（森林工程专业论文）水泥粉煤灰稳定碎石混合料性能的试验研究.pdf

摘要 目前，按照二灰、水泥稳定碎石的经验来指导水泥粉煤灰混合料的配合比及集料级配， 难免造成施工过程中的盲目用料或施工质量不稳定，从而使得水泥粉煤灰混合料基层在我 国路面结构中应用不多。本论文主要通过室内试验对水泥粉煤灰稳定碎石的性能进行研 究，试验了3 种水泥和粉煤灰比例及5 种级配类型共1 5 种混合料。首先，对各种原材料 性质进行试验分析。然后，对于不同类型的混合料，在尽可能保持其它影响因素相对稳定 的情况下，通过大量的试验，对混合料的抗压强度、抗拉强度和干燥收缩性能随配合比和 集料级配的变化规律进行了试验研究。并在此基础上通过运用不同的理论( 强度形成机理、 干燥收缩机理等) 和分析方法( 方差分析、回归分析等) ，得出水泥粉煤灰比例对混合料 的强度和收缩有显著影响，而集料级配仅对强度形成影响显著。最后，总结出配合比和集 料级配对混合料性能影响的变化规律，探讨其内在依据并提出相应的建议。相信这些结论 和建议会为水泥粉煤灰稳定碎石混合料作为一种主要的路面基层材料类型首次进入相关 规范做准备，并对其在路面结构中的路用性能作进一步评价及推广使用打下基础。 关键诃：水泥粉煤灰稳定碎石配合比级配无侧限抗压强度劈裂强度干燥收缩 e 黼r 便n ts t u 】d y0 np r o p 】噩t t yc o n ，i e n t t oc e m e n t - f l ya s hb o u n dm a c a d a mm d 汀u r e a b s t r l c t a tp r e s e n t ，i ta l w a y sd i r e c t i o i l st l l em i ) 【t i l r er a t i oa f l da g g r e g a t e 擎a d eo fc e m e m n y 髂h b o u n di i l 踮a d a r nm i x m r e a c c o r d i n g t ot t l ee x p e r i e n c eo f l i m e - n y a s hb o u n dm a c a ( i a mo rc e i n e m b o u n dm a c a d 蛐戚x t u r e ni sh a r dt oa v o i dw 舔t i n gm a 州a la n dl a b i l i z a t i o no fm ec o n g 咖c t q u a l i t y t i l e r e b yi tm a d e t h ea p p l i c a 虹o n so f c e m e n t _ n y a s hb o u n dm a c a d a mm i x t i l r eb a i sn o t e x t e n s i v ei nr o a ds u d i a c es 仇1 c 眦o fo u rc o u n yn e p a p c r f b c u s e sm a i n l yo n 出e p r o p e n y o f c e m e n t - n y 嬲hb o u n dm a c a d a mi n j x m r ei n1 a b f i f t e e nd i 髓r e n tt y p e s1 1 1 i x t l l r e t l a v eb c e n s t i l d i e di nt h et e s t ，i n c l u d i n gm r e el 【i i l d so fd i f f e r e n tp r o p o r t i o no fo e n l e n ta df l y 船h 蛆df 押e k i n d so fd i f f 醣n ta g g r e g a t e 舯d c b yk c e p i n g 龇o t h e ri n n u e n c i i i gf a c t o r sr e l a t i v es 诅b l e d 1 1 r i n g m ee x p e r i m e n t ，t i l em a i nf a c t o rw a ss t u d i e d t b ep a p e ra n a l y z e sa n ds t u d i e st l l e r e g i l l a r i t i e s m a tc o l p r e s s i v e s 舰n g m s p l i ts 仃e n g m 粕dt h ed r ys 蛐n k a g ep r o p e m e so f c e r n t - 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论文的顺利完成还得益于王元纲教授、赵尘教授和李国芬副教授等老师的热诚指导和 帮助。