（材料学专业论文）农村低交通量公路硬化粉煤灰路面研究.pdf

摘要 近年来，国内对于高等级公路路面结构及材料的研究较多，对于低交通量公 路的路面结构也有一定的研究，但对于低交通量公路路面材料的研究则非常少。 因此，研究适用于广大农村地区的经济型低交通量公路路面材料就具有非常重要 的意义。 本文针对农村低交通量公路硬化粉煤灰路面课题，采用固化剂硬化粉煤灰路 面技术方法，通过室内硬化粉煤灰混合料无侧限抗压强度、水稳定性、冻稳定性 等技术性能试验，结合微观分析方法对材料的稳定及强度增长机理进行了系统的 研究。 结合室内试验结果进行了试验路铺筑，取得良好的效果。研究结果表明，农 村低交通量公路硬化粉煤灰路面具有良好的路用技术性能，且施工工艺简单、经 济合理，具有很好的推广应用价值。 关键词：粉煤灰、固化剂、路面材料、力学性能、施工工艺 a b s t r a c t h l c e n ty e a 塔，t h e ma m 锄yd o m e s t i cs t i l d i e sp 孙，e 】m c n ts 砸l c t i l 陀a n dm a t e r i a lo ft h e s i 职r h i 曲1 w a y ，柚dh a m 锄ys t u d y i n go nt h el o wv o l 删o f 僦i cp 驸e m e n ts t r i l c t l i 佗o f h i g h w a y ，b u tm a t e r i a ls t u d y i n gi sv e f yl i t e t ol o wv 0 l l l 黜o f 缸a 珏ch i g h w a yp 州钮姗t s o s t i l c l y i n gt h ee n o m y 1 0 wv 0 l u m eo f 锄c h i g h 、张yp a 代m tm a t e r i a ls u j t a _ b l ef o rt h ev 勰tm r a l a 坞ah 舔v e r yi m p o n a n tm e 锄i n g s n i sp a p e ri n c o r d 柚稍t ht h e 州e c tt h a th a r d e n st h en ya s hp a v e m tt 0t h em r a l l o wv o l u m e0 f 嘣i 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霹来加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任出本人承担。 论文作者签名：乏幕易 二哟年占月6e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 傺密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 悉* 易 布年厂月厂墨 导师签名： 密鼍6 冬弱b 第一章绪论 1 1 问题的提出及课题研究的意义 农村公路是国民经济发展的一项重要交通基础设施，是我国公路网的重要组 成部分。加快我国农村公路的建设与改造，对加快建立完善、畅通的农村公路交 通体系，促进农业和农村经济发展，逐步解决当前突出的“三农”问题，全面推 进小康社会建设的进程具有重大意义。 农村公路是地方性公路，受益于农村，服务于广大农民，同时，对国家整体 经济发展产生影响。农村入民群众的生产、生活物资全靠农村公路完成，作为社 会经济发展最重要的基础设施之一，农村公路的发展规模是农村社会经济发展水 平的重要标志。随着国民经济的发展，尤其是随着我国加入w i d 以后，农村经济 落后，已经成为制约我国整体经济增长的瓶颈。“要想富。先修路，公路通，百业 兴”，要想改变农村经济滞后状态，尽快达到小康水平，只有发展农村公路，为农 业发展创造良好的交通环境，充分合理的发展农村资源，从资源优势向经济优势 转化，才能有利于调整农业产业结构，促进农村经济发展和两个文明建设。 我国是一个农业大国，农村人口约占全国人口的踟左右。农村是整个国民 赖以生存的重要源地。在计划经济时代，我唇广大农村基本上处于一种自给自足 为主的自然经济状态。经济发展极不平衡，商品流通需求量极小，占主导地位的 运输方式是农用拖拉机和自然力的水运，有的地方甚至是极为落后肩挑、背抗、 马驮的运输方式。许多农村没有公路或是仅有一些技术等级低、路况差的简易路， 农民出行非常困难，过着相对封闭的生活。随着改革开放后农村社会生产力的发 展，农村产业结构发生变化，物流增加，商品经济逐渐活跃，农业和农村经济逐 步向社会化方向发展。加快农村公路建设，尽快改变农村落后的交通现状已变得 十分迫切，这对农村公路建设提出了新的要求。