水泥粉煤灰稳定碎石强嵌挤骨架密实级配研究.doc

水泥粉煤灰稳定碎石强嵌挤骨架密实级配研究 摘要：为了优化水泥粉煤灰稳定碎石材料设计，基于数值试验方法提出强嵌挤粗集料骨架级配，并采用振动法研究水泥粉煤灰稳定碎石力学性能进行试验验证。在此基础上，进一步研究水泥与粉煤灰掺量对水泥粉煤灰稳定碎石力学性能的影响规律。结果表明：数值模拟粗集料级配具有强嵌挤力，且细集料含量31%3对力学性能影响不显著，基于此提出水泥粉煤灰稳定碎石的强嵌挤骨架密实级配。此外，以7d抗压强度为考察指标，水泥粉煤灰比例1:0.51:1为最佳，以极限强度为考察指标，则水泥粉煤灰比例1:11:1.5为最佳，因此，建议水泥剂量为34%，粉煤灰掺量为45%。关键词：道路工程；水泥粉煤灰稳定碎石；振动试验方法；力学性能 1 引言粉煤灰是一种空心结构的玻璃体，具有较小热胀冷缩性以及对水泥水化具有缓凝作用，掺加粉煤灰有利于提高水泥稳定碎石基层力学性能、缓解收缩裂缝问题，并有利于改善施工性能。然而，目前对水泥粉煤灰稳定碎石设计施工技术研究不够深入系统，研究手段是基于重型击实试验方法和静压法成型试件，而已有研究证明，重型击实试验方法和静压法成型试件与现场基层实际相关性不足40%，显然已有对水泥粉煤灰稳定碎石力学特性的研究成果无法揭示材料组成与性能之间规律，难以达到优化材料设计目的。课题组提出的振动试验方法成型试件与现场基层实际相关性高达93%，因此，开展本课题研究，对于完善水泥粉煤灰稳定碎石设计施工技术具有现实意义，成果也必将提高道路基层工程质量，并促进水泥粉煤灰稳定碎石的推广应用。2 试验方案2.1 原材料山西柳林中交石料场的石灰岩、铜川声威P.O42.5缓凝水泥和神木锦界国华电厂粉煤灰，技术指标略。2.2 试件成型方式采用的振动法成型级配碎石试件。振动参数为：激振力7.6kN、名义振幅1.2mm、工作重量为3kN、激振频率30Hz，用于确定最大干密度和最佳含水量的振动击实时间100s，用于成型试件的振动时间80s。已有研究结果表明1，振动法成型水泥稳定碎石试件的强度平均为芯样的1.13倍；而静压法成型试件的强度平均为芯样的0.43倍。因此，采用振动法成型试件研究级配碎石力学性能更具有代表性和真实性。3 强嵌挤骨架密实级配3.1 理论研究3.1.1 矿料CBR数值试验方法1） CBR数值试验方法的构建基于PFC2D构建了级配碎石CBR数值试验方法，其构建思路见图3-1。标定满足误差要求级配碎石矿料特性矿料级配颗粒模型化为圆形微力学参数颗粒流模型模拟试验模拟结果试件成型试验过程虚拟试件生成模拟加载过程室内试验实测结果模拟试验条件可靠性分析级配碎石CBR数值试验方法不满足误差要求数值模拟室内试验接触本构模型图3-1 级配碎石CBR数值试验构建思路12cm模拟荷载板模拟压头5cm5cm5cm模拟荷载板15cm图3-2 级配碎石CBR数值试验加载过程的示意图2） CBR数值试验方法的可靠性为了验证CBR数值试验的可靠性，按表3-1中级配进行CBR室内试验和数值模拟。通过反复试算，得到一组较理想的微力学参数：泊松比=0.25、摩擦系数=0.35、剪切模量G=8.0GPa、计算时间步长dt=1.0E-03s/step。室内试验实测结果与数值试验结果见表3-1。表3-1 CBR的实测结果与模拟结果的对比编号通过下列筛孔（mm）的质量百分率（%）实测值（%）模拟值（%）误差（%）平均误差（%）31.5199.54.752.360.60.07511006452403425154955256.065.022100645240301775956275.3731006148353022135185526.564100614835261566556763.2151005844302518116266422.566100584430221356927366.36由表3-1可知，各级配的CBR模拟值与实测值的误差均在7%以内，平均误差仅为5.02%，证明了CBR数值试验的可靠性。3.1.2 矿料CBR变化规律1） 合成粗集料CBR规律单规格、两种规格及三种规格粗集料CBR规律，分别见表3-2、图3-3及3-4。