高速公路拓宽工程轻质粉煤灰路用性能试验研究

蓝克戈

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200)

0 引言

近年来，随着我国经济的快速增长，物流业的发展和城市间的合作往来更加紧密，高速公路的交通流量日益增加[1]。原有高速公路的设计通行能力已远不能满足日益增长的交通需求，迫切需要提升道路的通行能力[2]。在高速公路拓宽的过程中，原有路基经过行车荷载的长期作用，已经完成自身沉降，而新的路基自身沉降尚未完成，在路堤及行车荷载等附加应力的作用下，会产生沉降变形及路堤填料自身压缩变形。现行的工程路堤填料中常采用泡沫轻质土、ESP或泡沫玻璃等轻质材料克服以上难点，但这些材料在应用的过程中存在性能达不到要求、沉降效果不明显且造价非常昂贵的问题，因此研发一种减少地基附加应力、解决新旧路基不均匀沉降问题的轻质材料刻不容缓。

针对新路基与原有路基不均匀沉降等问题，国外针对具体的地基特点，分别进行地基置换、设置桩基础、设置塑料排水板、加筋挡墙和填筑轻质路基等措施；国内常采用土工合成材料、对边坡进行台阶开挖和边坡削减、采取合适的地基处理方法、高强度轻质材料等措施来解决。本文针对高速公路工程尤其是拓宽施工中性能、沉降和价格等问题，利用粉煤灰、水泥、外加剂和水等材料，在以正交试验确定配合比的基础上，对混合料的流动性、干缩性和冻融稳定性开展测试，试图研究一种适用于路基拓宽的轻质粉煤灰混合料，在满足路用性能的同时兼具经济环保特点，为粉煤灰在高速公路路基拓宽中的应用提供示范。

1 试验

针对公路路基改扩建的需求，采用轻质粉煤灰混合料对路基进行填筑，将轻质粉煤灰混合料依据相关材料的比例配制，制备出水泥粉煤灰试块。根据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)[3]和《公路路基施工技术规范》(JTG/T 3610-2019)[4]等技术标准，在已有基础试验测试达标的基础上，测试其流动性、干缩特性、水稳定性，研究轻质粉煤灰混合料的最佳性能及机理。

1.1 试验原材料

1.1.1 粉煤灰

由燃烧后产物组成的细灰是粉煤灰。粉煤灰呈灰褐色，通常呈酸性。粉煤灰为球形多孔结构，在松散状态下具有良好的渗透性。本文所使用粉煤灰采用广西某煤电厂生产的C类粉煤灰，各项性能均符合相关技术要求(见表1)。

表1 粉煤灰主要指标表

1.1.2 水泥

水泥采用广西某水泥厂生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，各项性能均符合相关技术要求，比表面积、密度、凝结时间等指标如下页表2所示。

表2 P·O 42.5级水泥主要指标表

1.1.3 外加剂

外加剂主要以减水剂为主，减水剂是为了保证混合料具备必要的工作性能。

1.1.4 水

用于轻质粉煤灰拌和的水没有规定的标准，只需符合自来水、生活用水等有关水的相关指标即可。本试验用于拌和轻质粉煤灰混合料的是自来水。

1.2 试验方案

针对高速公路路基，采用正交试验法进行材料配合比的设计，粉煤灰、水泥等原材料按不同掺量拌和为试件，在温度20 ℃±5 ℃、湿度50%的条件下展开试验，将测试不同比例的轻质粉煤灰混合料的各项指标，从而得出轻质粉煤灰混合料的最佳配合比。依据测试各项指标发现A(水泥与粉煤灰的比例)、B(水胶比)、C(外加剂的用量)等成为影响的主要因素。因素与水平设置表如表3所示。本试验采用50 mm×50 mm×200 mm的试件，粉灰煤比取4∶94、6∶92、8∶90、10∶88，开展16组试验，并测试7 d与14 d的抗压强度。经测试，试验数据表明粉灰煤比为8∶90时为最佳配合比，如表4所示为正交试验配合比表。