虽然近些年农村公路已有了长足 的发展，但农村公路在修建时，因经济条件的限制，只注重能通车，未考虑技术、 质量要求，致使我国农村公路形成“里程长，等级低。路况差”的现状。大部分 农村地区的公路路面实际上还是“晴天扬尘土，雨天趟泥浆”的泥土路。 因此，如何较为经济的使农村道路路面成为“晴雨路面”，使农村公路在特有 交通量下保持全年畅通无阻，成为道路工作者亟待解决的问题。对此问题的研究 成果将对我国农村经济的发展、农民生活质量的提高，具有重要的现实意义与深 远的历史影响。 由于许多地区具有丰富的石灰及粉煤灰资源，并且这些原料都是良好的路用 材料，但如果直接使用二灰土作为农村道路的路面结构，虽然此结构本身具有一 定的强度，但在使用上还有很多的缺点，如早期强度过低，抗冲刷能力较低，水 稳定性较差，表面功能不够理想等等。因此，本课题研究的硬化粉煤灰路面主要 针对二灰土路面的这些缺点进行改进，目的在于解决广大农村的现有道路问题， 力求就地取材，因地制宜又适合农村地区的低交通量现状。研究成果具有成本低 廉、性能优越，施工方便、安全环保等诸多优点，更重要的是它可以大大改善广 大农村居民的出行条件。由于硬化粉煤灰路面在平整度、抗车辙能力、水稳定性 等方面均比一般农村常见二灰土路面或砂石路面等性能优越很多，因此也使广大 农民出行的安全性得到了很大的提高。另外，由于硬化粉煤灰路面属于。睛雨路 面”，即使雨天也可以正常使用，这就使路面的利用率得到了提高。这种既经济， 又能适应农村交通与通行需求的新型路面形式将为农村公路发展提供有力的技术 支持，从而有利于经济合理的农村公路建设的迅速发展，促进广大农村地区的经 济发展，使农村公路在实际意义上成为广大农民奔小康的通道。 本项目对农村公路的研究成果除可以直接受惠于广大关中农村地区外，对全 国其他有类似原料的地区也有重要的参考价值。因此，本项目将有广阔的应用前 景。 1 2 国内外研究现状、使用水平及发展趋势 西方国家农村公路网络非常发达，不仅早已实现村村通公路，而且可以说家 家户户通公路。由于其经济发展水平高，在铺筑道路时，较注重农村公路的耐久 性，因此采用的材料基本上与高等级公路路面材料相似，仅仅是路面结构上存在 差异，因为农村公路的交通量、车辆轴载远小于高等级公路。所以西方国家主要 进行高等级公路路面材料和路面结构研究，而并不考虑简易低造价道路路面的研 究，这是经济发展水平所决定的。 我国的公路建设在近十几年得到了飞速发展，到2 0 0 5 年底全国公路总里程达 2 到1 9 5 万公里，其中高速公路通车里程已超过4 1 万公里，国内县乡公路里程建设 已经达到1 5 3 9 6 万公里，比2 0 0 4 年全年增长了1 1 。5 万公里，以超过5 2 7 的增 长率增长。但是目前二级及二级以上高等级公路里程不过2 9 9 5 万公里，只能占到 公路总里程的1 6 0 ，为了适应我国的国情，科研单位及生产部门对农村公路路 面材料进行了一些相关的研究i 在我国公路沥青路面设计规范( j t j 0 1 夺9 7 ) 中 已对低等级路面材料( 泥结碎石、级配碎石) 的集料级配给出了范围。这些成果 过去对农村公路修建起到了指导作用。 目前农村低等级公路现有路面形式多为泥结碎石路面、水结碎石路面、泥灰 结碎石路面、级配碎砾石路面，在许多地方甚至是无粒料路面，这些路面的特点 是，晴天时车过尘土飞扬，雨天时路面到处泥浆覆盖，冬春季节易产生冻胀翻浆， 夏秋时分道路表面磨损极快，极易形成颠簸的波浪路面，路面很难用舒适性好坏 描述，即使是低速行驶的农用车辆，其颠簸的程度一是可使农用车辆的寿命大为 降低，二是极易造成交通事故。 农村道路路面的这种状况，显然影响了农民与外界的正常交流，也影响了发 达地区的人们到农村进行可能的考察和投资，从而大大影响农村的经济发展水平 与农民的教育与生活水平，由此使不发达地区的城乡差别变得更大。因此；成本 低、里程长、通行能力较好的农村道路成为研究的主要问题。在过去的很长时间 里，对农村道路路面结构方面已有很多研究成果，但针对地区原料特点进行的农 村道路路面材料研究较少，本课题针对铜川地区石灰、粉煤灰原料丰富的现状研 究出新型的经济型路面材料。当然，随着我国经济的不断发展，在未来也可能使 用更高级的路面材料以使农村道路达到更好的服务效果。 1 3 本课题主要研究内容及技术路线 本课题在总结国内外对加固土研究的基础上，借鉴现有土壤固化剂在工程应 用中存在的强度低、水稳定性差和冻稳定性差等问题研究具有强度高、水稳定性 好及冻稳定性好二灰土路面硬化技术。 1 3 1 本课题主要研究内容 ( 1 ) 工业废渣粉煤灰表面硬化技术措施及硬化机理分析； ( 2 ) 表面硬化工业废渣粉煤灰路用性能研究； ( 3 ) 表面硬化粉煤灰路面经济性分析； ( 4 ) 表面硬化粉煤灰混合料路面施工工艺研究。 