在此，向他们致以最诚挚的谢意! 同时，试验期间得到董苏波和张高勤等同学的热心帮助，以及张兴丽、程建、王岗、 邓永忠和庞中燕等学弟学妹的鼎立相助，在此一并表示感谢。 最后，感谢我的父母和兄长。我常年求学在外，一年难得回家一次，让年迈的父母多 了几份牵挂，增添了几许银丝。因为有了父母和兄长的无微不至的关心和殷切的期望，我 才得以潜心完成学业。感谢他们给我的无私支持和理解! 李雨晖 2 0 0 4 年6 月 1 引言 1 1 半刚性材料的发展及趋势 上个世纪8 0 年代，我国公路建设开始进入以高速公路为代表的新历史时期。随着国 民经济持续高速增长，我国公路交通状况又发生了明显变化，交通量增长很快，重载卡车 数量显著增加，超载车辆比较普遍，新交通状况对路面基层提出了更高的技术要求。为适 应交通量日益增加和车辆荷载逐渐增大的需要，采用半刚性路面成为了当前突出的趋势。 半刚性路面基层材料具有良好的力学强度、板体性和水温稳定性等特点，因此，在高级公 路建设中得到了广泛的应用。其中以水泥稳定类材料和石灰粉煤灰稳定类材料为典型代 表。 1 1 1 二灰碎石的发展及趋势 石灰粉煤灰稳定碎石( 也称二灰碎石) 是一种广泛使用的路面半剐性基层材料。我国 的高等级公路普遍采用二灰碎石作为半刚性基层，近十年来先后用以建成了京津唐高速公 路、沪宁高速公路等一批得到社会普遍认可的半刚性路面，对我国高速公路沥青路面建设 具有明显的促进作用。这些高速公路的路面技术和质量总体上已经达到或接近国际先进水 平，但是，也应看到不少半刚性路面还存在使用1 2 年即出现早期路面损害现象的情况， 造成了很大的直接和间接的经济损失。这主要是由于：二灰碎石的早期强度较低，强度随 时间增长也较为缓慢；在强度形成的过程中混合料的水分不断减少造成的体积收缩( 干缩) 及反应结束后的降温过程造成的体积收缩( 温缩) 引起的：另外，由于二灰碎石的抗弯拉 强度明显低于其抗压强度，因而在车轮的荷载下引起较大的拉应力，导致了弯拉疲劳破坏。 目前，针对二灰碎石缺陷弥补的研究正在不断的深入，思路也不断的拓宽，更佳性能的代 用品逐渐进入视野，水泥粉煤灰稳定碎石的研究应运而生。 1 1 2 水泥稳定碎石的发展及趋势 作为典型的半刚性路面，水泥稳定碎石基层具有良好的板体性、较高的强度和抗裂性 能，以及较强的抗变形能力，因此已被广泛应用于高等级公路、城市道路和机场工程，如 南昌九江公路，南宁北海公路，重庆江北机场扩建工程等。 水泥稳定碎石具有足够的力学强度、抗水性和耐冻性。但是，水泥稳定碎石不可避免 地产生收缩裂缝，而且水泥用量越多，裂缝也越厉害。同时，裂缝经常会反射副薄的面层 上，从而影响面层的使用质量和使用寿命。在实际应用中发现，水泥稳定碎石基层主要存 在两方面的问题： ( 1 ) 水泥掺量少，基层的强度和模量太低；水泥掺量大，成本费用过高 ( 2 ) 干缩系数较大，容易产生早期的收缩裂缝。从而导致沥青路面反射裂缝过早的出 现，降低路面的使用寿命 因此，有必要对水泥稳定碎石基层的材料组成或配合比设计进行调整和研究。 1 1 3 水泥粉煤灰稳定碎石混合料的发展及趋势 粉煤灰是火力发电厂排放的废渣，是主要的环境污染物之一，但由于它是具有火山灰 反应性能的硅铝质材料，可用于水泥稳定碎石中以改善拌和物的和易性，增加后期强度， 提高极限拉伸值，弥补水泥稳定碎石性能上的不足。水泥粉煤灰稳定碎石混合料是以水泥 全部或部分代替石灰作粉煤灰的活性激发剂，并掺有一定比例的碎石而形成的路砸基层材 料。在水泥粉煤灰稳定碎石混合料中，集料颗粒问的相互摩擦、嵌挤形成了混合料的骨架， 水泥粉煤灰填充于骨架空隙之内，遇水发生水化反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶 凝物质，这些胶凝性化合物将各个大小骨料粘结成整体，从而构成了水泥粉煤灰稳定碎石 的强度。这种混合料与石灰粉煤灰相比，具有早强、高强、能提前开放交通、在较低温度 条件下施工其强度仍有较大增长的特点。水泥粉煤灰稳定碎石混合料在路用性能、经济性 和环保方面的优势决定了其广阔的应用前景。总的来说，水泥粉煤灰稳定碎石混合料的路 用性能逐渐得到广泛的认可，正在通过各种途径将其性能逐步的开发。 