（材料学专业论文）水泥粉煤灰稳定碎石路面基层材料的设计与研究.pdf

摘要 水泥稳定碎石的抗裂性差以及二灰稳定碎石的早期强度低、施工工艺复杂等 问题已经严重影响到我国公路建设的质量。水泥粉煤灰稳定碎石是一种新近提出 的路面基层材料，其具备了水泥稳定类和二灰稳定类材料的优点，并摒弃了两者 的缺点，具有很好的技术性能。但目前对于该种材料的研究还不够充分、系统， 缺乏有针对性的技术标准与规范，因此严重制约了该种材料的推广与应用。本文 试图通过对材料强度的影响因素、力学性能、配合比设计方法等方面的研究，为 水泥粉煤灰稳定碎石材料的进一步推广与应用提供可靠的理论依据。 本文系统研究了粉煤灰掺量与品质、水泥剂量、集料级配等因素对材料强度 的影响。研究认为粉煤灰掺量为1 0 时，材料的早强存在一个峰值。且材料的强 度与粉煤灰活度指标具有很好的相关性。粉煤灰处于最佳掺量时，通过粉煤灰的 填充、活性等作用，使材料在达到相同强度等级，水泥剂量降低0 5 - 1 ；并且 对集料级配具有更好的适应性能且能使集料4 7 5 m m 以下通过率降低至3 0 左 右；而且能有效提高材料的强度增长率，9 0 d 强度增长率高达3 8 5 左右；同时， 降低回弹模量1 6 左右，对材料的抗裂性能有显著的改善作用。 同时，本文还通过试验研究了体积设计方法，并确定采用集料的捣实密度作 为设计参数，对水泥粉煤灰稳定碎石材料进行了配合比设计并进行了强度验证。 认为体积法完全可以进行包括水泥粉煤灰稳定碎石在内的半刚性路面基层材料 的配合比设计。 此外，本文还通过研究不同s 0 3 含量的水泥对胶砂试块、水泥粉煤灰结合料 以及水泥粉煤灰稳定碎石材料的强度性能的影响，探讨s 0 3 在不同材料体系中的 作用。认为在水泥粉煤灰稳定碎石材料中，不使材料结构破坏和性能变坏的最大 s 0 3 含量可以达到5 ，并通过胶凝性以及孔结构的改善予以解释。 通过对三种典型基层材料的l c a 对比分析以及工程应用研究，对该种材料 的环保性能、旌工工艺、应用效果以及经济效益进行了研究。表明，该种材料是 一种性能良好、经济效益明显且易于推广的环保型路面基层材料。 关键词：水泥粉煤灰稳定碎石路面基层s 0 3 体积法l c a 强度影响因素 a b s t r a c t t h ec e m e n ts t a b i l i z e da g g r e g a t ea n dt h el i m ef l ya s hs t a b i l i z e da g g r e g a t ea r et w ot y p i c a l s e m i r i g i db a s ec o u r s em a t e r i a l s t h ep o o rc r a c kr e s i s t a n c eo f c e m e n ts t a b i l i z e da g g r e g a t ea n dl o w e a r l ys t r e n g t ho rc o m p l e xc o n s t r u c t i o no ft h el i m ef l y - a s hs t a b i l i z e da g g r e g a t ea r ek e yp r o b l e m s a f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fm a dc o n s t r u c t i o ni n0 1 1 1 c o u n t r y r e p l a c i n gs o m el i m ew i t hc e m e n ti nt h e l i m ef l ya s hs t a b i l i z e d a r 第r e g a t e i sae f f e c t i v em e t h o dt oi n c r e a s et h em a t e r i a l se a r l y s t r e n g t h b e c a u s eo f t h el i m eb e i n g ，t h ec o m p l e x t e c h n o l o g i e ss u c ha st h el i m e st r a n s p o r t a t i o n ，l o a d i n ga n d d o l o m i t i n ga l s oc a nn o tb ea v o i d e da n di tw i l lp o l l u t et h ee n v i r o n m e n t i th a sr e p o r t e dt h a tt h e l i m em i g h tr e j e c tt h eh y d r a t i o no f c e m e n ta n dr e d u c et h em a t e r i a l ss t r e n g t h s o , t h er e p l a c i n ga l l l i m ew i t hc e m e n th a sb e e nc a r r i e do u t ，w h i c hi sc a l l e dc e m e n tf l y a s hs t a b i l i z e dh o g g i n r e c e n t l y , l i r l er e s e a r c ha b o u tt h i sm a t e r i a lh a sb e e nc a r r i e do u ta n ds o m ee x p e r i m e n t a ls e c t i o n sh a v eb e e n c o n s t r u c t e d b u tt h es t u d y i n g , e s p e c i a l l ya b o u tt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t ，t h em e t h o dt od e s i g nt h e p r o p o r t i o na n de l e m e n t sa f f e c t i n gm a t e r i a l sp e r f o r m a n c e ，i sn o tp e r f e c ta n ds u f f i c i e n t ，w h i c hi s c o n f i n i n gt h eg e n e r a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no f t h i sm a t e r i a l t h i sm a n u s c r i p ts t u d i e se l e m e n t ss u c ha sc o n t e n ta n dq u a l i t yo ff l y - a s h ，t h ec e m e n tc o n t e n t a n da g g r e g a t e sg r a d a t i o ni n f l u e n c i n gt h em a t e r i a l ss t r e n g t h c o n c l u s i o n si n d i c a t et h a tt h e r ei sa s t r e n g t hp e a kw h e nt h ef l y a s hc o n t e n ti s1o a n da c t i v i t yo ff l y - a s hh a sc o r r e l a t i o nw i t ht h e s t r e n g t ho fc e m e n tf l y - a s hs t a b i l i z e dh o g g i n t oa t t a i nt h es a m es t r e n g t hg r a d e ，t h ec o n t e n to f c e m e n ti nc e m e n tf l y - a s hs t a b i l i z e dh o g g i nh a sr e d u c e db y0 5 1 c o m p a r i n gw i t lc e m e n t s t a b i l i z e dh o g g i n t h i sm a t e r i a lh a sac a p a b i l i t yo fa d a p t i n gw i t hd i f f e r e n ta g g r e g a t e sg r a d a t i o n a n dt h e4 7 5 m mp a s s i n gr a t ec a l lr e d u c et o3 0 t h r o u g ht h es t u d y i n ga b o u tt h em e c h a n i c a l p r o p e r t yo fc e m e n tf l y - a s hs t a b i l i z e dh o g g i n ，t h i sm a n u s c r i p td i s c o v e rt h a tt h em a t e r i a lh a sg o o d s t r e n g t hg r o w i n gp e r f o r m a n c et h a ti t s9 0 ds t r e n g t hg r o w i n gr a t ei s3 8 5 a n di t ss p l i t t i n gs t r e n g t h t h a tt h e7 ds p l i t t i n gs t r e n g t hi s0 3 4 7 m p aa n dt h e9 0 ds p l i t t i n gs t r e n g t hi so 7 0 0 m p aa c c o r dw i t h r e q u i r e m e n ti nt h en o l n l b u tc o m p a r e dw i t hc e m e n ts t a b i l i z e dh