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 收集资料，调查农村道路现有状况，了解农村道路的最新动态； ( 2 ) 制定研究大纲，细化各部分研究大纲； ( 3 ) 归纳总结提高粉煤灰类材料强度的方法与措施； ( 4 ) 进行室内试验研究，寻找各种可用于硬化粉煤灰类半剐性材料的技术 措施； ( 5 ) 进行各种性能试验，研究各种方法的有效性； ( 6 ) 研究相关的评价指标； ( 7 ) 研究粉煤灰类路面可选择的路面结构； ( 8 ) 确定试验路铺筑方案，并铺筑试验路； ( 9 ) 施工工艺总结； ( 1 0 ) 完成试验路观测，分析室内、外试验结果的相关性； ( 1 1 ) 进行室内试验结果、试验路结果综合分析研究。 1 3 3 研究方案 ( 1 ) 课题研究的准备：主要包括前期资料的调研与收集，广大农村地区道 路存在问题的分析总结以及制定详细的研究大纲。 ( 2 ) 新型固化剂的选择：根据二灰土中水的特点以及固化剂与二灰土的相 互作用等方面进行分析，综合现有国内外资料，对不同的可选固化剂硬化二灰土 进行抗压强度等试验，选择研发出合适的固化剂： ( 3 ) 固化剂硬化粉煤灰路面的无侧限抗压强度试验研究：对所选固化剂硬 化粉煤灰材料无侧限抗压强度的影响因素进行试验研究和分析，确定主要因素和 次要因素及各因素与硬化二灰土抗压强度的关系，选取可用于实际工程的合适原 料； ( 4 ) 固化剂硬化粉煤灰路面的其他性能的试验研究：主要包括硬化粉煤灰 路面的水稳定性能、冻稳定性能、间接抗拉强度、抗弯拉强度及室内回弹模量等； ( 5 ) 固化剂硬化粉煤灰路面施工工艺的研究及经济性分析：力求新型固化 剂硬化粉煤灰路面的施工工艺简单，易于操作，施工效率高及施工成本低廉等特 4 点。同时，所研究的新型硬化技术应比同类技术具有较好的性价比，达到降低农 村道路整体造价之目的。 ( 6 ) 固化剂硬化粉煤灰路面的机理研究：通过对新型固化剂与二灰土之间 的物理化学作用，初步探讨固化剂加固土的基本原理。 ( 7 ) 通过微观试验研究新型固化剂硬化二灰土性质的优劣：通过对硬化粉 煤灰路面材料的扫描电镜试验，x 衍射试验及差热分析试验，从微观角度分析硬 化粉煤灰路面性质改善的原因。 第二章原材料技术性质 2 1 土的技术性质 本课题用土来源于陕西省铜川市印台区广阳镇地区，该地区地处黄土高原南 部沟壑区，土壤属于粉性亚粘土，通过试验所得物理性质指标见表2 1 1 。 标2 1 1 土的物理性质 最大干密度 液限塑限塑性指数 颜色 土质分类 ( g 3 ) w l ( )w “)联) 黄色1 8 2 9 3 2 219 81 2 4 粉性亚粘土 2 2 石灰的技术性质 石灰是由石灰石、白云石、方解石等原材料煅烧而得的。石灰石的主要成分 是碳酸钙( c a c 0 3 ) ，还含有少量的碳酸镁( m g c 0 3 ) 。因此，用石灰石制成的石 灰主要成分是氧化钙( q l o ) ，通常还含有少量的氧化镁( m g o ) 和残渣。石灰是 工程中常用的无机胶结材料，由于其来源广泛，生产工艺简单，成本低廉，所以 有着广泛的应用。用于制备稳定土混合料的石灰可以是一级石灰至三级石灰，也 可以是等外石灰或石灰的副产品。虽然石灰的性质不同，但都可用于石灰粉煤灰 混合料中。 石灰中活性c a 0 和活性m 9 0 是影响石灰性能及等级的最主要的因素，一般 情况下，在相同的石灰剂量下c a o 和m g o 的含量越高，加固的效果就越好。另 外，石灰的细度越大，其比表面就越大，反应时就会越充分、反应的速度也越快， 因而加固效果越好。铜川地区富产石灰，品质优良，价格低廉，很适合用于农村 道路的土质加固。本试验所用熟石灰的活性物质( c a 0 + m g o ) 含量为6 3 4 。根 据公路路面基层施工技术规范石灰的技术标准分析该石灰品质达到级灰， 符合路用要求。 2 3 粉煤灰的技术性质 粉煤灰是火力发电厂的一种工业废弃物，是磨细的煤粉燃烧后从烟道摔出的 废渣，俗称“飞灰”。粉煤灰作为一种燃料废渣，过去是很多企业头疼和难办的 一件事，大量的粉煤灰需要占用大面积土地进行堆放，粉煤灰粉尘也会对周边环 境造成严重污染。但是，随着各行各业对粉煤灰的开发和利用，尤其是近年来粉 煤灰在公路修筑上的利用率越来越高，粉煤灰由一种工业废料变为一种多用途的 材料。 粉煤灰的化学成分以s i 0 2 和a 1 2 0 3 为主，次要成分为c a o 和f e 2 0 3 以及少 量的m 9 0 和s 0 3 等。由于煤粉高温燃烧，其中主要成分硅和铝形成了大量的活 性成分，同时粉煤灰的比表面积较大，具有很大的表面能，且粉煤灰的密度小， 这些成为粉煤灰在公路中得以应用的基础和优势。 粉煤灰的技术性质要求包括： ( 1 ) 含炭量( 烧失量，即在8 0 0 一9 0 0 下能够烧失的量) 粉煤灰中的含炭量过多会影响其活性，所以在我国规定粉煤灰的最大烧失量 不应超过2 0 ；比表面积宜大于2 5 0 0 c m 2 g 。