（为便于后续论述，1931.5mm集料记为D1集料，9.519mm集料记为D2集料，4.759.5mm集料记为D3集料。）表3-2 单规格粗集料的CBR变化规律集料规格D1集料D2集料D3集料CBR673331D2或D3集料用量(%)D1集料用量(%)CBR(%)CBR(%)图3-3 两种规格合成集料的CBR变化规律 图3-4 三种规格合成集料的CBR变化规律由表3-2、图3-3、3-4可看出，三种规格合成粗集料的CBR最大值两种规格合成粗集料的CBR最大值单规格粗集料的CBR最大值。表明连续级配合成集料嵌挤力强于间断级配。从图3-4可知，当D1集料的质量分数为5070%时，D1集料构成主骨架，D2和D3集料恰好不干涉，充分填充于主骨架空隙中并形成次骨架结构；当D3质量分数为1020%时，D3较好的填充了主、次骨架的空隙，结构稳定性增加，故CBR值较大。综上所述，以CBR80%为标准确定D1集料、D2集料和D3集料三种规格粗集料的最佳质量分数比例为70:20:10(A)、60:30:10(B)、60:20:20(C)、50:30:20(D)。2） 粗细混合集料CBR规律为了研究粗细集料比例对CBR的影响规律，选取A、B、C、D四组CBR值较大粗集料级配，分别与细集料混合，粗细混合集料CBR模拟结果见图3-5。CBR(%)细集料用量(%)图3-5 CBR随细集料用量比例的变化规律从图3-5中可看出，粗细集料比例为65:35时，A、B、C级配的粗细混合集料CBR达到最大值，为540%以上。因此，确定粗细集料最佳比例为65:35。3） 强嵌挤骨架密实级配初拟综上所述，初拟强嵌挤粗集料骨架级配见表3-3。表3-3 强嵌挤的粗集料骨架级配通过下列筛孔(mm)的质量百分率(%)31.5199.54.751005868384830383.2 试验验证3.2.1 粗集料空隙率和细集料最大干密度插捣试验得到粗集料空隙率，见表3-4。表3-4 粗集料空隙率粗集料级配A（70:20:10）B（60:30:10）C（60:20:20）D（50:30:20）空隙率（%）35.9536.5034.6935.38根据振动击实试验得到细集料石屑的最佳含水量为7%，最大干密度为2.264g/cm3。3.2.2 理论骨架密实级配及试验验证（1）水泥稳定碎石基于干涉理论，由粗集料空隙率和细集料振动击实干密度计算得到粗细集料比例，见表3-5。表3-5 粗细集料比例及相应配合比级配粗集料含量细集料含量各规格材料配合比（%）1937.5mm9.519 mm4.759.5 mm04.75 mmA68.1 31.9 4714732B67.6 32.4 4120732C69.3 30.7 41141431D68.6 31.4 34211431表3-5表明，细集料含量3132时，不会造成对粗集料骨架级配的干涉，形成理论上的骨架密实级配，称该细集料含量为临界干涉点。通过试验研究细集料临界干涉点、临界干涉点3对应的水泥稳定碎石的力学特性，结果见表3-6，试验时水泥剂量3.5。表3-6 水泥稳定碎石力学特性粗集料级配粗细集料比例不同龄期的抗压强度Rc/MPa3d7d14d70:20:1065:358.3 9.2 9.7 68:328.4 9.1 9.6 71:298.0 8.8 9.4 60:30:1065:357.6 8.0 8.3 68:3210.1 11.0 11.6 71:298.7 9.1 9.5 60:20:2066:349.6 10.4 11.1 69:318.8 9.7 10.1 72:287.8 9.1 10.0 50:30:2066:347.6 9.5 10.5 69:319.1 10.0 10.6 72:287.2 8.7 9.6 （MPa）8.59.410.0Cv（）10.78.99.0从表3-6数据可以看出，细集料含量在临界干涉点3对水泥稳定碎石力学特性影响并不显著，偏差系数不超11。力学强度试验结果验证了表3-3级配具有强嵌挤力。同时，结合试验结果，对表3-3级配进行微调，结果见表3-7。