n 鳇- , i n ，i t sm o d u l u so fr e s i l i e n c e h a sr e d u c e db y1 6 ，w h i c hi sg o o da ti m p r o v i n gt h em a t e r i a l sc r a c kr e s i s t a n c e t h i sm a n u s c f i p ts t u d i e st h ev o l u m e t r i cd e s i g nm e t h o da n de n s u r e st h ec o m p a c t i n gd e n s i t yi s t h eb e s td e s i g n i n gp a r a m e t e r t h a n ，t h i sm a n u s c r i p td e s i g n st h ep r o p o r t i o no fc e m e n tf l y - a s h s t a b i l i z e dh o g g i na n de x a m i n ei t sf e a s i b i l i t y t h ec o n c l u s i o n sr e p o r tt h a tt h ev o l u m e t r i cd e s i g n m e t h o dc a nb eu s e di nd e s i g n i n go fp r o p o r t i o no fs e m i r i g i db a s ec o u r s em a t e r i a l si n c l u d i n g c e m e n tf l y a s hs t a b i l i z e dh o g g i n i na d d i t i o n ，t h i sm a n u s c r i p ts t u d i e sd i f f e r e n ti n f l u e n c et h a tc e m e n t sw i t hd i f i e r e n ts 0 3 c o n t e n tg i v es a n d - c e m e n tg r o u t , c e m e n t - f l ya s hb i n d e r , c e m e n tf l y - a s hs t a b i l i z e dh o g g i na n dp r o b e t h ea c t i o nt h a ts o sa p p e a r si nd i f f e r e n tm a t e r i a ls y s t e m t h ec o n c l u s i o nd i s c o v e r st h a tt h ec o n t e n t o fs 0 3i nc e m e n tc a l la t t a i n5 i nc e m e n if l y a s hs t a b i l i z e dh o g g i na n de x p l a i n st h em e c h a n i c s u s i n gt h et h e o r yo f i m p r o v i n gt h eg e l a t i n i z a t i o na n da p e r t u r es t r u c t u r e t h r o u g hl c aa n a l y s i so ft h r e er o a db a s em a t e r i a l sa n da p p l i c a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo f e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，t e c h n o l o g i e s ，a p p l y i n gr e s u l t sa n de c o n o m i ce f f e c t sh a v eb e e nr e s e a r c h e d c o n c l u s i o ns h o w st h a tt h ei sae n v i r o n m e n t a lr o a db a s em a t e r i a lw i t hg o o dp e r f o r m a n c e ， o b v i o u s l ye c o n o m i ce f f e c t sa n dc o n v e n i e n c eo f g e n e r a l i z a t i o n k e yw o r d s ：c e m e n tf l y a s hs t a b i l i z e dh o g g i n ，r o a db a s e ，s 0 3 ，v o l u m e t r i cd e s i g nm e t h o d ，l c a ， e l e m e n t si n f l u e n c i n gs t r e n g t h 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的意义与目的 高速公路路面基层是位于路面面层下，路基土层上间接承受路面荷载并传递 应力的功能层。