有关试验表明，只有当含炭量超过3 0 9 6 时，才会对粉煤灰的使用产生较明显的影响。 ( 2 ) 氧化物含量( s i 0 2 、a 1 2 0 3 及f e 2 0 3 的总量) 粉煤灰中氧化物的含量对二灰混合料的强度有着明显的影响。因此，我国规 定粉煤灰中的氧化物含量应大于7 0 。 ( 3 ) 细度 粉煤灰颗粒的粗细程度直接影响与石灰或与水泥混合后反应生成物的数量， 从而直接影响混合料的强度。粉煤灰的颗粒越细，比表面积越大，粉煤灰的活性 就越强，从而使混合料的强度越大。 表2 3 1 为我国粉煤灰材料化学组成的大至范围： 表2 3 1粉煤灰化学组成范围 成分 氧化硅氧化铁氧化钙氧化镁 氧化铝( a 1 2 0 3 ) 烧失量 含量 ( s i 啦)( f e 2 鸥) ( c a o ) ( m 掣0 ) 范围( ) 孓卜1 7 3 s2 1 50 8 40 7 21 2 珥 平均值( )5 0 6”上7 02 81 28 2 试验用粉煤灰( ) 柏七2 6 - 95 4“1 11 帖 根据我国粉煤灰质量指标的分级分析该粉煤灰为级灰，并且满足我国公 路路面基层施工技术规范中的相关指标要求。 8 第三章硬化粉煤灰路面技术及力学性质 3 1 二灰混合料击实试验 3 1 1 试验方法 本试验依照公路工程无机结合料稳定材料试验规程中击实试验要求采用 甲类试验方法进行操作。将已筛分的试样按四分法准备试件，预定5 巧个不同含 水量，依次相差1 之，且其中至少有两个大于和两个小于最佳含水量。本次试 验初始含水量选择1 9 ，并使其按2 递增，将混合料均匀拌和后闷料一夜备用。 试验过程严格按照规范要求进行，并按下式计算击实后各点的干密度： 几一存 式中：p d 试样的干密度( g c m 3 ) ； 。试样的含水量( ) 。 以干密度为纵坐标，含水量为横坐标，绘制干密度与含水量的关系曲线，曲 线上峰值点的纵、横坐标分别为最大干密度和最佳含水量。如曲线不能绘出明显 的峰值点，应进行补点或重做。 3 1 2 试验结果分析 所得击实试验结果见图3 1 1 ： 3 1 1 二灰混合料含水量与干密度关系曲线图 9 经过计算可得：最佳含水量= 2 2 6 ； 最大干密度= 1 4 8g c m 3 。 通过试验证实固化剂的加入并不会影响混合料的最佳含水量及最大干密度， 因此，后期试验均以此次击实试验结果为控制指标。 3 2 固化剂的初步选择 3 2 1 固化剂选定原则 近年来，随着对道路固化剂不断的认识和研究，市场上出现大量的固化剂产 品，其品种繁多，性能差异很大。因此，我们在课题研究之前对大量的固化剂产 品进行了相应的比对试验，目的在于选择适合用于农村低交通量粉煤灰路面硬化 的固化剂。 本研究选择固化剂的原则主要有以下几点： ( 1 ) 能够改善二灰混合料的力学性能，提高其无侧限抗压强度、水稳定性及 冻稳定性等，增加二灰土路面的耐久性； ( 2 ) 具有良好的性能价格比，从而更适合在广大农村地区推广使用； ( 3 ) 施工工艺简单易行，且经济合理； ( 4 ) 安全环保，不对周围环境造成影响。 3 2 2 固化剂的选定 选取1 1 种固化产品与统一的原材料进行无侧限抗压强度试验和水稳定性试 验，综合比较各固化产品的使用效果并结合选定原则，确定适合研究使用的固化 剂产品。 不同种类固化剂硬化二灰土的无侧限抗压强度见表3 2 1 。试验方法参见本论文 3 3 】。 1 0 表3 2 1不同固化剂混合料抗压强度试验结果 配比 7 d 混合料类型 ( 加固剂：石灰：粉煤灰：土) ( h 狂a ) 二灰土 o ：8 ：2 2 ：7 00 “ 固化剂i z + 二灰土 o 0 5 ：8 ：2 2 ：7 00 固化剂璐s + 二灰土 o 1 ：8 ：2 2 ：7 00 6 8 纤维素钠+ 二灰土 0 0 4 ：8 ：2 2 ：7 01 5 6 聚丙烯酸钠+ 二灰土 0 0 4 ：8 ：2 2 ：7 01 “ 聚丙烯酰胺+ 二灰土 o 0 1 ：8 ：2 2 ：7 01 0 8 水玻璃溶液+ 二灰土 o 0 5 ：8 ：2 2 ：7 01 7 6 1 固化剂+ 二灰土 0 2 ：8 ：2 2 7 01 2 固化剂+ 二灰土 o 2 ：8 ：2 2 7 01 9 8 ，固化剂十二灰土 o 2 ：8 ：2 2 ：7 01 9 1 4 固化剂+ 二灰土 0 2 ：8 ：2 2 7 01 6 2 5 固化剂+ 二灰土o 2 ：8 ：2 2 ：7 01 8 1 不同种类固化剂硬化二灰土的水稳定系数见表3 2 2 试验方法参见本论文 3 4 1 。 