石灰粉煤灰稳定碎石基层材料合理组成研究
2013-09-04王志刚林树友
□文/赵 鑫 王志刚 林树友
石灰粉煤灰稳定碎石基层材料合理组成研究
□文/赵 鑫 王志刚 林树友
石灰粉煤灰稳定碎石是公路路面结构中最为常用的半刚性基层材料，但对其配比设计多参照规范设计中值进行，难以发挥该材料优良特性。文章针对石灰粉煤灰稳定碎石的路用性质进行了专项研究并综合考虑层位功能及其路用性能进行了配合比设计优化。
二灰碎石；合理组成；基层
石灰粉煤灰（以下简称“二灰”）稳定碎石是在公路路面结构中最为常用的半刚性基层材料，但对其配比设计多参照规范设计中值进行，难以发挥该材料优良特性。针对二灰稳定碎石的路用性质进行专项研究。
1 原材料性能试验
1.1 石灰
石灰是粉煤灰水化反应的激发剂，应对其有效氧化钙、氧化镁含量提出最低要求。对石灰粉煤灰稳定碎石所用石灰进行技术指标检验，结果见表1。
表1 石灰技术指标检验
1.2 粉煤灰
为确保二灰碎石混合料质量，应对粉煤灰活性成分Si02+Al203+Fe2O3的含量、烧失量和比表面积进行检测，结果见表2。
表2 粉煤灰技术指标检验
1.3 集料
1）集料筛分。试验所用集料为石灰岩，结果见表3。
表3 原材料筛分试验
2）针片状颗粒含量及压碎值。试验结果见表4。
表4粗集料压碎值试验 %
集料类型 标准要求 实测结果压碎值 30 15.2
2 配合比设计
2.1 设计思路
二灰稳定碎石混合料可以看成是由粗集料、细集料和二灰3部分组成。将细集料加入二灰中，类似于水泥混凝土中的砂与水泥的混合故称为二灰砂浆。作为分散相，颗粒粒径＜4.75 mm的细集料分散在二灰基体中，形成颗粒增强材料，因此细集料的加入可以明显改善二灰混合料的力学性能。
用砂浆代替纯二灰填充粗集料颗粒间空隙，可以改善二灰稳定碎石半刚性基层的道路用性能，特别是可进一步降低二灰稳定碎石混合料的收缩；在二灰稳定碎石混合料的组成中，除了使二灰碎石混合料中的粗集料紧密排列，形成良好的骨架结构之外，密实二灰砂浆应填满骨架空隙并将骨架粘结成为整体，这样的结构是二灰稳定碎石半性基层发挥优良路用性能的必要条件，也是进行配合比设计指导思想。
将二灰稳定碎石分成2个组成结构层次。第1层次由石灰、粉煤灰、水和细集料组成的二灰砂浆，它是二灰稳定碎石中的主要粘结成分，必须具有足够的强度和粘结力，起填充、粘结作用。第2层次粗集料颗粒紧密排列形成良好的骨架结构，砂浆填充骨架的空隙并将骨架粘结成一个稳定的整体，既充分发挥了粗集料的骨架作用，又利用了砂浆的粘结力。
2.2 比例的确定
石灰、粉煤灰相互混合后，发生火山灰反应，生成混合料强度的结晶凝胶物质。若粉煤灰比例过高，多余的粉煤灰不能参加化学反应，这样混合料初期乃至后期强度不会太高；反之，若石灰过剩，多余的石灰会自行结晶，结晶后的石灰与粉煤灰未反应，而石灰与二氧化碳生成的碳酸钙对二灰强度的贡献远没有火山灰反应物的贡献大，因此石灰含量过高也会引起二灰混合料强度的下降。另一方面，二灰与集料配合比一定的情况下，二灰中石灰含量越高，其干缩系数越大，越容易产生干缩裂缝。因此，在石灰与粉煤灰之间存在一个最佳的配比，在这个配比下二灰混合料的性能最优。
在进行二灰配比设计时，石灰与粉煤灰的比例控制在1∶2～1∶3，目的是缩小范围。按石灰∶粉煤灰为6∶14、6∶12、8∶12、8∶17，根据重型标准击实确定最佳含水量及最大干密度并成型标准试件，测定7 d无侧限抗压强度，结合使用要求与经济性选取配合比。
2.3 粗集料级配确定
由二灰稳定碎石基层的力学性能、水稳定性能、耐久性能和抗收缩性能的要求出发，应该具有这样的理想结构：在经压实后的二灰碎石混合料中，表面包裹一薄层颗粒粒径＞4.75 mm的粗集料，形成良好的骨架结构，密实的二灰砂浆填满骨架空隙并将骨架粘结成为整体。
为进一步研究集料级配范围对二灰稳定碎石混合料强度的影响，结合二灰稳定碎石路用性能需求，综合考虑施工变异性及养生情况，确定了骨架密实型、悬浮密实型2种级配。
对级配进行优化见图1和图2。参考规范中推荐的规范上下限，骨架密实型集料级配各规格粒料比例为：9.5～31.5 mm 碎石：9.5～19 mm 碎石：4.75～9.5 mm 碎石：石屑=58∶19∶11∶12。悬浮密实型集料级配各规格粒料比例为 9.5～31.5 mm碎石：9.5～19 mm碎石：4.75～9.5 mm 碎石：石屑 =14∶37∶16∶33。
图1 骨架密实型集料级配
3 合理组成研究
悬浮密实级配和骨架密实级配采用同一种二灰(石灰与粉煤灰质量比不同)成型同一尺寸的试件，为φ150 mm×150 mm的圆柱体试件。分别掺入不同剂量的集料。制备不同配合比、不同集料级配的混合料，确定最佳含水量和最大干密度，用于选定混合料的配合比。
选用石灰∶粉煤灰∶碎石=6∶14∶80、8∶12∶80、8∶17∶75、5∶10∶85配合比分别进行对比试验。
