水泥粉煤灰稳定碎石组成对其路用性能的影响

张可强

水泥粉煤灰稳定碎石是一种新型路面基层材料，其兼具水泥稳定类和二灰稳定类基层材料的优点。水泥粉煤灰稳定碎石混合料的早期强度高于二灰稳定类材料的而低于水泥稳定类材料的，其后期强度低于二灰稳定类材料的而高于水泥稳定类材料的，适应于重型交通［1－3］。水泥粉煤灰稳定碎石的强度形成机理主要为集料骨架间的嵌挤和摩擦作用及结合料的胶结作用。粉煤灰的掺入能够较好地填充材料的空隙，使材料更加密实。但粉煤灰掺量过高，则会对集料骨架产生干涉作用，将骨架撑开。另外，粉煤灰具有较强的潜在火山灰活性，结合料的胶结作用与粉煤灰的掺量和养生龄期也有着密切的关系。

一些学者对水泥粉煤灰稳定碎石基层的路用性能进行过相关的研究，但他们的观点不一致。公路沥青路面设计规范［4］中推荐水泥粉煤灰与集料的质量比宜为（13～17）∶（87～83）；杨锡武［5］等人采用11%的粉煤灰，使材料的早期强度提高了150%；萧赓［6］等人的研究表明，当粉煤灰的掺量小于5%时，材料的早期强度和模量均有所增加，随着粉煤灰继续掺入，则材料的早期强度和模量会降低，但材料的后期强度会增加；张嘎吱［7－8］等人根据研究结果，提出水泥和粉煤灰的最佳比例为1∶1～1∶2，且其研究成果都是建立在重型击实法确定的最佳含水率、最大干密度及静压成型的试件各种力学性能基础上得到的。而目前的现场混合料采用振动压实，室内试验与现场施工不匹配。这些问题致使该材料设计无据可依，推广难度增大。

作者以连霍高速公路西（安）－宝（鸡）段改扩建工程为依托，以振动成型试验为手段，拟研究粉煤灰掺量和养生龄期对水泥粉煤灰稳定碎石各项路用性能的影响。

1 原材料与试验方法

碎石采用石灰岩，水泥采用复合硅酸盐水泥P.C32.5，3d抗折强度为3.6MPa，3d抗压强度为16.8MPa，28d抗折强度为7.1MPa，28d抗压强度为40.1MPa，细度4.6%，初凝时间190min，终凝时间420min，其各项技术指标满足《公路沥青路面设计规范》（JTG D50－2006）和《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034－2000）［9］要求；粉煤灰取自渭河火电厂，技术指标见表1。根据试验研究成果，本项目固定水泥掺量为3.3%。

表1 粉煤灰技术指标Table 1 Technical index of fly－ash

粉煤灰含水率宜控制在15%～20%，以防扬尘。对于湿粉煤灰，其含水率≤35%。因为含水率过大时，粉煤灰易凝聚成团，造成拌和困难。

2 级配设计

2.1 试验方法

众所周知，最佳级配是特定成型方式下的产物，它能模拟现场压实方式进行试件成型，得到的最佳级配，具有实用价值。而振动击实法是通过表面振动实验仪器在一定的振动频率、振幅、激振力及振动时间下进行的，最大限度地模拟了现场碾压工艺，使室内混合料的物理结构及力学性能能较好地反映现场工况。

采用振动击实法，进行水泥粉煤灰稳定碎石试件的成型。在试模内，半刚性基层材料会发生接近自身固有频率的振动，颗粒间的摩擦力减小，小的颗粒填充到大颗粒材料的空隙中，材料在试模内逐渐被压实。赵可［10］确定了水泥稳定碎石混合料振动成型参数，它们是：振动频率30Hz，偏心块夹角300，激振力7 612N，静面压力140kPa，振幅1.4mm，振动总时间2min。其研究表明：振动成型的试件骨架性越强，密度就越大，无侧限抗压强度也越大，而变异系数越低，吸水率只有标准击实的1／10，且表现出更优的抗干缩性能。

2.2 集料配比确定

为了分析单纯粉煤灰掺量对水泥粉煤灰碎石基层强度特性的影响，固定碎石级配不变，改变粉煤灰与碎石之间的比例，采用规范推荐的骨架密实结构，碎石级配及建议范围见表2。

表2 碎石级配及建议范围Table 2 Gradation of the crushed stone and the recommended range

3 粉煤灰掺量对强度的影响

水泥粉煤灰稳定碎石混合料强度主要由骨料间嵌挤作用、水泥水化产物及水泥与骨料和粉煤灰间粘结强度所组成的。粉煤灰分别按0%，4%，6%，10%，15%和20%等6种掺量与碎石进行配合，采用振动击实法，进行最大干密度和最佳含水率试验。不同粉煤灰掺量的试验参数和结果见表3。