基层的强弱和好坏对整个路面的强度、使用质量和使用寿命都有 十分重要的影响川。基层牢面层好，基层不好面层难保，可见基层对于整条高速 公路的重要性。 目前，我国用于路面基层建设的材料主要是二灰稳定粒料和水泥稳定粒料 i l l 。表1 1 对这两种材料的性能进行了分析。 表1 - 1 我国目前两种主要基层材料的性能分析f 2 1 从表中可以发现：水泥稳定粒料具有承载力高，水稳性和冰冻稳定性好，具 有较强的抗冲刷能力，与下封层有较好的粘结力，施工方便等优点，但存在收缩 性大，易产生裂缝等缺陷。而基层一旦开裂，不仅影响到基层的整体性和承载能 力，而且反射到沥青砼面层，出现反射裂缝并可导致沥青路面结构破坏l j j 。二灰 稳定粒料具有后期强度高，收缩系数小，板体性好，水稳性、抗冻性较好，且能 大量利用工业废料( 粉煤灰) ，经济性好等优点。但同时也存在早期强度低，施 工进度受到限制，表面松散起灰，不利于层间结合，耐冲刷性一般，影响耐久性 等缺点【4 】1 5 1 1 6 1 。 就目前使用情况而言，水泥稳定基层的抗裂性能差和二灰稳定基层的早期强 度低等缺点已经严重影响了我国高速公路基层的建设质量。特别是二灰稳定类基 层材料，为了提高其早期强度，已经采用过很多方法。如在二灰材料中掺加少量 的碱或者硫酸盐【6 ，但这样使原本就很复杂的施工工艺变得更加复杂，且增加了 材料的成本，所以二灰早强低的问题仍然没有得到很好的解决。 针对二灰稳定类材料早期强度低的缺点，在上个世纪末就有研究人员提出在 原二灰稳定类基层材料中添加一定量( 2 3 ) 的水泥，通过利用水泥水化硬化 快的特点来提高二灰稳定类材料的早期强度，满足施工的需要。这也即是水泥石 灰粉煤灰稳定类基层材料。杨锡武等人研究【7 】得出：在固定集料含量为7 0 的条 武汉理工大学硕士学位论文 件下，对于相同水泥掺量的水泥粉煤灰稳定粒料和水泥石灰粉煤灰稳定粒料，后 者的早期强度和后期强度略高于前者；浙江大学峭1 的龚晓南等在研究二灰类材料 时比较系统的研究了水泥、石灰、粉煤灰的掺量对强度的影响，在保持水泥和粉 煤灰用量及其它条件都不变，只改变石灰掺量的情况下，其强度随石灰的掺量的 增大没有明显的增长。也有学者研究发现f 9 】，当石灰掺量继续增加时，水泥水化 的反应程度将会受到抑制，从而降低材料的强度。这是因为石灰的掺入，会在一 定程度上使水泥水化反应向逆反应方向进行1 1 3 l ”j 。另一方面，由于二灰稳定类 材料的应用涉及到生石灰的运输、存放、消解等一系列复杂的工艺，特别是消解 的过程，由于二灰中需要将生石灰块消解为含水量较小的石灰粉，所以整个过程 将给环境带来的极大的污染。 由于石灰的存在并不能明显提高材料的性能，同时还会复杂施工工艺且污染 环境，2 1 世纪初就有人提出直接有水泥粉煤灰稳定路面基层材料 1 o 】【i i 】f 1 2 j ，这样 不仅使材料具有较高的早期强度，同时由于粉煤灰的掺入，也大大提高了材料的 后期强度、耐久性能以及抗裂性能，并且使施工工艺较二灰稳定类材料、水泥石 灰粉煤灰稳定类材料大大的简化。 但目前，国内外针对水泥粉煤灰稳定类基层材料的研究还不够充分，特别是 有关其强度影响因素的研究，以及相关的技术指标和要求，均是参照水泥稳定类 材料以及二灰稳定类材料的。因此，导致了该种新型的路面基层材料的应用与推 广受到了严重的阻碍，从而制约了我国公路建设的发展。 另外，资源和环境问题，在当代社会发展中占有极其重要的位置。当今社会 的发展中自然资源越来越少，而工业废渣越来越多，对社会的污染也越来越严重。 因此寻求整体的高值利用途径，以最大程度滑耗处置这些工业固体废弃物，已成 为国内外社会可持续发展和推动清洁生产的优先开发项目。 就工业废渣粉煤灰而言，目前，我国的粉煤灰年排放量达到1 6 亿吨，累积 堆存达到2 2 亿吨，占地2 9 万公顷。而粉煤灰的总利用率仅为4 5 i l ，怎样合 理应用粉煤灰等工业废渣，如何姆其变废为宝，是国人正着手研究的问题。 随着公路建筑的蓬勃发展，作为最大宗的路面结构材料，路面基层材料的 需求规模十分巨大。根据2 0 0 0 年交通部对1 9 9 8 年到1 9 9 9 年公路建设里程的统计， 按各等级公路的典型结构形式计算，1 9 9 9 年共新建路面基层3 5 亿m 3 。2 0 0 3 年的 新建高速公路有4 8 7 0 公里，加上大量其它公路的建设，路面基层材料的使用量估 计已经超过6 0 亿m 3 。用于基层建设的原材料达到1 2 亿吨以上。可见，路面基层 材料是一种能够大量消纳粉煤灰等工业废渣的材料 16 】。 本文以土壤固化原理、胶凝材料学等为理论基础，以高等级公路基层技术要 求为设计指标，以粉煤灰等工业废渣的综合利用为指导思想，对水泥粉煤灰稳定 武汉理工大学硕士学位论文 碎石这一环保型、高性能的路面基层材料进行设计，并研究该种材料性能的影响 因素以及其对环境的影响，同时，对其在高等级公路上的应用也将进行一系列的 研究。