粉煤灰级配碎石的和易性研究

2018-11-13孙耀东赵晓晴

福建交通科技 2018年5期

■ 孙耀东赵晓晴王龙

（1.江苏省海洋资源开发研究院（连云港），连云港 222005;2.淮海工学院土木与港海工程学院，连云港 222005;3.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，哈尔滨 150090）

在我国，90%以上的沥青路面都是采用无机结合料稳定粒料作为基层的半刚性基层沥青路面。半刚性基层由于具有较高的强度，刚度和稳定性，在路面基层当中具有主导地位，为我国的经济发展做出了巨大贡献，但半刚性基层的广泛应用也暴露出两大缺陷：一是横向收缩产生的反射裂缝；二是半刚性基层排水条件差。工程实践表明，这两种缺陷直接或间接导致

路面的早期损害是沥青路面产生病害的主要来源[1，2]。级配碎石柔性基层是由低粘结力的松散材料经碾压形成，它具有减少沥青层横向裂缝以及良好的排水性能的优点。但是级配碎石的使用存在回弹模量小及永久变形大，容易导致面层的网裂和过大的车辙。从火力发电厂排出的废渣——粉煤灰已经广泛地用做公路基层材料，以该材料为辅铺筑的道路具有强度高，板体性好，水稳性和冻稳性优良的特点，在半刚性基层如二灰碎石基层中已经广泛使用。利用粉煤灰修筑道路具有较大的经济和环保效益。在陈国明的《粉煤灰级配碎石混合料试验研究》中提出了添加粉煤灰改善级配碎石的观点并做了一系列的试验研究。发现粉煤灰不仅对级配碎石的施工和易性有利，而且提高了级配碎石的模量，增强了抵抗塑性变形的能力[3，4]。但就目前而言，粉煤灰级配碎石混合料在我国路面结构中应用并不多，其路用性能还有待试验研究。本文利用坍落度筒和自制漏斗装置对粉煤灰稳定级配碎石的和易性进行了研究。

1 试验设备及级配选择

1.1 试验设备

在本文中采用了坍落度筒和我们自制的用于评价离析、流动性和粘结力的漏斗装置。装置如图1。该装置底部上部直径25cm，高25cm，开孔8cm，孔颈长6cm。固定使其底部开口离地面30cm。装料时松装，装上料后，抽出插板，使料自由下落，然后测量其堆积高度和堆积直径，以其高度和直径评价料的粘结性和松散程度。而坍落度筒则为试验室的标准设备，高度为30cm，上口直径10cm，下底面直径20cm。每次试验通过量取落下的料的高度和直径，以此评价流动性和粘聚力。

图1 自制装置

1.2 级配选择

根据经验[4，5]，在试验中推荐使用以下两个级配：一个较粗的间断级配，另一个较细的四川级配（见表1）。用我们自制的设备来仔细研究添加粉煤灰后级配碎石抵抗离析，及增加施工和易性方面的性能。

表1 本文所采用的级配

2 试验结果与讨论

2.1 坍落度与坍落直径

试验中我们首先采用间断级配，对不同的粉煤灰含量和含水量进行了试验。图中逗号前面的数字表示粉煤灰百分含量，逗号后面表示百分含水量。结果见图2～3：

图2 坍落度

图3 坍落直径

由图2可以看出，当不添加粉煤灰时，坍落度特别大，因为碎石特别松散，当提起坍落度筒时，碎石全部松散落下，因而离析严重，粗料大量地滚到外沿，而添加粉煤灰后，坍落度下降很多，碎石松散滚落不像纯级配碎石那样迅速，因为粉煤灰增加了碎石间的粘结力，改变了碎石特别松散的结构。

由图3可以看出，添加粉煤灰后，由于粘聚力的增加，粉煤灰级配碎石落下的直径减小，级配碎石落下的时候，要摆脱粘聚力的束缚，消耗掉一部分的能量，而且，级配碎石落下时由于有粉煤灰的缓冲，也要吸收一部分的能量，所以这能大大减小冲击的能量，使粗集料不能滚远，减小离析，有利于施工。

2.2 堆积直径与粉煤灰含量及含水量的关系

试验时我们采用间断级配和四川级配两种级配，其图中横坐标类型中逗号前面数字表示粉煤灰含量，逗号后面表示含水量。图中堆积直径是料从漏斗落下后，在地上堆积成锥形的底面圆的直径。

由图4可以看出当含水量较少时，堆积直径较大，因为含水量小时粒料松散，落下的时候能量损失小。这样的话，粗料能量较大，滚的比较远，因而造成粗料集中在外缘的离析，在施工过程中影响施工质量。基层不均匀，给以后路面病害形成隐患，由整个堆积直径的趋势，同在最佳含水量的情况下，随着粉煤灰的增加，堆积直径减小，此时是粘聚力在起作用，但当粉煤灰增加到一个程度，还有含水量也达到较大的时候，那时堆积直径也会增大，因为粉煤灰及含水量增加到一个程度，流动性就开始表现出来。在同样的粉煤灰含量的情况，随着含水量的增加，首先是堆积直径减小，一定的含水量能改变碎石松散的状况，但含水量增加到一定的状态，水膜厚度超过一定的范围，润滑作用超过粘聚作用，那时流动性增强。而级配碎石不同于水泥混凝土，水泥混凝土水泥浆很多，能形成浆体，粘聚力很强，不容易离析。如果级配碎石很松散，流动性很强的话，施工时会产生离析。

图4 间断级配堆积直径与粉煤灰含量及含水量的关系

图5 四川级配的堆积直径与粉煤灰含量及含水量的关系

图5是四川级配的堆积直径，可见比间断级配随粉煤灰含量的变化要均匀很多，主要是因为四川级配的细集料较多，粒径比较均匀。但是四川级配堆积直径随含水量变化很明显，如粉煤灰含量为7%的时候，开始随着含水量的增加堆积直径减小，粉煤灰增加了石料之间的粘结力，石料落下时候不容易滑落，但当含水量增加至7.7%时，堆积直径却又开始上升。主要是此时的含水量让粉煤灰碎石之间润滑，石料移动特别容易，开始有点流淌了。

2.3 堆积高度与粉煤灰含量及含水量的关系

试验时采用间断级配和四川级配两种级配。图中横坐标类型中逗号前面数字表示粉煤灰含量，逗号后面表示含水量，堆积高度表示锥形堆底面至顶点的高差。

图6和7为间断级配与四川级配的堆积高度粉煤灰含量与堆积高度的关系，间断级配在粉煤灰和含水量都较小的时候，堆积高度较小，主要是由于粒径差别大，粗集料与细集料的含量都很大，集料之间相互作用的力很小。而添加粉煤灰后，增加了集料之间的粘结力，堆积高度变化很大。四川级配的堆积高度比间断级配的要均匀很多，堆积的高度适中，随粉煤灰含量的变化也较小，主要是四川级配粒径较细，细料较多，但随含水量变化较大。从图中可以看出，当含水量增大时，堆积高度增大，直径减小，由于细料多，当水分适当时，一定的水膜厚度，能让石屑比较牢的吸附在一起。由粉煤灰含量为7%的一组数据可以看出，当含水量增大到一定程度后，堆积的高度也开始下降，主要是含水量较大后，水膜的润滑作用超过粘结作用，石料开始流淌，此时石料开始离析。石料的施工较佳的状态应该是粘结作用于润滑作用均适当，一定的粘结作用，加上适当的润滑作用，如果润滑作用不够，也将影响施工。