进行不同龄期（7，28，90和180d）的无侧限抗压强度和劈裂强度试验，材料的无侧限抗压强度和劈裂强度与粉煤灰掺量的关系分别如图1，2所示。

表3 不同粉煤灰掺量的试验参数和结果Table 3 Test parameters and results of different contents of fly－ash

图1 无侧限抗压强度与粉煤灰掺量的关系Fig.1 The change of the unconfined compressive strength with the fly－ash content

图2 劈裂强度与粉煤灰掺量的关系Fig.2 The change of the splitting tensile strength with the fly－ash content

从图1，2中可以看出，试验龄期内，无侧限抗压强度和劈裂强度随着粉煤灰掺量的增加呈先增后减的趋势，强度增加的原因是：①粉煤灰掺量不大时，它起到填充作用（质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），使混合料更加密实；②与水泥水化产物Ca（OH）2和石料周围的Ca（OH）2发生结晶反应，生成了具有凝胶性质的产物，增加了颗粒间的粘结力；③对水泥颗粒起到物理分散作用，水化缓慢的粉煤灰可以提供水分，使水泥水化更充分。但粉煤灰掺量增加到一定数量后，粉煤灰便会起到干涉作用，使集料间嵌挤和摩擦作用减弱，混合料强度降低。对比粉煤灰掺量对无侧限抗压强度和劈裂强度的影响，粉煤灰与水泥水化产物Ca（OH）2和石料周围的Ca（OH）2发生结晶反应，生成了具有凝胶性质的产物，对材料的抗劈裂和抗拉性能有更大的贡献［11］。从室内试验强度特性来看，粉煤灰掺量在4%～15%之间是合适的。

4 粉煤灰掺量对干缩特性的影响

水泥与各种粗（细）集料和粉煤灰进行拌合、碾压后，由于蒸发和混合料内部水化作用，混合料内部水分不断减小，会发生毛细管作用、吸附作用、分子间作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用和碳化作用等，而引起水泥粉煤灰稳定碎石混合料产生体积收缩。表征混合料抗干缩能力的指标有混合料的干缩应变和干缩系数。如果干缩应变过大，则在水分散发的过程中混合料将产生过大的干缩，在沥青面层、底基层及基层板体本身的联合约束下，基层本身将不能自由收缩，从而形成混合料内部拉应力。该拉应力一旦超过混合料所能承受的拉应力，便会产生微裂缝。

笔者采用千分表来测量水泥粉煤灰稳定碎石混合料试件的干缩能力。按最佳含水率和最大干密度采用振动击实法制作试件，养生7d，取出。于室温下风干12h，以排除对干缩并不产生作用的表面水。取失水前、后千分表的读数差及试件的质量差来计算干缩应变和失水量，直到测试时间达到600h以上。不同粉煤灰掺量干缩系数与失水率的关系如图3所示。

从图3中可以看出，随着水分的散失，水泥粉煤灰稳定碎石混合料的干缩应变逐渐增大。随着粉煤灰掺量的增加，混合料的干缩系数逐渐减小。当粉煤灰掺量增加到一定程度时（15%），其干缩系数开始增大。当粉煤灰掺量增加到20%时，其干缩系数急剧增长，为掺加4%～15%时的2倍。其原因是：随着粉煤灰掺量的增加，它吸收了部分水泥的水化热，减少了收缩和温宿，其干缩系数减小；但粉煤灰掺量增加到一定数量后，粉煤灰更多的是起到粉性集料作用。而细集料（特别是0.075mm以下粉性集料）的增加会降低半刚性基层的抗裂能力，使干缩系数增大。从室内试验干缩特性来看，粉煤灰掺量在4%～10%之间是合适的。

图3 不同粉煤灰掺量干缩系数与失水率的关系Fig.3 The change of the shrinkage coefficient and the filtration rate with the fly－ash content

5 实体工程验证

连霍高速（G30）西安至宝鸡段改扩建工程130km基层全部使用水泥粉煤灰稳定碎石材料，粉煤灰用量选定为6%（内掺），根据最大干密度和最佳含水率来确定水泥掺量。不同水泥掺量下混合料试验的结果分别见表4，5。从工程经济和现场施工条件考虑，确定水泥粉煤灰稳定碎石基层水泥掺量为3.3%。

表4 不同水泥掺量混合料击实试验的结果Table 4 Test results of different amount of cement

铺筑完成养护7d后，进行钻芯试验，均可取出表面光滑的完整芯样。将芯样切割成φ150mm×150mm的试样，进行无侧限抗压强度试验。路面三标基层芯样强度平均值为7.8MPa，实验室振动击实成型强度为7.5MPa。这表明振动击实方式与现场振动碾压方式的压实功相接近。