1 2 选题的目的和意义 在路桥建设的实践中，随着我国国民经济的不断发展，要求公路运输事业向大吨位、 高速度的方向发展，公路建设向高等级、高标准的方向发展。这些必然给公路设计者和建 设者在经济效益和技术要求方面提出更高的要求。水泥粉煤灰稳定碎石混合料将以其优良 使用性能与水泥稳定碎石混合料、石灰粉煤灰稳定碎石混合料一起作为高等级公路的主要 路面基层材料。 水泥粉煤灰稳定碎石早期强度高、施工操作性能好、路用技术性能良好，完全能满足 高等级路面基层的规范要求。但是，过去由于经济和道路等级低的原因，这种半刚性基层 材料应用很少，只有在个别施工路段进行补强或为提前工期才被使用。随着我国经济建设 的不断发展，国内大量高等级公路的修建，对基层的要求不断提高，但就目前而言，在这 样的大形势下，水泥粉煤灰稳定碎石混合料基层在我国路面结构中应用不多，对于其在公 路工程建设中的技术性能和施工方式等特性还需要进一步研究，对其在路面结构中的路用 性能作进一步评价，为日后大范围推广应用奠定基础。 本课题主要是通过室内试验的方法，对水泥粉煤灰稳定碎石的性能、强度形成过程和 机理进行较全面系统的研究分析，并以此为基础，提出水泥粉煤灰稳定碎石基层的水泥和 粉煤灰比例和级配范围。以往按照二灰、水泥稳定碎石的经验来指导水泥粉煤灰稳定碎石 混合料的配合比及集料级配，难免会造成不经济或效果不佳，通过本课题的研究可为施工 提供一种可供选择的类型或思维模式，避免施工过程中的盲目用料，减少以施工质量不稳 定为代价的摸索过程，并为水泥粉煤灰稳定碎石混合料作为一种主要的路面基层材料类型 首次进入相关规范作准备，为其推广使用打下基础。 1 3 研究的内容 ( 1 ) 原材料试验，即水泥、粉煤灰、集料的技术性质，确定原材料的物理和化学性质， 试验按交通部颁布的有关标准进行。 ( 2 ) 水泥粉煤灰稳定碎石的无侧限抗压强度的变化规律。按公路工程无机结合料稳定 材料试验规程进行，分别测定7 天、1 4 天、2 8 天、9 0 天和1 8 0 天的无侧限抗压 强度。 ( 3 ) 水泥粉煤灰稳定碎石的劈裂抗拉强度的变化规律。按公路工程无机结合料稳定材 料试验规程进行，分别测定9 0 天、1 8 0 天的间接抗拉强度。 ( 4 ) 水泥粉煤灰稳定碎石于缩系数的变化规律，参照其它复合材料的千缩测定方法进 行。 2 原材料性质 2 1 水泥 水泥是一种水硬性胶凝材料，它与石灰、石膏、水玻璃等气硬性胶凝材料不同，不仅 能在空气中硬化，而且在水中能更好地硬化，并保持和发展其强度，因此，在胶凝材料中， 水泥占有突出的地位。其性质和作用已被人们充分认识并广泛应用于各种工程建设中，可 以说，水泥是工程建设中用量最大的胶结材料 国家对水泥的主要技术性质要求如下： ( 1 ) 细度 细度是指水泥颗粒的粗细程度，它对水泥的凝结时间、强度、需水量和安定性有较大 影晌，所以是鉴定水泥品质的主要项目之一。 国家标准规定：硅酸盐水泥的细度用透气式比表面积仪测定，要求其比表面积大于 3 0 0 r 蝇；其它五类水泥的细度用筛析法，要求在o 0 8 0 蚴方孔筛上不得超过1 0 。 本试验所用水泥为南京龙潭水泥厂生产的双猴牌p o3 2 5 水泥，通过筛析试验，其 细度为2 2 ，满足规范要求。 ( 2 ) 凝结时间 水泥的凝结时间在施工中具有重要意义。为了保证有足够的时间在初凝之前完成混凝 土成型等各工序的操作，初凝时间不宜过短：为了使混凝土浇捣完成后尽早凝结硬化，以 利下道工序及早进行，终凝时间不宜过长。 国家标准规定：六大常用水泥的初凝时间均不得早于4 5 m i n ；硅酸盐水泥的终凝时间 不得迟于6 5 h ；其它五类水泥的终凝时间不得迟于1 0 h 。 由于拌和水泥浆时的用水量多少，对凝结时间有影响，因此，测试水泥凝结时间时必 须采用标准稠度用水量，即水泥拌制成特定的塑性状态( 标准稠度) 时所需的水量。国家 标准规定用标准稠度测定仪测定水泥浆标准稠度的用水量。硅酸盐水泥的标准稠度需水量 一般为2 5 2 8 ( 占水泥重量) 。 本试验所用水泥标准稠度用水量为2 5 2 ，初凝时间为2 h ，终凝时间3 5 h ，满足规 范要求。 ( 3 ) 体积安定性 安定性是指水泥硬化后，体积变化的均匀性各种水泥在凝结硬化过程中，其体积都会 发生一定的变化。如果这种体积变化是在凝结硬化过程中，则对建筑物的质量影响不大； 如果是在凝结硬化之后，则说明水泥中含有过量的游离氧化钙、游离氧化镁或硫酸盐等有 害成份，这些有害成份会在水泥石内部产生剧烈的、不均匀的体积变化，从而使建筑物的内 部产生很大的破坏应力，结果使结构物产生开裂、崩塌等破坏现象因此，体积不安定的水 泥绝对不能使用的。 