表3 因素与水平表

2 性能测试结果与分析

2.1 流动性

轻质粉煤灰具有自成型的特点，可通过稠度测试来检验这一特性。本试验采用操作简单、流程简洁并且可实时监测的水泥砂浆稠度仪进行检测。根据建筑砂浆基本性能试验方法标准[5]，进行稠度测试时需要提前完成前期准备工作：(1)需要在滑杆上涂油；(2)用干净的抹布湿润后擦净放置盛放轻质粉煤灰容器的锥面。为保证试验的准确性与时效性，必须按照试验流程严格执行。试验操作流程如下：将轻质粉煤灰混合物倒入容器中→轻质粉煤灰混合料的顶面需高于容器口约10 mm以上→用捣棒进行插捣25下→敲击或摇动容器5～6次→将容器置于稠度测定仪的底座上→使试锥的尖端和轻质粉煤灰混合料的表面接触→使下端的齿条侧杆接触上端的滑杆→读取刻度盘上的实际数值，即所测轻质粉煤灰混合料的稠度。若两次所测稠度之差>10，需重测。测试结果如表5所示，变化曲线如下页图1所示[6]。

表4 正交试验配合比表

表5 轻质粉煤灰混合料的稠度值测试结果表

图1 轻质粉煤灰混合料稠度变化曲线图

由表5可知，水泥与粉煤灰在8∶90和4∶94这两种比例下，各分为10组不同的用水量，根据用水量从28%递增至50%，测得其稠度随用水量的变化情况。当水泥与粉煤灰的比例为8∶90且用水量为28%～35%时，稠度由过小逐渐转为较小；当用水量为38%～45%时，稠度较好；当用水量为45%～50%时，稠度又逐渐增大。当水泥与粉煤灰的比例为4∶94且用水量为28%～33%时，稠度过小或较小；当用水量为35%～38%时，稠度较大；当用水量为40%～45%时，稠度较好；当用水量为48%～50%时，稠度过大。根据图1可知：随着用水量的增加，两种不同配合比的水泥与粉煤灰混合料稠度也在不断增加，且配比为8∶90的水泥与粉煤灰混合料在不同用水量下的稠度均比配合比为4∶94的稠度大。其中两种不同配合比的水泥与粉煤灰混合料在用水量为28%～33%时，稠度均较小或过小；用水量在40%～45%时，稠度均较好；用水量>48%时，稠度均较大或过大。综上所述，用水量与稠度成正比关系，用水量在38%之前，两种不同配合比的水泥与粉煤灰混合料稠度均较小，用水量在40%～45%时的稠度均较好，用水量在45%以上时的稠度均较大。所以，用水量在40%～45%时，是较为适合水泥与粉煤灰混合料稠度的用水量。

2.2 干缩特性

液态粉煤灰的干缩系数随含水量和水泥含量的增加而增大，干缩速率随着液态粉煤灰龄期的增加而减小，干缩特性通过其干燥收缩值来表现。轻质粉煤灰混合料成分中尚无粗骨料作为骨架，且其干燥过程容易导致路基的开裂，为此，进行了干缩特性测试。试验采用30 mm×30 mm×130 mm的试件，按照以下方法逐步进行测试：混合料拌和→混合料浇筑→成型后养护(20 ℃±1 ℃，90%湿度)→7 d拆模→将试件编号→常温静置(3～6 h)→后续试验。测试收缩率时，将初始长度和不同龄期的试件长度[7]进行对比，利用式(1)计算收缩率。如表6所示为试验结果、图2所示为变化曲线。

(1)