1 1 表3 2 2不同固化剂混合料水稳定系数 混合料类型 水稳定系数( 7 d ) 二灰土 0 4 6 固化剂e “二灰土 0 5 0 固化剂璐+ 二灰土 o 4 7 纤维素钠+ 二灰土 o 5 2 聚丙烯酸钠+ 二灰土 o j 7 聚丙烯酰胺+ 二灰土o 4 8 水玻璃溶液+ 二灰土 0 5 6 1 固化剂+ 二灰土0 7 6 2 固化剂+ 二灰土o 7 2 3 固化剂+ 二灰土 o 7 0 4 固化剂+ 二灰土 o 6 6 5 固化剂+ 二灰土o 6 8 由表3 2 1 及表3 2 2 可以看出，加入固化剂后二灰混合料7 d 无侧限抗压强度 及水稳定系数均有不同程度的提高。综合比较各试验数据并结合固化剂价格、溶 解度及施工难易程度等因素，最终选择1 ，矿，3 固化剂作为本研究用固化剂产品。 3 3 抗压强度 3 3 1 试验方法 本试验依据公路工程无机结合料稳定材料试验规程中无机结合料稳定土 的无侧限抗压强度试验方法，采用静力压实法制备试件。因二灰土属于细粒土范 围，所以选择试模的尺寸为：直径高= 5 0 衄5 0 衄。根据击实曲线而得最大干 密度计算试件所需混合料质量，再将按预定比例拌和均匀的混合料装入双层塑料 袋中浸润1 2 2 4 h 备用。因固化剂溶液是在成型试件之前加入混合料的，所以在 拌和混合料时其含水量应较最佳含水量小3 5 ，以保证成型时达到最佳含水 量。试件成型时将混合料装入试模中，按规范要求在反力架内的千斤顶上成型， 当上下压柱都压入试模后应维持压力1 m i n 再解除压力。 试件从试模内脱出并称量编号后，立即用塑料薄膜包裹放入养生室，养生室 条件控制在温度2 5 ，相对湿度大于9 4 。 养生期的最后一天，首先称量试件质量，将养生期间质量损失不大于l g 的试 件( 规范要求) 浸泡水中，水的深度应使水面在试件项上约2 5 。 测试强度时将已浸水一昼夜的试件从水中取出，用软布吸去试件表面的可见 自由水，放在路面材料强度试验仪上以1 哪m i n 的速率进行抗压试验。记录试件 破坏时的最大压力p ( n ) 。 试件的无侧限抗压强度r 。的计算公式为： 船导o 0 5 啦) 4 、7 式中：p 试件破坏时的最大压力( n ) ； 4 试件的截面积( 彳- 兰d 2 ) ； 4 d 试件的直径( 姗) 。 图3 3 1无侧限抗压强度试件 3 3 2 试验结果分析 不同混合料无侧限抗压强度见表3 3 1 。 表3 3 1不同混合料抗压强度试验结果 配比 7 d2 8 d 混合料类型 ( 加固剂：石灰：粉煤灰：土) ( h 口a )( h i p a ) 二灰土 o ：8 ：2 2 7 0o 6 62 5 1 1 屯1 固化剂+ 二灰土 0 2 ：8 ：2 2 7 01 7 53 j 5 1 i - 2 固化剂+ 二灰土 0 4 ：8 ：2 2 ：7 0乞3 13 6 5 2 l 1 固化剂+ 二灰土 0 2 ；8 ：2 2 ：7 0z 0 63 7 5 加固化剂+ 二灰土 0 4 ：8 ：2 2 7 02 1 63 9 5 3 t 1 固化剂+ 二灰土 o 2 ：8 ：2 2 7 01 8 93 2 3 3 7 1 2 固化剂+ 二灰土0 - 4 ：8 ：2 2 ：7 01 9 53 3 8 表中，后缀一1 为低浓度，后缀一2 为高浓度，配比为质量百分比。 图3 3 2低浓度固化剂硬化混合料抗压强度对比图 1 4 圈3 3 3高浓度固化剂硬化混合料抗压强度对比田 图3 3 4混合料7 d 抗压强度增幅对比圈 田3 3 5 混合料2 m 抗压强度增幅对比豳 抗压强度反映了材料在外力作用下抵抗破坏的能力。由以上各图表可以看出， 加入固化剂的二灰混合材料无侧限饱水抗压强度均得到不同程度的提高。其中， 7 d 无侧限饱水抗压强度平均提高了1 跗，2 龃无侧限饱水抗压强度平均提高了 4 0 。由图3 3 2 可知，三种低浓度固化剂加入后，均使二灰土的抗压强度得到明 显的提高。其中，低浓度矿固化剂对混合料7 d 抗压强度的提高幅度最大，增幅达 到2 1 2 ；对2 蹦抗压强度的提高增幅达到4 9 ，这表明2 固化剂在提高抗压强度 方面有最为显著的效果。 对比图3 3 2 ，图3 3 3 可知，固化剂浓度提高时，抗压强度亦有所提高，其中 1 。固化剂使二灰混合料7 d 强度增幅最大，并且随浓度增加强度提高较明显；矿固 化剂使二灰混合料2 8 d 强度增幅最大，但由浓度增加而引起的强度增加幅度不大。 并且总体看来，固化剂浓度的增加没有使混合料强度有明显提高，说明三种固化 剂在低浓度时已使二灰土强度提高达到了较理想的程度，继续提高浓度并不会使 强度有很大的增长，还会使产品的成本成倍增加。 对比图3 3 4 ，图3 3 5 可知，固化剂对7 d 抗压强度的提高幅度大于对2 8 d 抗 压强度的提高幅度。这主要是因为石灰与粉煤灰中的活性物质( s i 0 2 ，a | 2 0 3 ) 发 生火山灰反应的速度较慢，二灰土自身7 d 强度较低，此时固化剂对总体强度的贡 献比例相对较大，使得混合料的早期强度大大提高。