国家标准规定：由游离氧化钙引起的水泥体积安定性不良可采用沸煮法检验。所谓沸 4 煮法包括试饼法和雷氏法两种。本课题采用雷氏法测定水泥安定性。雷氏法是测定水泥浆 在雷氏夹中煮沸硬化后的膨胀值，若膨胀量在规定值内为安定性合格。 本试验所用的为p o3 2 5 水泥，用雷氏夹测定该水泥安定性时，试件沸煮后，平 均膨胀值为2 3 3 姗，满足规范不大于5 o m 的要求，该水泥安定性合格。 ( 4 ) 强度及强度等级 水泥强度是选用水泥时的主要技术指标，也是划分水泥强度等级的依据。 国家标准规定，采用软练胶砂法测定水泥强度。本试验所用p 0 3 2 5 水泥胶砂试验 测定水泥强度试验结果见表2 1 。 表2 1双猴牌p0 3 2 s 水泥的主要技术指标测试值 f 需水量凝结康。间 h ) 安定性 胶砂强度抗折抗压( m p a ) | )初凝终凝3 d7 d2 8 d f2 5 223 5 合格4 1 7 2 2 4 5 3 2 2 9 96 4 2 3 8 8 可见。本试验采用双猴牌水泥：p o3 2 5 ，经测试主要技术指标均满足规范要求。 2 。2 粉煤灰 粉煤灰是火力发电厂排出的一种工业废渣。它是磨成一定细度的煤粉在粉煤锅炉中燃 烧( 1 1 0 0 1 5 0 0 ) 后，从烟道排出并经收集的粉末，是一种火山灰材料。它通常呈灰 白到黑色，是实心的或空心的球状颗粒，其矿物组成主要是铝硅玻璃体，还有少量石英( n s i 0 2 ) 和奠来石( 3a 1 2 0 3 2s i 0 2 ) 等结晶矿物以及未燃尽的炭粒。粉煤灰的玻璃含量 ( 非晶质材料) 占7 1 一8 8 ，是粉煤灰具有活性的主要组成部分。粉煤灰的主要成分是硅 和铝，次要成分有碳和铁、钙、镁及硫的氧化物，也可能有钠、钾、钛、锰和磷的氧化物。 由于粉煤灰细度以及燃烧条件的不同，粉煤灰的化学成分也有较大波动。其氧化物含量的 波动范围为：s i 0 2 ：4 0 一6 5 ，a 1 2 0 3 ：1 5 一4 0 、f e 2 。3 ：4 一2 0 。据报道，粉煤灰 中各种氧化物的总量常超过8 5 ，氧化钙含量一般为2 一6 ，这种粉煤灰可称为硅铝粉 煤灰，个别地方的粉煤灰含有1 0 一4 0 的氧化钙，这种粉煤灰可称作高钙粉煤灰，含有 足够数量游离石灰的高钙粉煤灰，不需要再加石灰或水泥而能自行硬化。 粉煤灰的结构细密，比表面积小，且对水的吸附能力较小，从而对相同量的石灰或水 泥。其需水量较小。所以，粉煤灰混合料具有干缩性小、抗裂性好，同时也具有水化热低、 抗蚀性好等优点。作为一种硅质的或硅铝质材料，粉煤灰本身很少或没有粘性，但是当以 分散的状态与水和消石灰或水泥混合时，能发生反应，生成具有胶凝性能的水硬性水化产 物，材料的这一性能称为火山灰性质，也即是粉煤灰的活性。正因为这一特性粉煤灰才得 以广泛应用于公路工程。 粉煤灰的技术指标要求如下： ( 1 ) 含碳量 在8 0 0 一9 0 0 温度下能烧失的量) 由于粉煤灰中的含炭量过高会影响其活性，烧失量越大也就是粉煤灰中含炭量越大， 5 则相应的活性组分就少，粉煤灰的活性就降低，所以我国公路路面基层施工技术规范 i j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 规定烧失量不应超过2 0 。 ( 2 ) 氧化物的含量( s i 0 2 + a 1 2 0 3 + f e 2 0 3 ) 粉煤灰中氧化物的含量对水泥粉煤灰稳定碎石混合料的强度有明显的影响，我国公 路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 00 ) 规定粉煤灰中氧化铝、氧化硅和氧化铁的含量 应大于7 0 。 ( 3 ) 细度 粉煤灰的细度也直接影响与水泥火山灰反应后生成物的数量，从而影响到水泥粉煤灰 稳定碎石混合料的强度。粉煤灰的细度越小，比表面积就越大，粉煤灰的活性就越大，水 泥粉煤灰稳定碎石混合料的强度也就越高。我国公路路面基层施工技术规范规定粉煤 灰的比表面积宜大于2 5 0 0 锄g ( 或9 0 通过o 3 m 筛孔，7 0 通过0 0 7 5 i i l l 筛孔) 本课题所使用的粉煤灰是南京热电厂的湿排灰。试验过程中对其进行烘干并进行过筛 处理使其o 0 7 5 姗的筛余量为o ，从而保证粉煤灰的细度，其有效成分的含量见表2 2 所 示。 