将为我国的公路建设提高一种高性能的、环保型的路面基层材料，并为水 泥粉煤灰稳定材料的进一步推广应用提供可靠的理论依据与技术保证。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 国内外对水泥粉煤灰稳定类路面基层材料进行了一系列的研究，同时也在小 范围内进行了的试验路段的修筑。相关研究主要有如下几个方面： 】2 。1 关于配合比与材料强度- 性能关系的研究 目前，对于水泥粉煤灰稳定类基层材料的研究主要集中于配合比与其强度性 能的关系上。 对于水泥掺量，一般认为材料强度随着掺量的增加而逐渐增加。长安大学【1 o j 的研究就表明水泥粉煤灰混合料中水泥剂量增大，早期强度和模量都有所增大。 但是早期强度和模量增加的幅度则和材料中的粉煤灰掺量成反比，即粉煤灰掺量 越大，则幅度越小，反之亦然。但是重庆交通学院ij 2 通过研究则发现，水泥粉 煤灰稳定材料的强度并不是随水泥剂量的增加而单纯增加的，其中水泥剂量存在 一个最佳值，在这个最佳值下，材料的强度达到最大，他们认为水泥最佳剂量为 7 。 粉煤灰的最佳掺量一直是水泥粉煤灰稳定类基层材料配合比研究中最重要 也是最有争议的问题。对于耪煤灰的掺入是否能够提高材料的强度以及掺入的多 少国内外做了很多研究。重庆公路学院1 12 】等单位研究了配合比为4 ：9 6 的水泥 碎石和4 ：1 l ：8 5 的水泥粉煤灰稳定碎石的7 d 强度，发现采用t 1 的粉煤灰替 代碎石后材料的强度提高1 5 0 。长安大学、交通部科研所【lo l 等单位的研究则表 明，粉煤灰的掺入对该种材料的强度有很大影响。当掺入粉煤灰剂量小于5 时， 材料的早期强度与模量均有所提高，但继续掺入粉煤灰则会降低材料的早期强度 与摸量，而材料的后期强度则会随着粉煤灰掺量的增加两增加。 1 2 2 集料级配的研究以及体积法设计 由于规范还没有具体规定水泥粉煤灰稳定碎石的级配范围，所以设计和施工 单位目前只能参考水泥稳定类和二灰稳定类基层的相应规定，显然，这样的随意 性很大。长安大学1 2 0 】以抗压强度为控制指标，对水泥粉煤灰稳定碎石基层的级 配范围进行了研究。通过研究发现，水泥粉煤灰稳定碎石的级配应该偏粗，上限 为规范中水泥稳定碎石的级配范围的上限，下限则为n = o 7 时的n 幂公式计算值。 体积法设计的基本思路是测定集料压实状态下的空隙率，计算其空隙体积， 集料形成的空隙全部由达到最大干密度状态的结合料填充，使结合料的体积等于 武汉理工大学硕士学位论文 集料的空隙体积。体积法设计混合料所需解决的关键问题是确定混合料体系中的 胶凝材料与集料的比例( 胶集比) 。由于胶集比的不同，混合料会呈现悬浮式、 密实式、骨架式等三种不同的结构形式，混合料所处的结构状态直接影响到材料 的施工性能、强度以及路用性能。如果胶集比较高，则混合料为种悬浮式结构， 则其施工拌和性能很好，但强度以及动稳定性能较差；而当胶集比较低时，混合 料为一种骨架空隙式结构，虽然具有较好的动稳定性能，但由于结合料过少，在 施工过程中容易离析，且匀质性很差。所以，合理的胶集比是体积法设计的关键。 而确定材料胶集比的关键因素是集料的空隙率，具体到体积法设计，实际就是要 确定到底采用集料的哪一种松方密度或采用处于哪种堆积状态时集料的密度作 为设计指标进行设计。 在松方密度这一关键指标的选取上，国内很多单位做了相应的研究。同济大 学林绣贤研究【2 ”认为使结合料的胶结作用和集料的嵌挤作用共同发挥，一实方 的混合料最多只能用一松方的集料。并认为这样集料刚刚靠拢而不密实，剩余的 空隙部分才有可能全被结合料所填充；但在其随后地研究1 2 2 j 又认为：由于现在 高等级公路施工水平的提高，重型压路机的普遍使用，集料占有量可较堆积密度 更多一些，但集料的占有量任何情况下都不得超过振实密度状态。并应控制结合 料的占有体积率须 3 0 以利拌和均匀和充分发挥其胶结作用。一般集料占有量 以处于堆积与振实状态平均值为宜。 杨锡武等人的研究结果【2 3 j 认为集料的最佳含量是7 0 一8 0 ，最佳值是 7 5 。其7 d 龄期的抗压强度随集料含量的增大而减小，但3 0 d ，9 0 d ，1 8 0 d 龄期 的抗压强度随集料含量的增大会呈先增大后减小的抛物线关系。 武汉理工大学沈卫国等人群】通过假定以松堆密度计算的结合料集料比配制 的混合料为密实结构，以振实密度计算的集料结合料比为骨架结构，以松堆密度 计算的胶集比增加8 配置的混合料为悬浮结构对磷石膏改性二灰进行研究。结 果认为悬浮式磷石膏改性二灰的强度比密实式的要高，但在悬浮式结构中集料不 能有效嵌锁，对动稳性不利，以采取密实式为好；用振实密度计算的集结比太大， 结构密实，具有较高的强度，用松堆密实度计算的集结比最合适。通常集料含量 在7 5 8 0 较合理。高等级公路沥青路面设计规范( 讨论稿) 2 5 1 同样也对体积 法设计基层材料时的设计依据做了要求，并推荐使用集料的振实密度进行基层材 料的体积法设计。 1 2 3 水泥粉煤灰稳定类混合料微结构的研究 水泥粉煤灰基层混合料中的粉煤灰含有大量活性s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，能与水泥水 化产物中的c a ( o h ) 2 发生类似于火山灰反应的二次水化反应，生成水化硅酸钙和 水化铝酸钙，同时促进水泥进一步水化，提高混合料的后期强度的作用。 