这就很好的改善了二灰稳定 材料强度形成比较慢的缺陷，也为二灰土后期强度的形成打下良好的基础。 3 4 水稳定性 水稳定性是材料稳定性的一个重要方面，由于硬化粉煤灰路面要使用于道路 的表面，所以此种材料的水稳定性就显得更为重要。 3 4 1 试验方法 试件的制备方法及养生方式与无侧限饱水抗压强度试验相同，养生时间为7 天和2 8 天。在养生期的最后一天，将质量损失不大于1 9 的试件一部分进行饱水， 另一部分则继续养生。达到规定龄期时在路面材料强度试验仪上测得其最大破坏 强度。 试件的水稳定系数的计算公式为： 瓦= 惫 式中：k ，水稳定系数； r 试件的饱水无侧限抗压强度( m p a ) ； 凡试件的非饱水无侧限抗压强度( m p a ) 。 3 4 2 试验结果分析 不同混合料水稳定系数试验结果见表3 4 1 。 表3 4 1不同混合科水稳定性试验结果 混合料类型7 d 水稳定系数 2 8 d 水稳定系数 二灰土0 3 40 4 8 1 t 1 固化剂+ 二灰土0 5 40 7 5 1 也固化剂+ 二灰土0 6 70 8 8 2 t 1 固化剂+ 二灰土o 5 6o 7 2 2 - 2 固化剂+ 二灰土 0 5 6 0 7 5 3 q 固化剂+ 二灰土 o 5 4 o 6 9 3 也固化剂+ 二灰土o 5 00 7 1 图3 4 1低浓度固化剂硬化混合料水稳定系数比较圈 图3 4 2高浓度固化剂硬化混合科水稳定系数比较图 从以上各图表可以看出，加入固化剂后，二灰稳定材料水稳定系数均有不同 程度的提高。其中，7 d 水稳定系数平均增加了6 5 ，2 8 d 水稳定系数平均增加了 5 6 。说明固化剂的加入使二灰土颗粒之间的联结更为紧密，并且有效的阻止了水 对土颗粒基团的浸润，从而增强了硬化二灰土的强度和稳定性。 由图3 4 1 ，图3 4 2 可知，三种固化剂在低浓度时对混合料7 d 及2 8 d 水稳定 系数提高的幅度差别较小。而在高浓度时，1 。固化剂对混合料7 d 及2 8 d 水稳定系 数的提高均表现出较大的增幅，达到9 7 和8 3 。说明高浓度的1 固化剂在提高 二灰混合料水稳定性上具有较好的效果。对比图3 4 1 ，图3 4 2 同时发现，混合料 的水稳定系数会随固化剂浓度的增加亦有所增加，但增加的幅度并不太大，这说 明在固化剂浓度达到一定程度时二灰混合料的水稳定系数也趋于稳定。 另外，对比7 d ，2 8 d 龄期混合料水稳定系数可以看出，随着龄期的增长混合 料水稳定系数也有较大增长。 3 5 冻稳定性 冻稳定性试验是为了测定硬化二灰混合料在水和负温共同反复作用下的强度 变化，这对于硬化粉煤灰路面在较寒冷地区应用有着重要的意义。 3 5 1 试验方法 由于无机结合料的冻稳定性试验目前还没有统一的试验规程。材料的抗冻性 能拟用经受冻融循环的次数和经受一定次数冻融作用后的强度损失来表征，当然 这些指标的大小与冻融的方法有关。 按照测定无侧限饱水限抗压强度的方法制作试件( 每组6 个) ，养生到规定龄 期后饱水一昼夜，在温度为- 2 0 的冰柜中冷冻4 小时( 以试件温度降至- 2 0 时 开始计时) ，然后取出放在加3 的水中溶化4 小时，水面应高于试件顶面2 血 以上，试件间距不小于2 锄，至此为一次冻融循环。让试件经过5 次冻融循环后 测其饱水无侧限抗压强度，并与未经冻融循环试件的饱水无侧限抗压强度进行比 较，其比值称为冻稳定系数，即： 见= 惫 式中：p 。拣融5 次后的冻稳定系数； 民对比试件的饱水无侧限抗压强度( m p a ) ； r 拣融5 次后的饱水无侧限抗压强度( m p a ) 。 因考虑到二灰混合料后期强度增长较大，本抗冻试验采用2 8 d 和9 叫龄期的 二灰混合料试件进行测试。 3 5 2 试验结果分析 试验所得数据见表3 5 1 ： 表3 5 1不同混合料冻稳定性试验结果 混合料类型2 8 d 冻稳定系数9 0 d 冻稳定系数 二灰土o 5 8o _ 6 3 1 固化剂+ 二灰土 o 6 7o 7 1 2 固化剂+ 二灰土 0 7 3 o 7 8 扩固化剂+ 二灰土 o 7 0o 7 3 圈3 5 2冻稳定系数比较圈 一般来讲，材料的抗冻性能与材料中的空隙率、颗粒间的联结强度、液相中 离子浓度等诸多因素有关。其中，颗粒间的联结强度对抗冻性能起主要的作用。 如果颗粒间的联结强度很高，同时又比较密实，能有效降低水的浸入，又足以抵 抗因冻胀作用引起的内应力，则材料就不容易破坏，则抗冻性能就越好，冻稳定 系数也就越高。由以图3 5 2 可以看出，加入固化剂的二灰混合料冻稳定系数均有 一定程度的提高，其中矿固化剂使混合料冻稳定系数提高最大，2 8 d 及9 0 d 冻稳 定系数增幅分别达到2 6 和2 4 。由此可以看出，r 固化剂在改善二灰土抗冻性 方面比其它两种固化剂效果更好。 另外，抗压强度在一定程度上反映了材料颗粒间的联结强度，一般情况下， 抗压强度越高，抗冻性能就会越好。