表2 2 粉煤灰的化学成份和含量组成 注：送江苏省建筑材料研究设计院检测结果 此粉煤灰为典型的硅铝粉煤灰，其氧化物f s i 0 2 + a 1 2 0 3 + f e 2 0 3 ) 含量为9 0 3 2 ，烧失 量为2 3 5 ，可见，各项技术指标均满足规范的要求 2 3 集料 本次试验集料的颗粒组成范围参照的是公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 中关于水泥稳定土的颗粒组成范围的规定。( 见表2 3 ) 表2 3水泥稳定土的颗粒组成范围 筛孔尺寸( m m ) 2 6 51 99 54 7 5 2 3 6o 60 0 7 5 通过质量百分率 ) 9 0 1 0 0 7 2 8 94 7 6 72 9 4 91 7 3 58 2 2o 7 试验所用的集料为石灰岩质碎石，根据公路工程集料试验规程( j t j 0 5 8 2 0 0 0 ) 测 得压碎值为2 6 0 5 ，满足规范不大于3 0 的要求。集料由粗到细分为中碎、小碎、瓜子 片、石屑四种规格。其筛分试验结果见下表，根据级配变化的需要，按各个粒径利用上述 四种规格的集料分别筛分选用。 6 表2 4水泥粉煤灰稳定碎石所用集料的筛分结果 通过下列筛孔的质量百分率( ) 规格 3 1 52 6 51 9 09 54 7 52 3 6 0 60 0 7 5 中碎 9 8 32 9 33 6o 4o 小碎 l o o8 2 5l - 60 瓜子片 1 0 06 8 41 3 83 ，5 o 6o 1 石屑 1 0 09 9 99 7 36 0 72 7 78 8 7 3 室内试验程序及结果 3 1 配合比的确定 进行配合比设计的目的是为了合理地确定混合料的各组成成分的用量，使得组成的混 合料具有良好的结构性能和强度性能，并能满足其作为结构层的一些基本的要求。因此， 混合料的配合比设计的好坏，将直接影响我们所设计的结构层的强度、使用质量和使用寿 命。就水泥粉煤灰稳定碎石混合料基层来讲，混合料应满足以下几个基本要求： 混合料应具有足够的刚度和强度； 混合料应具有良好的耐久性，水温稳定性和冰冻稳定性； 混合料应具有足够的抗冲刷能力： 混合料的温缩和干缩应较小； 混合料应易于摊铺和压实，并能达到良好的平整度； 混合料应经济适用，达到节约的目的。 3 1 1 水泥粉煤灰与集料之间的比例确定 水泥与粉煤灰的含量与许多因素有关，水泥和粉煤灰是水泥粉煤灰稳定碎石的结合 料，它赋予了水泥粉煤灰稳定碎石的半刚性性质。水泥粉煤灰含量过多，易使材料温缩和 干缩过大，致使混合料的抗裂性和耐久性降低。而水泥粉煤灰含量过少，则难以填满骨料 问的空隙，使结构层的强度、板体性无法得到保证。 此外，为保证水泥粉煤灰稳定碎石基层的强度和良好的收缩性，确定其集料的最佳比 例范围也是很必要的。集料比例除影响混合料强度外，还影响其收缩性。集料比例过大， 则施工中易产生离析现象，比例过低易产生收缩裂缝。 这里我们尝试借鉴二灰碎石混合料的配合比经验来选取水泥加粉煤灰与集料之间的 比例，即考虑将二灰碎石混合料中的石灰加粉煤灰替换为水泥加粉煤灰在我国通常使用 两种类型石灰粉煤灰集料混合料，一种是密实式的，即集料含量占8 0 8 5 ，同时具有 规定的级配石灰加粉煤灰含量为2 0 1 2 ，起填充集料空隙和粘结作用；另一种是悬 浮式，即集料仅占5 0 6 0 左右，不要求集料具有一定级配，集料悬浮于石灰和粉煤灰 混合料之间，该混合料类型施工方便。就抗冲刷能力和收缩性能而言，密实式混合料明显 优于悬浮式混合料。依据已有研究成果，当集料含量为6 0 8 0 时，随着集料含量的增 加，混合料的抗压强度也随之增加，但集料含量超过8 0 时，其抗压强度反而随之降低。 鉴于以上原因和已有二灰碎石混合料的经验，以及时间的关系，本课题只采用8 0 集 料含量的密实型混合料，即水泥加粉煤灰：集料= 2 0 ：8 0 。 3 1 2 水泥与粉煤灰比例的确定 我们认为水泥与粉煤灰的比例是集料性质、粉煤灰性质和要求的混合料强度增长率的 函数。从水泥与粉煤灰的作用来看：在水泥粉煤灰稳定碎石混合料中，水泥粉煤灰既起填充 集料空隙的作用，又起粘结作用水泥中有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙及铝酸二钙与水 反应，产生氢氧化钙，这样粉煤灰中的氧化硅和氧化铝都要与之发生火山灰反应。水泥用量 过多强度固然高，但不仅造成成本费用过高，而且产生收缩裂缝，降低路面的使用寿命； 粉煤灰用量过多，则会有部分的粉煤灰未能参加反应，而且因为水泥比例太低，施工中拌 和不易均匀，从而使水泥的存在失去意义。这都不利于水泥粉煤灰稳定碎石基层的刚度和 整体性。因此，水泥与粉煤灰的比例选择是否得当，将直接影响水泥粉煤灰稳定碎石混合 料内部的反应程度，进而对水泥粉煤灰稳定碎石的一系列性能产生影响。 