断级配综合稳定碎石的路用性能

李天宇，王朝辉，李彦伟，2

(1.长安大学公路学院，陕西西安 710064;2.石家庄市交通运输局，河北石家庄 050051)

断级配综合稳定碎石的路用性能

李天宇1，王朝辉1，李彦伟1，2

(1.长安大学公路学院，陕西西安 710064;2.石家庄市交通运输局，河北石家庄 050051)

为改善水泥稳定碎石基层的路用性能，采用间断级配并添加粉煤灰材料制备一种适用于路面基层的断级配综合稳定碎石，通过室内试验测试断级配综合稳定碎石的无侧限抗压强度、弯拉强度、温缩系数与干缩系数等性能指标，并与连续级配水泥稳定碎石相对比，确定断级配综合稳定碎石的路用性能。结果表明:断级配综合稳定碎石具有优良的力学性能与抗收缩开裂性能，与连续级配水泥稳定碎石相比，其90 d无侧限抗压强度与弯拉强度分别提高了38．1%与26．5%，平均温缩系数与总干缩系数分别减小了31．7%与25．4%。

水泥稳定碎石;间断级配;粉煤灰;路用性能

1 原材料

断级配综合稳定碎石所用原材料主要包括集料、水泥、粉煤灰和水。本试验所用水泥为42．5#普通硅酸盐水泥;碎石集料由河北产石灰岩轧制而成，经检测满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)中对粗集料的技术要求;粉煤灰购自西安某火力发电厂;水为标准饮用水。水泥与粉煤灰的技术指标测试结果见表1、2。

2 混合料组成设计

2．1 碎石集料级配组成

为测试并评价断级配综合稳定碎石的路用性能，根据相关规范要求与现有的级配理论研究成果，同时借鉴SMA沥青混凝土的设计思想［13-15］，设计了具有骨架密实结构的间断级配以及与之对比的具有悬浮密实结构的连续级配。以上2种不同级配的配比组成见表3。

表1 水泥技术指标

表2 粉煤灰技术指标

2．2 原材料配比

根据规范JTG/T F20—2015推荐的水泥粉煤灰稳定碎石与水泥稳定碎石配比，确定断级配综合稳定碎石的组成材料质量比，即泥、粉煤灰、集料的比例为4∶12∶84，连续级配水泥稳定碎石中水泥与集料的质量比为4∶96。

表3 集料级配组成

为确定2种不同基层材料的用水量，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)，采用含水量-干密度试验分别确定断级配综合稳定碎石与连续级配水泥稳定碎石的最佳含水量与最大干密度［16-17］。试件成型方法为振动压实法，振动频率30 Hz，振动时间100 s。试验结果见表4。

表4 原材料配比组成

3 断级配综合稳定碎石路用性能研究

3．1 无侧限抗压强度

考虑到振动压实法更有利于骨料颗粒相互靠拢形成嵌挤结构，本文采用振动压实法成型Φ150 mm×150 mm圆柱形试件，借助TYE-2000B型压力试验机测试试件在7、28、90 d龄期时的无侧限抗压强度，断级配综合稳定碎石与连续级配水泥稳定碎石的无侧限抗压强度随龄期增长的变化曲线如图1所示。

图1 不同基层材料无侧限抗压强度随龄期增长变化曲线

由图1可知，断级配综合稳定碎石的7 d抗压强度略低于连续级配水泥稳定碎石，但差异并不明显。随着试件龄期的增长，断级配综合稳定碎石的抗压强度逐渐超过连续级配水泥稳定碎石，断级配综合稳定碎石90 d的抗压强度已达15．6 MPa，高出连续级配38.1%;且根据曲线走势可以判断，连续级配水泥稳定碎石的抗压强度从28 d之后便趋于平缓，而断级配综合稳定碎石的抗压强度在90 d时仍有继续发育增长的潜力。

根据水泥硬化机理和级配理论，分析引起2种不同配比基层材料强度差异的主要原因为:粉煤灰的掺入会抑制水泥的早期水化，减弱试件硬化初期胶结材料对集料的黏结作用，但同时配比合理的间断级配粗骨料可形成嵌挤结构，在一定程度上提高材料抗压能力，故断级配综合稳定碎石的早期强度与连续级配水泥稳定碎石无显著差异;然而，随着试件龄期的增长，水泥水化产物Ca(OH)2与粉煤灰不断发生火山灰反应，生成胶凝产物的同时进一步激化了水泥的水化，故断级配综合稳定碎石的抗压强度在后期仍能持续发育增长［18-20］。

3．2 弯拉强度

采用静压法成型100 mm×100 mm×400 mm梁形试件，使用数显式压力试验机以三分点加压的方式测定试件在90 d龄期时的弯拉强度，加载速率为50 mm·min－1。试验结果如表5所示。

表5 不同基层材料90 d弯拉强度试验结果

由表5可知，断级配综合稳定碎石的90 d弯拉强度相比连续级配水泥稳定碎石提高了26．5%，这是由于断级配综合稳定碎石的粗骨料间嵌挤作用显著，结构稳定性好，且粉煤灰的加入在后期可激发水泥的二次水化，增强对集料的黏结作用。

3．3 温缩性能

采用静压法成型100 mm×100 mm×400 mm梁形试件，使用温缩试验仪测定试件在干燥情况下的温缩系数。试验前将标准养生28 d的梁形试件在105℃的工业鼓风干燥箱中烘干12 h，然后放置至室温，试验温度变化范围为50℃至0℃。2种不同基层材料的温缩系数随温度的变化情况如图2所示。