由于固化剂的加入使得二灰土的抗压强度得 到增加，因而，使抗冻性能也得到一定的提高。 2 0 3 6 劈裂强度 劈裂试验又称为无机结合料稳定土的间接抗拉强度试验，它用于测定无机结 合料稳定土( 包括稳定细粒士、中粒土和粗粒土) 试件的问接抗拉强度。 3 6 1 试验方法 本次试验采用预定千密度静力压实法制备试件试件均为高直径- 5 0 衄 5 0m 的圆柱体。试件的制备方法与无侧限饱水抗压强度的方法相同，因考虑到二 灰稳定类材料的强度特征，选择的养生时间分别为7 天、2 8 天和3 个月。整个养 生期间的温度保持在2 5 2 。养生期的最后一天，将试件浸泡水中，水的深度使 水面在试件上约2 5m 。 测试时，将已浸水一昼夜的试件从水中取出，用软布吸去试件表面的可见自 由水。将试件横置在升降台上，以l 姗m i n 的速率测试其劈裂强度。 试件的间接抗拉强度计算公式为： 置= 盖则2 7 3 2 吉旧)1 枷h 、。 式中：p 试件破坏时的最大压力( n ) ； d 试件的直径( 姗) ； 日浸水后试件的高度( 衄) 。 3 6 2 试验结果分析 试验所得数据见表3 6 1 。 表3 6 1不同混合科劈裂强度试验结果 7 d 劈裂强度 2 蹦劈裂强度 9 0 d 劈裂强度 混合料类型 ( m p a ) ( h 心a ) ( m p a ) 二灰土0 0 8 5 0 3 8 5 o 4 5 1 1 固化剂+ 二灰土0 1 2 6 0 4 1 80 4 8 4 矿固化剂+ 二灰土o 1 5 7 0 4 4 10 5 4 1 3 固化剂+ 二灰土 o 1 7 7o 4 0 00 5 0 3 田3 & 1劈裂强度比较图 劈裂强度反应了材料的间接抗拉强度，而抗拉强度则与材料的“原始粘聚力” 和“固化粘聚力”有关。“原始粘聚力”指材料在水分作用下发生团聚，由表面张 力提供的一种自身所固有的粘聚力。“固化粘聚力”指材料在加入外加剂后由外加 剂与材料间起物理、化学反应等所带来的粘聚力。一般来说，“原始粘聚力”对于 同一土质来说变化不大，但是“固化粘聚力”则有较大幅度的变化。由以上图表 可以看出，固化剂的加入使得混合料7 d 劈裂强度平均增加了4 ，2 蹦劈裂强 度平均增加了9 0 ，9 0 d 劈裂强度平均增加了1 2 9 。由此可见，固化剂的加入 对提高混合料的早期的劈裂强度有很明显的作用，大大改善了二灰稳定材料早期 强度较低，强度形成较慢的缺陷。另外，由图3 6 1 可以看出3 + 固化剂使混合料 7 d 劈裂强度提高最多，增幅达到1 鸺；2 + 固化剂使混合料2 蹦、9 叫劈裂强度提 高最多，增幅分别达到1 5 和2 0 ，同时使混合料7 d 劈裂强度增幅也达到8 5 。 因此，从总体效果来看，矿固化剂具有较高的实用价值。对于硬化后的二灰土来 说，其“固化粘聚力”由于新形成的空间网状结构而增强，并且这种结构会随着 龄期的增长而继续增长。 材料的劈裂强度反应了材料中颗粒与颗粒或颗粒与骨料间的连接强度。混合 料经过拌合、压实成型后，其内部发生了物理、化学及物理化学反应，生成的 晶体和凝胶将混合料固体颗粒连接起来，从而形成整体。因此，颗粒间的连接物 质越多，连接的强度越高，抗拉性能就越好，整体性及路用性能也就越好。 3 7 抗压回弹模量 3 7 1 试验概述 路面材料的回弹模量分为动态回弹模量和静态回弹模量。目前，国外多数理 论设计方法采用的是动态回弹模量。这是因为在实际受力情况下，路面所受的荷 载作用时间很短，都是冲击荷载，设计时所用的回弹模量也应该是用动回弹模量。 我国目前所采用的回弹模量相当于国外的静回弹模量。 在我国，室外测量回弹模量的方法有路面结构的分层承载板测定方法以及表 面测弯沉和下层用承载板试验法。测得不同层位上的回弹模量后，利用理论公式 反算上层材料的回弹模量。 室内试验都是采用圆柱体试件，但测量荷载作用下的形变的方法不尽相同。 大致可以分为以下五种： ( 1 ) 电测法：在圆柱体试件中阋壁上粘贴应变片，用应变仪测量圆柱体的回 弹形变； ( 2 ) 顶面法；直接在试件的顶端用千分表测量其回弹形变( 即测量整个圆柱 体的回弹形变) ； ( 3 ) 夹具法：在圆柱体壁上离两端各1 ，6 高度套一个箍，在箍上伸出支架， 用千分表测量中间2 3 圆柱体的回弹形变； ( 4 ) 粘贴法：在圆柱体壁上离两端各l 6 高度粘贴支架，用千分表测量中间 2 居圆柱体的回弹形变； ( 5 ) 室内承载板法：用小承载板在试件中间模拟野外的测定方法。 3 7 2 试验方法 由于顶面法具有试验仪器简易，试验操作过程简单等优点，本试验采用顶面 法测试试件的室内抗压回弹模量值。根据公路工程无机结合料稳定材料试验规 程中顶面法试验之规定，试件采用尺寸为高直径= 1 0 血1 0 恤的圆柱体，龄 期为9 0 天，养生方式与无侧限抗压强度试件养生条件相同，并在试验前饱水2 4 小时，主要仪器是路面材料强度试验仪。