据有关研究表明，对于同一类型水泥稳定类材料，其抗冲刷能力随着水泥剂量的减少 而缓慢减弱，但下降到一临界水泥含量( 一般为4 左右) ，抗冲刷能力将急剧降低。因 此，水泥稳定类材料，水泥含量不宜低于4 ，但也不宜过高，过高易使基层裂缝增加。 另一方面，粉煤灰是火力发电厂燃烧粉煤的副产品，其主要成分与水泥的主要成分基 本相同，区别在于二氧化硅和三氧化二铝含量较大，而氧化钙含量较低，一般为2 6 ， 因此一般情况下粉煤灰只是一种惰性材料，只有与水泥水化时产生的氢氧化钙不断结合， 生成不溶、安定的硅酸钙，才具有一定的强度。在这一过程中，吸收了水泥中的碱。因此 适当粉煤灰的加入可以大大降低了水泥发生碱集料反应的可能性。研究表明，在水泥掺量 为胶凝材料重量的2 5 时，水泥水化的碱度，可以使得粉煤灰的活性得以完全发挥。 在本课题中，考虑到质量和经济的原因，以及考虑充分发挥水泥粉煤灰的粘结性，这里 采用1 ：4 、1 ：3 和1 ：( 7 3 ) ，并希望通过对它们进行比较，确定一个最佳比例关系 综上所述，本课题采用的水泥粉煤灰与集料之间的比例为2 0 ：8 0 ，水泥与粉煤灰之间 的比例为1 ：4 、1 ：3 和1 ：( 7 3 ) ，分别用代号见于表3 1 。 表3 1配合比表 一泌芝 123 名称 水泥粉煤灰：碎石 2 0 ：8 02 0 ：8 02 0 ：8 0 水泥：粉煤灰 1 ：41 ：31 ：( 7 ，3 ) 水泥：粉煤灰：碎石 4 ：1 6 ：8 05 ：1 5 ：8 06 ：1 4 ：8 0 3 2 集料级配的确定 从基层的级配碎石( 砾石) 、水泥稳定碎石、二灰稳定碎石，到面层的沥青混凝土和水 泥混凝土，都要根据现场材料实际情况，把大小不同的碎石混合在一起，然后根据需要掺入 一定数量的结合料( 如水泥、石灰、粉煤灰、沥青等) 以组成路面材料。 一般来说，具有良好级配的集料与适当比例的水泥粉煤灰在最佳含水量状态下经混合 形成的混合料，通过机械压实，养生后是可以得到性能优良的水泥粉煤灰稳定碎石基层的。 为了使级配碎石具有较高的强度和刚度，首先要严格选材，控制碎石原材料强度，压 碎值和集料中o 5 m m 细料的塑性指数、集料针片状含量指标在规定范围内，同时确保集料 干净，其次是控制级配组成，这是取得良好嵌挤力，达到高密实度、高强度和具有良好透 水性等关键因素。 集料的级配可分为连续级配和间断级配。连续级配是石子粒级呈连续性，b p 颗粒由小 到大，每级石子占一定比例。用连续级配的骨料配制的混合料和易性较好，不易产生离析 现象。此种级配是目前最常用的。间断级配也叫单粒级级配，间断级配是人为地剔除骨料 中某些粒级颗粒，从而使骨料级配不连续，大骨料空隙由小几倍的小粒径颗粒填充，降低 石子的空隙率。由间断级配配制成的混合料，可以节约水泥。由于颗粒粒径相差太大，容 易产生离析现象，导致施工困难。 目前，我们常用的级配理论，主要有最大密度曲线理论和粒子干涉理论。最大密度曲线 理论主要用于描述连续级配粒径分布，可用于计算连续级配而粒子干涉理论，不仅可以计 算连续级配，而且也可用于计算间断级配，进行级配设计的基本要求是要使混合料满足最 小空隙率、最大摩擦力和混合料的比表面积总和适当，以达到密度最大，集料空间骨架排列 紧密，拌和料最为节俭的目的 考虑到本课题是应用性的基础研究，在试验中，在参考公路路面基层施工技术规范 ( j t j0 3 4 2 0 0 0 ) 中关于水泥稳定土的颗粒组成范围所规定的3 # 级配范围的前提下，如表 2 3 ，我们决定选用五个连续级配：级配下限，级配上限，级配中值，级配中值与级配下 限之间的某一级配，超本规范的、粗多细少的级配类型，分别用代号a 、b 、c 、d 、e 来表 示。特别说明的是对于d 、e 两种级配类型来讲，相对其他三组是集料偏粗的级配，主要 是基于前期相关试验者李强明和况小根所证实的在二灰碎石中，石灰加粉煤灰的部分应视 为集料级配组成的一部分，也即是说，石灰和粉煤灰无论其作为胶凝材料，还是作为填充 材料，它们都属于固相体，应作为一种特殊的集料与矿质集料一起互相挤压密实，石灰加 粉煤灰应充当细集料的组成部分，2 3 6 m 以下集料的通过量宜下调。也即对于混合料的 集料组成而言，可以适当降低细集料的含量，相应的增加粗集料的含量，集料总体偏粗。 参照此结论，我们希望通过这一试验检验水泥加粉煤灰是否具有这一性质。混合料集料级 配数据见表3 2 ，级配曲线图见图3 1 至图3 3 。 