4 武汉理工大学硕士学位论文 重庆交通学院对配合比为4 ：1 5 ：1 0 0 的水泥粉煤灰稳定碎石混合料在 7 d ，2 8 d ，9 0 d 进行了x 衍射和扫描电镜的测试，结果表明【2 7j ，7 d 龄期试样的主要 物质仍为水化氧化物7 - 2 c a o s i 0 2 和3 c a o s i 0 2 ，仅有少量水化硅酸钙凝胶 c s h ( i ) 和氢氧硅酸钙石c 2 s h 存在，水化是初步的；而2 8 d 龄期时，试样的主 要物质为c s - h ( i i ) 和c a ( o h h ，以及c 2 s h 到9 0 d 的时候，试样的主要物质 c s 。h ( i i ) ，c 2 s h 以及c 3 a h 6 以及c 3 a h 和c 3 a h l 3 。同时，他们也对比了配合比 为4 ：1 0 0 的水泥碎石混合料相同龄期的物相，发现掺入粉煤灰后混合料的早期水 化比较缓慢，粉煤灰不但自身没有被活化，反而还稀释了水泥颗粒，所以导致早 期强度随粉煤灰含量的增加而降低。随着龄期的增长，二者物相的区别逐渐减小， 到了9 0 d ，根据化学反应平衡的原理，由于粉煤灰存在而引起的二次火山灰反应， 不断的消耗c a ( o h ) 2 进一步促进水泥水化反应，混合料的后期强度将高于不掺加 粉煤灰的混合料。 1 。2 4 存在的问题 水泥粉煤灰稳定类基层材料是兼俱了水泥稳定类以及二灰稳定类路面基层 材料优点并同时克服两者缺点的一种新型的半刚性基层材料。对于它的研究在国 内外刚刚起步，因此有许多问题需要解决，这些问题的解决对基层材料与工程技 术的进步将起到有力的推动作用。 1 从不同单位对水泥粉煤灰基层材料中粉煤灰最佳掺量的研究来看，目前还没 有一个被确定和广泛认可的值。而且各个单位试验所测定出来的粉煤灰最佳掺量 值的差别很大，最大可以达到5 个百分点之多。粉煤灰的掺入对于该种材料的结 构、性能的影响研究，是搞清粉煤灰最佳掺量的关键，也是水泥粉煤灰稳定碎石 材料配合比设计的关键。 2 路面基层材料强度标准的制定，需要兼顾材料的早期强度与后期强度，特别 是对于水泥粉煤灰稳定类路面基层材料，由于具有潜在火山灰活性的物质粉 煤灰的存在，其后期强度具有很强的增长性能。因此，不能用水泥稳定类材料的 早期强度标准来要求水泥粉煤灰稳定类材料，有必要结合材料的早期强度以及后 期强度的增长性能，合理制定该种材料的早期强度标准，并进一步确定合理的粉 煤灰掺量。 3 目前，针对水泥粉煤灰稳定类材料还没有规范规定的集料级配范围。试图探 讨针对水泥粉煤灰稳定类基层材料的集料级配，特别是4 7 5 m m 以下细集料的含 量以及研究集料级配对于该种材料强度性能的影响对日后制定这一路面基层材 料规范具有很好的指导意义。 4 针对基层材料的体积法设计目前研究的还不是很充分，主要分歧在于集料空 隙率计算时，到底选择哪种松方密度。同时，在国内外，体积法主要应用于二灰 武汉理工大学硕士学位论文 稳定类基层材料的配合比设计，而采用体积法对水泥粉煤灰稳定碎石这一基层材 料进行配合比设计还少有人涉及。 5 水泥中s 0 3 含量，能够显著改善材料的强度、凝结时间、胀缩性等系列性 能。这些特性能显著改善基层材料的抗裂性能和延迟成型时间。s 0 3 在不同的材 料体系中的作用机理与效果也完全不同。由于大量粉煤灰的加入，水泥粉煤灰体 系与水泥砂浆体系具有很多不同，则有关s o ，对材料性能影响的研究对制各适用 于基层稳定专用水泥具有极其重要的意义。 6 随着社会对环保的日益关注，路面基层材料对社会环境的影响也应是材料设 计研究中值得重点考虑的一个方面。但目前有关半刚性基层材料制备过程中对环 境的影响研究还很少得到关注。系统对比研究承泥粉煤灰稳定碎石、水泥稳定碎 石和二灰稳定碎石等三种基层材料的环境负荷值，对于进一步研究环保型路面基 层材料具有很强的理论指导作用。 7 目前，对于水泥粉煤灰稳定碎石材料的应用研究还不完善、不全面、不系统， 无法很好的指导施工。有针对性的研究该种材料在施工中所出现问题及其产生原 因、危害以及防治方法，对于日后包括水泥粉煤灰稳定碎石材料在内的所有半刚 性基层材料的应用都具有很强的实际指导作用。 1 3 研究内容、研究目标与技术路线 1 3 1 研究内容 1 冰泥粉煤灰稳定碎石的强度影响因素与力学性能研究 研究水泥石灰粉煤灰三元结合料系统的强度影响因素，粉煤灰掺量对材 料强度性能的影响、粉煤灰品质对材料强度性能的影响以及集料级配对材料强度 性能的影响。 研究水泥粉煤灰稳定碎石材料的各种力学性能包括早期强度、长期强度、劈 裂强度以及回弹模量。 2 体积法设计水泥粉煤灰稳定碎石路面基层材料 研究按不同松方密度设计出的水泥粉煤灰稳定碎石路面基层材料的强度性能 以及施工拌和性能，选定最佳设计参数。并按照体积设计方法，设计水泥粉煤灰 稳定碎石路面基层材料的配合比。 研究混合料最大干密度以及最佳含水量的设计方法，并采用该种方法进行计 算与实测的结果进行对比分析，并予以验证。 3 s 0 3 对粉煤灰稳定碎石基层材料性能的影响研究 通过应用不同s 0 3 含量的水泥制备水泥砂浆、水泥粉煤灰结合料以及水泥粉 煤灰稳定碎石材料，并比较其强度的变化。