎石混合料 7d 龄期时的最大干缩应变与水泥:粉煤灰间比值的关系如图 3.1 所示: 3.1 最大干缩应变与水泥:粉煤灰比值关系示意图 由图 4.4 可知，当水泥与粉煤灰的比值增大时，7d 龄期最大干缩应变增大。实践表明，干燥收缩与混合料中细料的比表面积有很强的相关性，比表面积越大，引起干缩的毛细管张力作用、吸附水和分子间力作用等的作用范围越广，作用程度越高，干燥收缩越强。当水泥:粉煤灰比值增大时，虽然粉煤灰的减小降低了混合料的总比表面积，但由于水泥水化胶结物有很大的比表面积（例如 CSH 类凝胶的比表面积为200m2/g 左右） ，而 7
9、d 龄期的主要化学反应产物是水泥水化胶结物。随着水泥剂量的增加，混合料的总比表积逐渐增加，故以上所述的作用力的作用范围逐渐扩大，作用程度逐渐提高，表现为干燥收缩渐趋增强，7d龄期最大干缩应变逐渐增大。鉴于水泥剂量少和粉煤灰剂量大的混合料具有初期干缩性小，后期强度增大均匀持续的优点，因此在它满足 7d 龄期抗压强度设计标准的前提下，应做为配合比的首选。 （2）由两种混合料 7d 龄期时的最大干缩应变可知，水泥稳定碎石大于水泥粉煤灰稳定碎石。原因在于，首先水泥的水化速度比火山灰反应速度快，其次粉煤灰的存在对水泥早期水化有延缓作用，因此就 7d 龄期凝胶物含量而言，水泥稳定碎石凝胶物多于水泥粉煤灰稳
10、定碎石。而凝胶物越多，吸附水和层间水相对较多，由这些水分的蒸发作用引起的收缩也相对较大。另外，粉煤灰中未参加反应的玻璃微珠和富铁微珠填充了集料间的空隙，使结构整体更加密实，从而减少了水泥粉煤灰稳定碎石因毛细孔水蒸发而引起的收缩。 （3）在一般情况下，劈裂强度（抗弯拉强度）越大，模量相同时，抗拉伸应变也更大，混合料有更好的抗收缩性，最大收缩应变越大，抗收缩性越差，混合料的抗收缩性能可以用劈裂强度与最大干缩应变的比值来表示，值越大，混合料抗干缩越强，这个值越小，就越差。鉴于此，两个混合物 7d 年龄的劈裂强度/最大收缩应变计算结果如表 3.4。 表 3.4 两种混合料抗干缩性指标计算结果 表 3.
11、4 的计算结果显示，水泥粉煤灰稳定碎石的抗干缩性指标大于水泥稳定碎石，故水泥稳定碎石早期容易产生干缩破坏，水泥粉煤灰稳定碎石较之不容易产生干缩破坏。 4.两种混合料的温缩试验结果显示，水泥稳定碎石温缩系数大于水泥粉煤灰稳定碎石的温缩系数，可能源于两方面原因:（1）水泥粉煤灰稳定碎石的结合料剂量为 11%，为密实式结构，降温时材料颗粒间的可伸缩空间小，而水泥稳定碎石的结合料剂量只有 3%，故空隙率较大，降温时，材料有一定的伸缩空间；（2）水泥粉煤灰稳定碎石 180d 龄期时的强度指标大于水泥稳定碎石，故在降温时水泥粉煤灰稳定碎石材料颗粒间互相牵制和约束作用最强，微移动潜力最低;水泥稳定碎石恰好相
12、反。 5.两种混合料抗温缩开裂的大小，在一定程度上也可用劈裂强度与温度总收缩应变的比值来衡量。此值越大，混合料的抗温缩性越强，此值越小，混合料的抗温缩性越弱。鉴于此，计算两种混合料 90d 龄期时的劈裂强度/平均温缩系，如表 3.5。 表 3.5 两种混合料抗温缩性指标计算结果 由表 3.5 可知，水泥粉煤灰稳定碎石的抗温缩性优于水泥稳定碎石，故水泥稳定碎石晚期较容易产生低温收缩开裂，水泥粉煤灰稳定碎石不容易产生低温收缩开裂。 4 冲刷特性 4.1 试验结果 混合料 180d 龄期的冲刷试验结果见下表。 表 4.1 水泥粉煤灰稳定碎石冲刷试验结果（180d） 表 4.2 两种混合料的冲刷试验对
13、比结果 4.2 试验结果分析 （1）180d 龄期的平均冲刷量与水泥剂量的关系如下图： 图 4.1 平均冲刷量与水泥：粉煤灰比值的变化规律 从图 4.1 可看出，当水泥与粉煤灰的比值为 1.5:9.5 时，平均冲刷量急剧增加，比值2.5:8.5 时，平均冲刷量较小，且变化不大。原因分析:水泥的水化产物和水泥与粉煤灰的火山灰反应产物均为胶结物，它们有稳定和牵制混合料中细料成分不被动水压力冲掉的能力。当水泥与粉煤灰的比1.5:9.5 并向图 4.1 的左边移动时，180d 龄期时胶结物含量逐渐降低，未反应粉煤灰却在逐渐增加，部分细料含量因超越了胶结物的牵制和稳定作用而被冲掉，故平均冲刷急剧增加；当
14、比值5:10 并向图 4.1 的右边移动时，180d 龄期的胶结物含量逐渐增多，它们稳定和牵制细料的能力也相应增强，且远大于混合料中的细料含量，故平均冲刷量较小，且变化不大。 （2）在配合比较合适的情况下，从两种混合料的冲刷量试验结果可以看出，它们 180d 龄期时的抗冲刷能力基本接近。 5 抗冻融稳定性 半刚性材料在反复冻融循环的作用下，其强度会逐渐下降，因而产生薄弱面，更有可能在薄弱面发生开裂破坏。故对水泥粉煤灰稳定碎石混合料的冻融稳定性的研究是很有必要的，尤其是在贵州冬季多雨雪冰冻的山区。 5.1 冻融循环作用机理 （1）液体膨胀压力。 （2）渗透压力。 由以上两个原理可知，冻融循环试验
15、不仅可以用来评价材料的抗冻性，还可以用来评价空隙材料的耐久性。所以，选择抗冻性好的材料，可以有效的缓解基层的开裂破坏的发生。 5.2 试验结果与分析 低温箱的温度为-18，冻结时间为 16h，保证试件周围至少留有20mm 空隙，以利于冷空气流通。冻结试验结束后，取出试件，量高、称质量；然后立即放入 20的水槽中进行融化，融化时间为 8h。槽中水面至少高出试件表面 20mm，融化完毕，取出试件擦干后量高、称质量，该次冻融循环结束。然后放入低温箱进行第二次冻融循环。直到完成 5 次冻融循环后，测试其强度 RDC 与未经过冻融的饱水强度 RC 之比，即为抗冻性指标，记为 BDR。BDR=（RDC/RC）100%（5.1） 本文采用 BDR 值来评价水泥粉煤灰稳定碎石的抗冻性，值越大，抗冻性越好，反之，较差。 冻融抗压试验 冻融抗压试验结果见下表 5.1 表 5.1 两种混合料的冻融抗压试验对比结果 图 5.1 不同龄期两种混合料的抗压抗冻指标对比