式中：W——收缩率；

μ——试件长度。

由表6可知，轻质粉煤灰混合料在不同用水量下，干燥收缩值随着龄期的增加而产生变化。其中，根据用水量的不同将轻质粉煤灰混合料分为6组，用水量分别为33%、35%、38%、40%、43%、45%，干燥收缩值则是在7 d、14 d、21 d、28 d、56 d、90 d时每组各采集一次数据。如图2所示为混合料干燥收缩值在不同含水率的变化曲线，根据图2可以得出：随着用水量的增长，干燥收缩值随着天数的增加呈现上升的趋势，其中在7～28 d时，各组的干燥收缩值上升变化幅度均较大。含水率分别为33%、35%、38%、40%、43%和45%的组别从7～21 d的干燥收缩值上升速率均达到最大，含水率为45%的组别在7 d时的干燥收缩值达到了184，是同一龄期下含水率为33%的组别的1.6倍；含水率为33%的组别在第21 d的干燥收缩值为136，含水率为35%的组别在第21 d的干燥收缩值为146，含水率为38%的组别在第21 d的干燥收缩值为160，含水率为40%的组别在第21 d的干燥收缩值为173，含水率为43%的组别在第21 d的干燥收缩值为201，含水率为45%的组别在第21 d的干燥收缩值为218。由此可见，前28 d的干燥收缩值占总干燥收缩值的3/4，说明前28 d的粉煤灰混合料所消耗水量较多，水分在早期因温度消耗较多，尤其是在前14 d水分蒸发流失最快，故在前14 d需要做好养护，避免水分因蒸发流失太快而导致收缩开裂。综合上述试验结果，在不同的用水量下，干燥收缩值随着龄期的增加均呈现上升的趋势，前28 d的干燥收缩值占总干燥收缩值的3/4，所以在前14 d需要做好养护，保证水分不流失。

表6 不同龄期的轻质粉煤灰混合料的干燥收缩值试验结果表

图2 混合料干燥收缩值变化曲线图

2.3 冻融稳定性

冻融稳定性是考量乳液体系经受冻结和融化交替变化时其稳定性的一个关键指标[8]，在本试验中用于检验轻质粉煤灰混合料在特殊天气条件下是否能满足道路工程的支撑强度，用冻融残留抗压强度比(BDR)作为评定指标。该冻融稳定性性能检测需制作20 cm×20 cm的圆筒试件，在标准养护的条件下养护28 d后，以BDR作为变量进行对照实验。其中，冻融组养护28 d后，在低温试验箱内冷冻20 h，后放入常温水中融化9 h，进行5个循环的冻融周期，并测试其抗压强度。其计算方法如式(2)所示。如表7所示为轻质粉煤灰混合料的冻融稳定性试验结果，如图3所示为其变化曲线。

(2)

图3 轻质粉煤灰混合料的冻融稳定性随水泥含量的变化 曲线图

根据轻质粉煤灰混合料冻融性的满足使用标准以及表7可知：当泥煤比不变的情况下，水泥含量逐渐增加，对比试件的抗压强度，BDR也随之增加，从2%的1.118 MPa逐渐增大到10%的2.437 MPa；5次冻融循环后的残余强度随之增加，至水泥含量为10%时增加至2.187 MPa。根据图3可知：当水泥含量以2%的幅度增加，在2%增加至4%、6%、8%、10%的过程中，BDR从0.662逐渐增长到0.913，说明BDR与水泥含量呈正相关趋势；当水泥含量<6%时，曲线斜率较大、增幅较快，当水泥含量>6%时，曲线斜率变缓、增幅较慢，拐点出现在6%时，其数值为0.853。综上所述，随着水泥含量的不断提高，BDR也在不断提高，且当水泥含量在<6%时增速较快，在>6%后增速较缓，说明水泥含量在6%时的冻融稳定性较好。

3 结语

本文针对高速公路拓宽工程特点，研究了一种以粉煤灰、水泥等材料为基体的轻质粉煤灰混合料，通过测试其路用性能，为今后在实际工程中的应用提供理论依据。结果表明：

(1)水泥与粉煤灰的稠度与用水量呈正相关关系，且配合比为8∶90的稠度均比4∶94的稠度大，当用水量在40%～43%时，稠度较为合适。

(2)在不同的用水量下，干燥收缩值随着龄期的增加呈现上升的趋势，28 d前的干燥收缩值占总干燥收缩值的3/4，故在前14 d需要做好养护，避免水分因蒸发流失太快而导致收缩开裂。

(3)根据轻质粉煤粉的有关标准以及实验数据，随着水泥含量的增加，冻融稳定性中的BDR也在不断增大，因此水泥和冻融稳定性成正相关，且水泥含量在6%时的冻融稳定性较好。