揭示适用于水泥粉煤灰稳定碎石材料 6 武汉理工大学硕士学位论文 的水泥其s 0 3 的最佳含量，并对其进行微观解释。 4 不同稳定型材料的l c a 环境评价 用l c a 生命周期评价方法，分析水泥稳定碎石、二灰稳定碎石以及水泥粉 煤灰稳定碎石三种材料对环境的影响。 5 水泥粉煤灰稳定碎石材料的工程应用研究 进行水泥粉煤灰稳定碎石基层的试验路铺设，研究水泥粉煤灰稳定碎石材料 的施工工艺，针对施工中遇到了粉煤灰含水。养生等问题进行系统分析与研究， 并对比研究其应用效果。 1 3 2 研究目标 从不同角度研究粉煤灰品质、集料级配、s 0 3 等因素对水泥粉煤灰稳定碎石 路面基层材料的强度影响，并综合各方面因素探讨该种基层材料的技术要求与指 标。研究不同水泥掺量以及粉煤灰掺量与材料强度的关系，以进一步确定材料的 组成与性能的关系。探讨体积法进行混合料配合比设计时的关键指标，采用体积 法对水泥粉煤灰稳定碎石材料进行配合比设计，并予以验证。通过与其他路面基 层材料的对比研究，确定该种材料的环保效应、技术效应以及经济效应，并提出 一套适合该种材料的施工工艺、流程以及需要注意的问题。 图卜l 本文的技术路线 本文通过研究不同因素对水泥粉煤灰稳定碎石基层材料强度性能的影响，探 武汉理_ 亡大学硕士学位论文 讨该种材料的技术指标与力学性能，并通过研究选定体积设计法的设计参数，并 对该种材料进行配合比设计。在此基础上，对该种材料进行应用研究。本文的技 术路线如图1 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章原材料与实验方法 2 1 原材料 1 水泥 采用华新水泥厂3 2 5 级普通硅酸盐水泥其基本性能与化学分析如表2 1 ，2 2 所示： 表2 1 水泥的凝结时间及强度 不同s 0 3 含量水泥采用磷石膏掺入普通硅酸盐水泥配置而成，磷石膏掺量与 水泥中s 0 3 含量如表2 - 3 所示： 表2 - 3 不同s 0 3 含量水泥的组分 2 石灰 襄樊消石灰粉( 过1 2 5 m m 筛) 有效钙含量6 9 5 ，荆门消石灰( 过1 2 5 m m 筛) 有效钙含量6 8 5 3 粉煤灰 粉煤灰取自湖北荆门、武昌电厂、青山电厂、阳逻电厂、贵阳电厂以及青镇 等地。其中除了粉媒灰品须试验外，其余试验均采用荆门粉煤灰。其物理特性如 表2 4 ，其它几种粉煤灰特性将在后文中详细讨论 9 武汉理工大学硕士学位论文 4 碎石 压碎值1 3 6 ，针片状含量1 1 5 ，表观密度2 7 2 6 9 e r a 3 。除进行级配对材料 强度性能影响试验的碎石外，其余碎石级配均如表2 5 ，图2 - 1 所示： 表2 5 碎石颗粒组成 苫 5 扣 掣 喾 3 1 52 6 51 99 54 7 52 3 60 6o 0 7 5 通过率( ) 图2 - 1 碎石集料的级配曲线 一碎石级配 规范下限 规范上限 - 规范中值 2 2 实验方法 1 基层材料常规力学实验试验 按公路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t j 0 5 7 9 4 ) 进行常规实验， 击实试验执行交通部规范t 0 8 0 4 9 4 ，无侧眼抗压强度执行交通部规范t 0 8 0 5 9 4 ， 劈裂抗拉强度实验见t 0 8 0 5 9 4 ，回弹模量实验见上述规范t 0 8 0 6 9 4 。水泥粉煤灰 结合料用0 5 ，0 5 0 c m 试模成型。用于劈裂抗压和回弹模量的试件中1 5 0 1 5 0 c m 试模成型。 2 。集料的松方密度实验 1 0 蚰 0 武汉理丁大学硕士学位论文 集科的物理力学性能按照公路工程集料实验规程j t j 2 0 0 0 中 有关规程 3 9 1 进行。 其中三种松方密度的测定方法为： ( 1 ) 堆积密度：使石头从容量筒上口5 0 m m 左右的高度自由落入筒内，装满容 量简并除去凸出筒口表面的颗粒； ( 2 ) 振实密度：按堆积密度试验步骤，将装满试样的容量筒放在振动台上( 振 动频率为3 0 0 0 次m i n 士2 0 0 次m i n ，负载下振幅为0 3 5 m m ，空载时的振幅为 o 5 m m ) 振动3 m i n ； ( 3 ) 捣实密度：将试样装入容器到1 ，3 高度，由边至中用捣棒均匀捣实2 5 次， 分3 层将容量简装满。 3 粉煤灰活度试验方法 用粉煤灰等质量取代3 0 水泥的制成胶砂试件，在标准养护条件下，其强度 与石英胶砂基准时间的比值。 4 材料的微观分析方法 ( 1 ) 扫描电子显微镜( s e m ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ) 形貌观察，取5 m m 左右粒状样品( 观察界面形貌时必须含界面) ，用导电胶将样品粘贴在铜质样品 座上，真空镀金后在日本产s x 一4 0 型扫描电镜中观察试样断面微观形貌并照像。 ( 2 ) 汞压入法( m i p ，m e r c u r yi n t r u s i o np r e s s u r e ) 测定孔结构：实验仪器采用 美匡i q u a n t a c h r o m e 公司产p o r e m a s t e r 3 3 6 压汞仪，仪器工作参数为：低压站，汞 的压力范围为3 5 3 5 0 k p a ；高压站，汞的压力范围为1 4 0 k p a 2 3 1 k p a 。