3.1 级配与成型方式对最大干密度的影响
采用重型击实和振动压实方法确定材料的最大干密度。表5和表6分别是悬浮密实型和骨架密实型二灰稳定碎石最大干密度与最佳含水量试验结果。
表5 悬浮密实型二灰稳定碎石最大干密度与最佳含水量
表6 骨架密实型二灰稳定碎石最大干密度与最佳含水量
1）成型方式对最大干密度的影响。由表5和表6可以看出，各种配合比的二灰稳定碎石振动压实试件的最大干密度均大于重型击实试件的最大干密度，说明振动压实成型的试件更加密实。
悬浮密实型二灰稳定碎石混合料，振动压实法与重型击实法确定的最大干密度平均比值为1.028；骨架密实型二灰稳定碎石混合料，振动压实法与重型击实法确定的最大干密度平均比值为1.04。说明振动压实法对于提高二灰稳定碎石混合料的最大干密度有着直接影响。采用振动成型法得到的干密度能更好地提高水稳混合料的密实性，从而提高基层的整体性。
2）级配对最大干密度的影响。由表5和表6可以看出，无论重型击实法还是振动压实法，各种配合比的骨架密实性级配的试件的最大干密度均大于悬浮密实性试件的最大干密度，说明骨架密实性试件较为密实。
3.2 抗压强度试验
二灰稳定碎石基层必须能够承受交通荷载和自然因素的反复作用，在设计的使用年限内，基层不会产生过大的残余变形，更不会产生剪切破坏或弯拉疲劳破坏。所以基层要满足这几个条件，除了有一定的厚度要求外，还主要取决于基层材料本身的性能及结构组成，即要求基层具有足够的强度和刚度。
3.2.1 试验方法
二灰稳定碎石基层材料最常用的强度指标是7 d无侧限抗压强度，见表7。
表7 二灰混合料的抗压强度标准 MPa
按最佳含水量和计算得的干密度制备试件，进行强度试验。以击实试验确定的最佳含水量和最大干密度，制备圆柱体试件，测定二灰稳定碎石混合料的7 d无侧限抗压强度。
对于150 mm的试件，无侧限抗压强度计算公式为
3.2.2 试验结果
实测结果验证，二灰稳定碎石混合料强度标准差较小，各试件之间强度相差不大且各种配合的二灰稳定碎石早期抗压强度远远大于规范要求。
3.2.3 影响分析
1）龄期对抗压强度的影响，见图3。
由图3可以看出，二灰稳定碎石抗压强度均随龄期增长，早期强度增幅较小，然后逐渐增大，之后又开始变缓，呈现慢、快、慢的变化规律。各种级配的抗压强度从 14 d∶7 d、28 d∶14 d、35 d∶24 d 的抗压强度比值的平均值分别为1.11、1.58、1.17，同时说明二灰稳定碎石早期养生对抗压强度形成有重要的作用。
由图4可以看出，二灰稳定碎石中石灰与粉煤灰的含量对混合料的早期强度有着一定影响，对后期强度影响不大。例如配合比为8∶17∶75与6∶14∶80之间7 d的强度比为1.17，而35 d的强度则相差不大。
4 结论
1）成型方法对最大干密度的影响。对于同样的配合比，用重型击实法确定最大干密度时，悬浮密实型与骨架密实型二灰稳定碎石混合料的最大干密度的比值平均为1.01，而用振动压实法确定最大干密度时，悬浮密实型与骨架密实型二灰稳定碎石混合料的最大干密度的比值平均为1.02，说明骨架密实型级配的混合料要密实且粗集料适当增加的骨架密实型二灰稳定碎石混合料更适合于振动成型，在振动成型方式下此混合料能获得更大的密实度。
2）骨架密实型二灰碎石混合料早期强度高。试验实测结果验证，各种配合比的二灰稳定碎石早期抗压强度远远大于规范要求。骨架密实型混合料具有如下特点：细集料少，粗集料形成紧密骨架结构；结合料含量根据空隙率大小计算确定，排除了随意性，确保胶结料既达到最大密实，又不对集料产生撑持作用而破坏骨架结构，从而使骨架密实结构二灰碎石混合料具有强度高的优点。
3）龄期对抗压强度的影响。龄期对二灰稳定碎石抗压强度的影响很大。二灰稳定碎石抗压强度均随龄期增长，早期强度增幅较小，然后逐渐增大，之后又开始变缓，呈现慢、快、慢的变化规律。二灰稳定碎石早期养生对抗压强度形成有重要的作用。
4）配合比对不同龄期二灰稳定碎石强度的影响。二灰稳定碎石中石灰与粉煤灰的含量对混合料的早期强度有着一定影响，对后期强度影响不大。
［1］JTJ 034-2000，公路路面基层施工技术规范［S］.
［2］JTGE 51-2009，公路工程无机结合料稳定材料试验规程［S］.
［3］JTG D50-2006，公路沥青路面设计规范［S］.
［4］DB 22/T 470-2009，石灰粉煤灰稳定材料路面基层底基层技术规范［S］.
□王志刚、林树友/天津市国泰工程咨询监理有限公司。
U414
C
1008-3197（2013）05-75-04
10.3969/j.issn.1008-3197.2013.05.029
2013-04-08
赵 鑫/男，1986年出生，助理工程师，天津市国泰工程咨询监理有限公司，从事公路工程材料试验检测工作。