回弹模量e 的计算公式为： e 丝 l 式中：e 回弹模量( k p a ) ； p 单位压力( m p a ) ； 日试件高度( 衄) ； l 试件回弹形变( m m ) 。 3 7 3 试验结果分析 试验所得数据见表3 7 1 。 表3 7 1天龄期回弹模量值( m p a ) 混合料类型回弹模量值 二灰土 1 0 1 8 1 固化剂+ 二灰土 1 2 6 1 矿固化剂+ 二灰土 1 1 8 8 3 固化剂+ 二灰土 1 诣6 图3 7 1室内回弹模对比图 回弹模量表征了材料在外力作用下抵抗变形的能力，回弹模量值大的材料， 在相同外力作用下会产生较小的形变，具有较好的力学性能。由以上图表可以看 出，加入固化剂后二灰混合料的回弹模量均有所提高，其中以3 固化剂的增幅为 最大，达到4 6 。这是由于固化剂在混合料中起胶结剂作用，使二灰材料更好的 粘结并且形成整体结构。因此经过硬化的二灰混合料比普通二灰土具有更好的抗 变形能力。 3 8 抗弯拉强度 3 8 1 试验方法 路面材料的抗弯拉强度通常采用梁式试件，本次试验成型的小梁试件尺寸为： 长宽高- 2 柏m 5 0 岫5 0 岫，并以三分点加载法( 如图3 8 1 ) 进行试验。 养生时间分别为7 天和2 8 天，养生期温度控制在2 5 左右，相对湿度大于9 4 。 材料的极限抗弯拉强度计算公式为： s - 掣陋)蚰。、 7 式中；于脚材料的破坏荷载( n ) ； 6 ，j l ，f 梁式试件的宽度，高度和长度( 衄) 。 图3 8 1三分点加藏法示意田 表3 8 1抗弯拉强度结果 类型7 d 抗弯拉强度2 蹦抗弯拉强度 = 灰土0 1 9 50 5 5 9 1 固化剂+ 二灰土0 2 7 30 6 5 0 2 固化剂+ 二灰土o 3 3 1o - 7 1 5 3 固化剂+ 二灰土0 2 7 3o 6 6 3 图3 8 2 抗弯拉试验用小粱试件 3 8 2 试验结果分析 试验结果见表3 8 1 及图3 8 1 3 。 图3 8 3抗弯拉强度对比豳 由图表可以看出，加入固化剂后二灰混合料的7 d 及2 8 d 抗弯拉强度均得到一 定程度的提高。其中，二灰混合料7 d 抗弯拉强度平均增加了5 0 ，2 8 d 抗弯拉强 度平均增加了2 1 。由图3 8 3 可以看出，2 7 固化剂对二灰混合料7 d 及2 踟抗弯 拉强度提高幅度均为最大，分别达到7 0 及2 8 。这表明2 固化剂在提高混合料 抗弯拉强度方面具有最为显著的效果。 由以上结果分析看出，加入固化剂可使二灰混合料的荷载扩散能力得到了提 高，尤其对二灰混合料早期抗弯拉强度的提高贡献更大，从而在一定程度上改善 了二灰混合料强度形成时间较长的弱点，使之成为更适合低等级道路使用的路面 材料。 另外，由于多年来的研究，相关资料总结出了抗弯拉强度和抗压强度的大致 关系表达式。在不具有试验条件时可采用表3 8 2 对抗弯拉强度进行估算。 表3 8 2抗弯拉强度s 与抗压强度r 的关系 材料名称抗压强度r ( m h )关系式 沥青混凝土 2 2s 乩4 5 9 r 石灰土o 5s = 0 2 r 水泥土o j ( 泥含量8 ) 1 3s = 0 1 8 r 水泥稳定砂砾( 水泥含量6 埘) 1 3 s = ；o 2 5 r 水泥稳定矿渣( 水泥含量5 ) 1 0s = l k l 2 r 石灰粉煤灰稳定粒料 o 5 0 7s = o 2 3 r 第四章硬化粉煤灰路面的化学及微观分析 4 1 石灰粉煤灰路面的强度形成机理 石灰粉煤灰稳定土混合料，同土壤等细颗粒材料一样，在压实成型后，是由 固相、液相、气相三相组成。三相之间相互作用的结果，产生了石灰粉煤灰稳定 土的强度等工程性质。在石灰粉煤灰稳定土的强度形成过程中，有三相之间的离 子交换作用：絮凝团聚作用和火山灰作用；以及石灰自身的解离、结晶作用和碳 化作用等。这些作用的进行都是通过液相介质来完成的。从对稳定土强度贡献的 大小来说，石灰与粉煤灰之间的火山灰反应是最主要的作用过程，同时，石灰的 解离作用是所有过程的基础，而石灰与土之间的离子交换作用，絮凝团聚作用则 为石灰粉煤灰稳定土的强度形成提供了有利条件。石灰与土和粉煤灰火山灰物质 的反应以及在结晶作用和碳化作用下又进一步增加了稳定土的强度。 上述基本作用的具体过程可以阐述如下： 1 石灰在水溶液中的解离作用 熟石灰在水溶液中可溶解电离成c a “和o h 一，并散发微量的热。 c a ( o h ) 2 一c a 十+ + 2 0 h 一+ q 这一过程提供了大量的c a “，提高了混合料液相介质的碱性，是后续反应的 基础。 氢氧化钙即使在浓度较低的情况下，也可以产生较强的碱性。如在2 5 条件 下，浓度为o 6 4 2 9 c a o l 的氢氧化钙溶液的p h 值等于1 2 1 0 。当足够量的熟石灰 加入土中后，可使土的p h 值