表5 7d无侧限抗压强度试验的结果Table 5 Test results of unconfined compressive strength for 7days

对实体工程进行跟踪观测，观测结果见表6。从表6中可以看出，基于振动成型法的水泥粉煤灰稳定碎石抗裂性能优良，具有较好的路用性能。

表6 横向裂缝间距Table 6 Transverse cracks of the pitch

6 结论

1）室内试件和现场芯样无侧限抗压强度试验结果表明：振动击实仪击实与振动压路机碾压工况相匹配。

2）粉煤灰掺量对水泥粉煤灰稳定碎石（振动击实法成型的试件）早期强度影响不明显，水泥粉煤灰稳定碎石的无侧限抗压强度和劈裂强度随着粉煤灰掺量的增加呈先增后减的趋势。

3）随着水分的散失，水泥粉煤灰稳定碎石混合料的干缩应变逐渐增大，其干缩系数随着粉煤灰掺量的增加呈先增后减的趋势。

4）综合强度试验和干缩试验结果，推荐粉煤灰的掺量为4%～10%。通过实体工程试验并跟踪观测，粉煤灰掺量为6%的水泥粉煤灰稳定碎石基层抗裂性能优良，证明本研究结论可行，可以推广应用。

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［1］ 杨红辉，郝培文，戴经梁.掺膨胀剂水泥稳定碎石路用性能［J］.交通运输工程学报，2006，6（1）：48－51.（YANG Hong－hui，HAO Pei－wen，DAI Jing－liang.Road performance of cement－stabilized aggregate mixture with expansion agents［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2006，6（1）：48－51.（in Chinese））

［2］ 蒋应军.骨架密实型水泥粉煤灰碎石组成设计与路用性能［J］.长安大学学报：自然科学版，2008，5（1）：1－4.（JIANG Ying－jun.Road performance and composition design of cement－ash stabilized aggregate of dense framework structure［J］.Journal of Chang’an University：Natural Science Edition，2008，5（1）：1－4.（in Chinese））

［3］ 沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面［M］.北京：人民交通出版社，1999.（SHA Qing－lin.Asphalt pavement on semi－rigid roadbase for high－class highways［M］.Beijing：China Communications Press，1999.（in Chinese））

［4］ 中华人民共和国交通部.JTG D50－2006，公路沥青路面设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2007.（Ministry of Transport of the People’s Republic of China.JTG D50－2006，Specification for design of highway asphalt pavement［S］.Beijing：China Communications Press，2007.（in Chinese））

［5］ 杨锡武，梁富权.水泥粉煤灰稳定混合料修筑高等级、道路路面基层的试验研究［J］.中国公路学报，1994，7（S1）：80－86.（YANG Xi－wu，LIANG Fuquan.Experimental investigation of cement fly－ash stabilized mixture in base course construction［J］.China Journal of Highway and Transport，1994，7（S1）：80－86.（in Chinese））

［6］ 萧赓，梁乃兴，杨超杰，等.水泥粉煤灰级配碎石基层混合料的路用性能研究［J］.重庆交通学院学报，2001，20 （S1）：61－64.（XIAO Geng，LIANG Naixing，YANG Chao－jie，et al.A study on cement flyash bound properties for roadbase［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2001，20（S1）：61－64.（in Chinese））

［7］ 张嘎吱，沙爱民.水泥粉煤灰稳定碎石的龄期与强度［J］.公路交通科技，2005，22（6）：27－29.（ZHANG Ga－zi，SHA Ai－min.Study on the design parameter of cement and flyash－stabilized crushed－stones［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2005，22（6）：27－29.（in Chinese））

［8］ 刘惠，杨建军.水泥、粉煤灰含量以及集料级配对水泥粉煤灰稳定碎石强度的影响［S］.公路交通科技，2007，24（6）：24－28.（LIU Hui，YANG Jian－jun.Influences of cement and fly ash content and aggregat grading on strength of cement and fly ash stabilizing gravel［J］.Technology of Highway and Transport，2007，24（6）：24－28.（in Chinese））

［9］ 中华人民共和国交通部.JTJ 034－2000，公路路面基层施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2000.（Ministry of Transport of the People’s Republic of China.JTJ 034－2000，Technical specifications for construction of highway roadbase［S］.Beijing：China Communications Press，2000.（in Chinese））

［10］ 赵可.城市快速路高性能沥青路面研究［R］.天津：天津市市政工程研究院，2007.（ZHAO Ke.Research on super performance pavement in the urban freeway［R］.Tianjin：Tianjin Municipal Engineering Research Institute，2007.（in Chinese））

［11］ 袁润章.胶凝材料学［M］.武汉：武汉理工大学出版社，1998.（YUAN Run－zhang.Cementitious Materials［M］.Wuhan：Wuhan University of Technology Press，1998.（in Chinese））