图2 不同基层材料28 d温缩系数随温度的变化

分析图2可知，随着温度的不断降低，2种不同基层材料的温缩系数呈上升趋势，其中连续级配水泥稳定碎石的平均温缩系数为10.4×10－6℃－1，断级配综合稳定碎石为7.1×10－6℃－1，相比连续级配水泥稳定碎石减小了31．7%。此外，在不同降温区间，断级配综合稳定碎石的温缩系数均小于连续级配水泥稳定碎石，二者的差值始终保持在3.3×10－6℃－1左右。

影响稳定碎石基层温缩系数的主要因素包括材料组成与结构强度2个方面。断级配综合稳定碎石的结构密实性好、空隙率小，且28 d龄期时，断级配综合稳定碎石的强度优于连续级配水泥稳定碎石，降温时组成材料颗粒之间的牵制与约束作用更强，故断级配综合稳定碎石的抗温缩性能更好［21-22］。

3．4 干缩性能

采用静压法成型100 mm×100 mm×400 mm梁形试件，借助干缩架与千分表测定试件的干缩应变，同时进行平行失水率试验。试验前试件养生6 d，饱水1 d，试验时长28 d。试验结果如表6所示。

表6 不同基层材料干燥收缩试验结果

分析表6可知，断级配综合稳定碎石试验期间的总干缩应变相比连续级配水泥稳定碎石减小了25．4%，总干缩系数降低了34．8%，其抗干缩性能优于连续级配水泥稳定碎石。这主要是由于:粉煤灰的掺加在一定程度上抑制了水泥颗粒的早期水化，降低了C-S-H的钙硅比和集料界面区域Ca(OH)2的生成量，从而减小了因水泥水化引起的混合料收缩;另一方面，断级配综合稳定碎石具有骨架密实结构，且未参与反应的粉煤灰玻璃微珠进一步提高了其整体密实性，混合料的孔隙结构相对较少，因此降低了因混合料中毛细水蒸发而带来的收缩。

4 结 语

(1)断级配综合稳定碎石的后期强度优于连续级配水泥稳定碎石。龄期为90 d时，断级配综合稳定碎石的抗压强度为15．6 MPa，弯拉强度为1.86 MPa，相比连续级配水泥稳定碎石分别提高了38.1%与26．5%。

(2)断级配综合稳定碎石的温缩性能良好，其28 d 平均温缩系数为7．1×10－6℃－1，且在不同降温区间，断级配综合稳定碎石的温缩系数均小于连续级配水泥稳定碎石，二者相差约3.3×10－6℃－1。

(3)断级配综合稳定碎石具有优良的抵抗干缩开裂的能力。在失水率相近的情况下，断级配综合稳定碎石的总干缩应变相比连续级配水泥稳定碎石减小了25．4%，总干缩系数降低了34．8%。

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Pavement Performance of Gap-graded Composite-stabilized Aggregate Base

LI Tian-yu1，WANG Chao-hui1，LI Yan-wei1，2
(1．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China;2．Transportation Bureau of Shijiazhuang City，Shijiazhuang 050051，Hebei，China)

In order to improve the pavement performance of the cement-treated base，gap grading and composite stabilization of cement and fly ash were applied．The unconfined compressive strength，flexural strength，coefficient of temperature shrinkage and coefficient of dry shrinkage of the aggregate base were measured by indoor tests．Compared with continuously-graded cement-treated base， the pavement performance of the gap-graded composite-stabilized aggregate base was determined．The results show that the gap-graded composite-stabilized aggregate base has excellent mechanical properties and shrinkage resistance;compared with continuously-graded cement-treated base，the 90 d unconfined compressive strength and flexural strength increase by 38．1%and 26．5%respectively，and the average coefficient of temperature shrinkage and total coefficient of dry shrinkage decrease by 31．7%and 25．4%．

cement-treated base;gap grading;fly ash;pavement performance

U416．1

B

1000-033X(2017)09-0051-04

0 引 言

水泥稳定碎石因具有良好的力学性能、水稳定性能与抗冻性能而被广泛应用于路面基层结构，但它同时存在早期强度不足、易开裂等问题，导致不同程度的路面病害［1-4］。粉煤灰是煤粉经高温煅烧后生成的固体工业废料，具有较高的火山灰活性。在水泥稳定碎石中掺入粉煤灰，可与水泥相互作用生成大量胶凝性物质，提高水泥稳定碎石强度并改善其综合路用性能［5-8］。此外，大量研究指出，骨料级配对水泥稳定碎石的路用性能有着重要影响，使用具有骨架密实结构的间断级配，有利于提高水泥稳定碎石的早期强度与抗裂性能［9-12］。由此可见，掺加粉煤灰与使用配比合理的间断级配均有利于改善水泥稳定碎石的路用性能，若将二者的作用结合起来，有望进一步提高水泥稳定碎石的综合路用性能。然而，目前关于采用间断级配设计的水泥粉煤灰综合稳定碎石的研究较少，用于分析其路用性能变化规律的可参考数据有限，这在一定程度上阻碍了此类材料在路面基层中的推广应用。

为此，本文制备一种适用于路面基层的断级配综合稳定碎石，并对其进行强度性能与收缩性能室内试验，通过与连续级配水泥稳定碎石相对比，确定断级配综合稳定碎石的综合路用性能，为此类材料的深入研究与推广应用提供参考。

2017-02-12

王朝辉(1980-)，男，河南滑县人，教授，博士，研究方向为道路工程。

［责任编辑:王玉玲］