样品破碎 为2 5 5 m m 颗粒，经过1 0 5 c 烘干2 4 h 即可进行测试。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章水泥粉煤灰稳定碎石的强度影响因素与 力学性能研究 材料的组成与性能是近代材料科学研究的一个核心问题。半刚性路面基层材 料也是一样，其各方面性能均与原材料的组成及其本身的品质有关，这些因素显 著影响着材料的各方面性能。 对于水泥粉煤灰稳定碎石材料，水泥的剂量、粉煤灰的掺量与品质、以及碎 石集料的级配是影响其强度性能的关键因素。探讨这些因素对于材料强度性能的 影响，是研究水泥粉煤灰稳定碎石路面基层材料的基础。 另一方面，作为一种路面基层材料，水泥粉煤灰稳定碎石材料必须具备合适 的各种力学性能，并符合半刚性基层沥青路面的设计要求。因此，研究该种路面 基层材料的各种力学性能，将为该种路面基层材料的设计与应用提供很好的理论 依据。 本节从水泥一石灰一粉煤灰结合料体系入手，系统研究了各种影响因素对于 水泥粉煤灰稳定碎石这一路面基层材料强度性能的影响；并进一步研究了该种材 料的力学性能。 3 1 水泥石灰一粉煤灰结合料体系的强度影响因素研究 在材料中掺入少量水泥，能有效提高石灰粉煤灰稳定类材料的早期强度。有 研究认为：在水泥石灰粉煤灰结合料体系中，水泥的掺入可提高早期强度；而石 灰的存在，又能起碱性激发剂作用，使粉煤灰在碱性溶液中加快水化反应，提高 材料强度。但另一方面，也有研究认为，石灰的存在可能会抑制水泥的水化反应， 从而降低材料的早期强度，直接采用水泥取代石灰，进行粉煤灰及碎石的稳定， 其性能会更好。 目前，针对这一方面的研究还不够充分，本节通过单纯形- 格子的设计方法， 以无侧限抗压强度为指标对水泥一石灰一粉煤灰三元材料体系进行优化设计，并 试图从水泥化学角度解释其机理。 3 1 1 单纯格子最优设计原理 单纯形格子设计是由s c h e f f e 于1 9 5 8 年提出的用于解决混料问题的设计方 法，该方法奠定了混料试验设计的基础，最基本的混料问题是只受式3 - 1 约束条件 限制的混料问题【3 5 1 。 武汉理工大学硕十学位论文 r0 x i = 】，2 ，3 q 1 l y 1 + x 2 + + x q = 1 ( 3 1 ) 对于这种混料问题，引出“正规单纯形坐标系”。在这个由q 个混科分量所组 成的( q 一1 ) 维空间内取一个高为1 的正规单纯形，则此正规单纯形内任何一点到各 个边界( 或边界面) 的距离之和是1 ，可以把该点至u 各个边界( 或边界面) 的距离看成 是该点的各个单纯形坐标，从而建立起( q 一1 ) 维正规单纯形坐标系1 3 6 。 在该坐标系中，为了研究某项性能指标与各混料分量比例之间的关系式，就要 建立该性能指标与各混料分量之间的函数关系，即回归模型。对于研究个由q 个混料分量所组成的系统来说，其m 阶回归模型是由式3 - 2 所示的c q a 竹n 项组成 的m 阶完全多项式转化而来的m 阶混料规范多项式f 3 7 l 。 y = p 。+ 卢i x i + p 函蜀+ 卢m 础+ ( 3 - 2 ) 对于三分量三阶混料规范多项式为： y = 8 1 x 1 + 3 2 x 2 + ，3 x 3 + 卢, 2 x , x 2 - 4 - 风3 x 1 x 3 + 3 2 3 x 2 x 3 + & 2 x 】x z ( x t x 2 ) + 6 1 3 石l z 3 ( x l - 羔3 ) ( 3 3 ) + 6 2 3 x 2 x 3 ( x 2 一x 3 、+ f l l 2 3 x i x 2 x 3 3 1 2 水泥石灰粉煤灰结合料配合比的单纯格子设计 建立x 1 ( 水泥) - x 2 ( 石灰) - x3 ( 粉煤灰) - - 元结合料系统，采用三阶混料规范多 项式，研究水泥、石灰掺量均小于1 5 的结合料系统的7 d 抗压强度随各材料的 掺量变化规律。其约束条件如式3 4 。 ，0 s x l x 2 0 1 5 o 8 5 x 3 1( 3 - 4 ) l x ，+ 并2 + z 3 ：1 该问题实际上是一个兼有上、下界约束的混料设计问题。所形成的单纯形不 是正规单纯形，因而不能直接采用单纯形格子设计方法。需对3 - 4 式各点进行按 3 - 5 式进行相似转换后，才能将原来的有上、下界约束所确定小单纯形变换成一 个无附加约束的正规单纯形，见式3 - 6 ，这就可以使用单纯形格子设计的方法确 定试验点。 厂z = 盎 j趾羔(3-5) 、0 1 5 1，x 3 0 8 5 c 三3 = 一 武汉理工大学硕士学位论文 广0 s z l ，z 2 ，z 3 1 lz1+z2+z3=1(3-6) 假定结合料的抗压强度与胶凝材料各分量的比例之间符合三阶回归模型，因 而根据单纯形一格子设计的基本原理，在单纯格子坐标系中所选取的试验点见图 3 1 所示，各正规单纯格子试验点坐标与实际配料坐标配置的关系见表3 - 1 所示。 西 0 弱 麒灰 图3 - 1 3 ，3 单纯形