表3 2集料级配组成表 级配通过下列筛孔的质量百分率( ) 组成特征描述 代号 3 1 526 51 99 54 7 5 2 3 60 60 0 7 50 a1 0 09 07 24 72 91 7800规范范围下限 b1 0 01 0 08 96 74 93 5 2 27o 规范范围上限 c1 0 09 58 0 55 73 9 2 61 53 5o 规范范围中值 d 1 0 0 9 27 55 03 21 91 020 规范中值偏下，细少粗多 e1 0 08 46 33 52 01 l500超规范下限，细少粗多 1 0 图3 - 1a 、b 、c 混合料级配曲线 图3 - 2d 混合料级配曲线 图3 - 3e 混合料级配曲线 1 1 综合3 1 和3 2 所述，本课题采用三个配合比和五个级配，共配制成1 5 组混合料， 每组混合料代号见表3 3 。 表3 3 混合料代号 级配 abcde 配合比 1 a 1b 1c 1d 1e 1 2 a 2b 2c 2d 2e 2 3 a 3b 3c 3d 3e 3 3 3 试验方法 3 3 1 重型击实试验 ( 1 ) 混合料中集料各种粒径用量的计算。试验用的混合料种类较多，为确保各种混 合料级配组成的可行性和稳定性，分别筛分四种原材料，按大小分别储存，以便选用。不 同级配组成各粒径集料所需用量的计算与集料的筛分试验计算刚好相反，现以a 1 混合料 为例计算其各粒径集料用量，见表3 4 。 表3 4a 1 混合料集料各粒径用量的计算 粒径( 衄) 2 6 51 99 54 7 5 2 3 6 0 6 0 0 7 5 通过率( )9 07 24 72 91 78o 累计筛余( ) 1 02 85 37 1 8 3 9 21 0 0 分计筛余( ) 1 0 1 8 2 5 1 81 298 每5 5k g 用量( g ) 4 4 07 9 21 1 0 07 9 25 2 82 9 63 5 2 ( 2 ) 重型击实试验。本试验法适用于在规定的试筒内，对水泥稳定土( 在水泥水化 前) 、石灰稳定土、石灰( 或水泥) 粉煤灰稳定土进行击实试验，以便绘制含水量与于密 度的关系曲线，从而确定其最大干密度和最佳含水量，为下一步试验做准备。本课题用的 最大粒径为2 6 5 册，根据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 ) 选用 丙类击实方法，其主要参数见表3 5 表3 - 5击实试验参数 试筒尺寸 容许 类 锤的锤击面 落高锤击 每层平均单 质量 直径内径高容积锤击 位击实 最大 别 ( c m )层数 次数功( j ) 粒径 ( k g ) ( c m ) ( c m )( c m )( c 群) ( n ) 丙4 55 o4 51 5 21 2 o2 1 7 73 9 8 2 6 7 7 4 0 ( 3 ) 最佳含水量和最大干密度的确定。对每种级配的混合料进行重型击实试验，测 定其不同含水量对应的干密度，并作出干密度与含水量的关系曲线图。根据所作的曲线， 最后确定该种混合料的最大干密度和最佳含水量。以a 1 、a 2 为例，见图3 4 、3 5 。 图3 - 4a 1 混合料击实曲线 圈3 - 5a 2 混合料击实曲线 从图中可以得出a 1 的最大干密度为2 1 6 9 锄，最佳含水量为8 5 ，a 2 最大干密度 为2 1 5g 锄，最佳含水量为8 3 。 所有混合料的最佳含水量及最大干密度值最终结果见表3 6 。 表3 6不同类型的级配最大干密度最佳含水量结果表 3 3 2 试件的制作和养生 根据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 ) 规定，经过无机结合料 重型击实试验得出最大干密度和最佳含水萤后，就可以进行混合料试件的制备。本试验采 用静力压实法制备试件，试件的规格为西1 0 0 唧1 0 0 衄，试件成型后用塑料袋密封保湿， 并在2 0 2 的条件下养生，养生龄期视性能测试所需而定。 3 3 3 无侧限抗压强度试验 把养生至不同龄期的试件放入k z y 一3 0 0 型抗折抗压试验机上，进行抗压试验。试验 过程中，应使压力等速增加。记录破坏时的最大压力p ( n ) 。 试件的无侧限抗压强度r c 的计算： r ，= p a = 0 0 0 0 1 2 7 _ p i f p a ) 式中：p _ 试件破坏时的最大压力( n ) a 试件的截面积( a = nd 2 4 ，d _ 试件的直径，单位m ) 3 3 4 间接抗拉强度试验( 劈裂试验) 把养生至不同龄期的试件放人沥青混凝土马歇尔稳定度仪上，在试件的上下面分别放 置一压条。( 上下压条与试件的接触线必须位于试件直径的两端，并与升降台垂直) 在试 验过程中应使试验的形变等速增加，并保持速率约为1 m m i n 。