表3-7 水泥稳定碎石强嵌挤骨架密实级配通过下列筛孔(mm)的质量百分率(%)31.5199.54.75100586838482836（2）水泥粉煤灰稳定碎石粉煤灰由于质轻，若等质量替换细集料掺入水泥稳定碎石中，则有可能破坏骨架密实级配。同理，基于干涉理论，由粗集料空隙率和细集料与粉煤灰振动击实干密度计算得到粗细集料粉煤灰三者之间比例，结果见表3-8，水泥剂量3.5%。表3-8 水泥粉煤灰稳定碎石力学性能试验结果D1:D2:D3:细集料:粉煤灰不同龄期的抗压强度Rc/MPa不同龄期的劈裂强度Rc/MPa3d7d14d3d7d14d41:20:7:29:38.259.6410.640.590.80.9341:21:7:27:48.439.8010.980.660.911.0842:21:7:25:58.479.4710.350.630.851.0043:21:7:23:67.978.849.740.550.650.7343:22:7:21:77.698.629.560.40.560.6840:13:13:31:38.239.059.980.490.760.9340:14:13:29:48.649.3210.130.550.770.9541:14:13:27:58.659.6110.360.630.931.0541:14:13:26:68.489.2110.050.410.640.8241:14:14:24:78.018.859.790.40.580.73根据表3-8中强度最大为原则，结合表3-7水泥稳定碎石强嵌挤骨架密实级配，水泥粉煤灰稳定碎石强嵌挤骨架密实级配见表3-9。表2-9 水泥稳定碎石强嵌挤骨架密实级配通过下列筛孔(mm)的质量百分率(%)31.5199.54.752.360.60.0751005666374724321525816264 水泥剂量与粉煤灰掺量4.1 水泥粉煤灰的力学强度图4-1绘制出水泥粉煤灰比值对水泥粉煤灰抗压强度的影响。图4-1 水泥粉煤灰比例与抗压强度的关系从图4-1可知，水泥粉煤灰比值1:0.51:1，粉煤灰掺量对其抗压强度影响不显著；当水泥粉煤灰比值小于1:1时，粉煤灰掺量越大，其抗压强度越小。4.2 水泥粉煤灰稳定碎石力学强度图4-2图4-3绘制出粉煤灰掺量对水泥稳定碎石力学强度的影响规律。 图4-2 粉煤灰掺量对7d抗压强度的影响 图4-3 粉煤灰掺量对极限抗压强度的影响图4-2图4-3可知，粉煤灰掺量对水泥稳定碎石早期强度和极限强度影响规律不同。以7d抗压强度为考察指标，水泥粉煤灰比例1:0.51:1为最佳，水泥剂量为3.0%、3.5%、4.0%时，粉煤灰掺量分别在3.0%、3.5%、2.0%时强度较高。这一规律与水泥粉煤灰力学强度规律一致。但以极限强度为考察指标，则水泥粉煤灰比例1:11:1.5为最佳，水泥剂量为3.0%、3.5%、4.0%时，粉煤灰掺量分别在4.5%、5.0%、4.0%时强度较高。因此，建议水泥剂量34%，粉煤灰掺量45%。5 结论（1）基于振动法的水泥粉煤灰稳定碎石力学性能试验验证了数值模拟粗集料级配具有强嵌挤力，细集料临界干涉点3时力学性能稳定，结合试验结果对模拟级配进行微调，从而提出水泥粉煤灰稳定碎石的强嵌挤骨架密实级配，见表3-7。（2）以7d抗压强度为考察指标，水泥粉煤灰比例1:0.51:1为最佳，以极限强度为考察指标，则水泥粉煤灰比例1:11:1.5为最佳，因此，建议水泥剂量为34%，粉煤灰掺量为45%。参考文献(References)：1 中华人民共和国行业标准编写组. 公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）S. 北京：人民交通出版社，2006. 2 蒋应军, 任皎龙, 李頔. 级配碎石力学性能的颗粒流数值模拟方法J. 上海：同济大学学报(自然科学版)，2011.3 邓学钧. 路基路面工程M. 第二版. 北京:人民交通出版社, 2005. 4 Jiang Yingjun, Li Di. Study of gradation gravel physical and mechanics properties based on the vibration methodJ. Internati