记录试件破坏时的作用力 p ( n ) 。 表3 7本试验所采用的压条尺寸 试件尺寸( m m )宽度( m m )弧度半径( 衄) 1 0 0 1 0 01 2 7 05 0 间接抗拉强度的r ：计算： 吩= o 0 0 6 2 6 3 p 日 渤) 式中：p _ 试件破坏时的作用力( n ) h 浸水后试件的高度( i i r i ) 3 3 5 干缩试验 无机结合料稳定材料经拌和压实后，由于混合料内部发生水化作用，混合料的水分会 不断减少。由于水分的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物 晶体或凝胶体层间水的作用和碳化收缩作用等会引起无机结合料稳定材料产生体积收缩， 无机结合料稳定材料的这一性能称为干缩性能。本次试验只考虑一定养生龄期的试件由于 水分蒸发作用而产生的体积收缩。描述于缩性能试验指标主要有失水量、失水率、干缩应 变、干缩系数、平均干缩系数等。 干缩量( l ) 是指水分损失时试件的收缩量，1 0 一m ； 失水量( w ) 是指试件失去水分的质量，g ； 失水率( 口。) 是指试件单位质量的失水量，： 千缩应变( ) 是指水分损失引起试件单位长度的收缩量，1 0 一； 干缩系数( ) 是指某失水量时，试件单位失水率的干缩应变，1 0 一； 上述指标的关系如下： = l ，l a 。= w a d = 岛a 。 式中：l 试件的初始高度 巩试件的初始质量 测试试件的规格为m l o om m 1 0 0i 哑。先把静力成型法制作的试件标养到一定龄期， 再进行测试。测试前试件未浸水，钡i 其初始高度和质量，放入恒温箱内干燥，间隔9 0 m i n 1 2 0 m i n ，用千分尺测定其不同失水量下的应变值，直到恒重为止。 3 4 试验结果 3 4 1 抗压强度试验结果 表3 8抗压强度测试值 代号龄期( 天) r c ( m p a )s ( m p a )c v ( )r c o m 5 p 砷 74 1 10 3 9 69 63 4 6 1 46 8 20 8 l o1 1 95 4 8 a 12 8 7 6 10 9 6 61 2 76 0 3 9 01 2 2 40 7 2 05 91 i 0 5 1 8 01 5 5 60 4 6 43 o1 4 7 9 74 7 2o 6 1 91 3 13 7 0 1 48 3 70 8 3 71 0 o7 0 0 a 22 8 9 2 90 7 9 58 ，67 9 8 9 01 2 5 7o 4 1 13 31 1 8 9 1 8 01 4 8 0o 4 2 l2 81 4 1 1 75 6 00 5 1 09 14 7 7 1 48 8 40 5 7 96 57 8 9 a 3 2 81 1 2 60 3 3 53 0l o 7 l 9 01 5 8 5o 8 6 l5 41 4 4 3 1 8 01 7 3 7o 6 3 63 71 6 3 2 续表3 8 代号龄期( 天) r c ( m p a )s ( m p a ) c vc ) r c 0 0 9 5 ( m p a ) 75 6 10 3 7 06 650 0 1 46 1 90 5 2 l8 45 3 3 b 1 2 81 0 2 5o 9 2 59 o8 7 3 9 01 37 1o 8 4 66 2 1 2 _ 3 2 1 8 01 5 1 8o 1 7 l1 11 4 9 0 76 3 5o 5 3 2 8 45 4 7 1 47 4 4o 7 0 5 9 56 2 8 b 2 2 81 1 1 4o 8 7 8 7 99 7 0 9 01 4 6 3o ，5 6 23 8 1 3 7 0 1 8 01 7 2 2 o 8 7 25 11 5 7 8 77 4 3o 4 2 9 5 86 7 3 1 49 7 4o 9 2 6 9 58 2 1 b 3 2 81 2 8 3o 6 3 2 4 91 1 7 9 9 01 6 0 2o 9 1 0 5 71 4 5 2 1 8 01 9 0 4o 7 5 2 4 01 7 8 0 75 5 7o 3 3 1 5 95 0 2 1 46 0 0o 3 7 7 6 35 - 3 8 c 12 89 2 4o 6 8 5 7 48 1 l 9 01 2 4 80 7 6 2 6 11 1 2 3 1 8 01 4 ，4 l0 8 4 1 5 t 81 3 0 3 76 2 80 7 1 3 1 1 45 1 1 1 46 9 90 4 2 5 6 】6 2 9 c 22 8