（道路与铁道工程专业论文）重庆低活性粉煤灰在基层中的应用研究.pdf

捅要 我国对粉煤灰在公路建设中的运用研究 在技术上已比较成熟 粉煤灰在公路建设 中主要用于半刚性基层 半刚性基层是重庆乃至全国高速公路最常使用的基层 底基层 结构型式 具有强度高 刚度大的优点 但其收缩裂缝问题至今仍困扰着公路工程界 重庆地区粉煤灰活性较低 在公路建设中很少应用 这对当地环境造成极大得污染 论 文依托渝隧高速碎石研究项目 通过对比西安粉煤灰z 对重庆粉煤灰l 和重庆粉煤灰 y 在公路半刚性基层中的运用进行了研究 论文介绍了国内外粉煤灰在公路基层中的运用概况和研究现状 通过对粉煤灰激活 原理进行分析 针对重庆地区粉煤灰活性普遍较低的特性 使用多种激活方法对粉煤灰 活性进行激发 主要通过石灰激发 石灰与激活剂a 复合激发 水泥激发 水泥石灰复 合激发 水泥与激活剂a 复合激发进行结合料强度试验研究 选取有水泥掺加情况下合 适比例和石灰 激活剂a 情况下的最佳比例和最佳剂量 对几种级配运用贝雷法进行评 价 选取合适的级配作为混合料路用性能验证试验的集料级配 对各比例和不同激活剂 剂量的结合料应用体积设计法进行混合料配合比设计 对于同一级配下的集料 二灰稳 定类采用结合料紧密填充集料空隙 水泥粉煤灰稳定类则采用不同的预留空隙率进行混 合料配合比设计 以力学特性 无侧限抗压 劈裂抗拉 刚度特性 抗冲刷特性 抗 裂性 温缩 干缩 为技术指标 考察其诸项路用性能 综合分析确定了粉煤灰在半刚 性基层中较好的应用方法 文中运用了灰色系统理论的基本方法 分别对同级配水泥粉 煤灰稳定类和二灰稳定类混合料的诸项路用性能进行了综合评价 为重庆地区粉煤灰在 高等级路面中的运用提供了有力的依据 关键词 半刚性基层 路用性能 试验研究集料级配 灰色系统 ab s t r a c t t h e 印p l i c a t i o nr e s e a r c ho fn ya s hi nc h i n a sh i 曲w a yc o n s t l l j c t i o nh a v em a j l yy e a r s a n d t h et e c h n i q u eh a sm o r em a t u r e f l ya s hi nh i g h w a yc o n s t m c t i o nm a i n l yu s e df o rs e m i r i g i d b a s e s e m i r i g i db a s ei nh i 曲w a yc o n s t r u c t i o ni sm o s tc o m m o n l yu s e db yb a s eo rs u b b a s ei n n a t i o na n dc h o n g q i n g w i t hs t r e n g t ha n ds t i f m e s so ft h eb i ga d v a n t a g e s b u tt h ep r o b l e mi s t h a ts m n k a g ec r a c k ss t i l lt r o u b l e dt h ee n g i n e e r i n gi nh i h g w a y c h o n g q i n g sn ya s hi sl o w e r a c t i v i t y s oi ti sv e r af e w a p p l i c a t i o ni nh i 曲w a yc o n s t m c t i o n a n dt h er e s u l ti st h a tl o c a l e n v i r o n m e n tw a sp o l l u t e d t h ep a p e r sr e l y i n go ny r u s u i 黟a v e l p r o j e c t t h ea p p l i c a t i o n r e s e a r c hi ns e m i i i i g i db a s ef o rc h o n g q i n g l u o h u a j l gp o w e rp l a n ta n dc h o n g q i n gp o w e rp l a l l t b yc o n 昀s tx i a nb a q i a 0f l y a s h p a p e r sp r e s e n t e dt h eu s eo fn y a s hi 1 1b a s ea th o m ea n da b m a d t h r o u 曲t h ea n a l y s i sf o r t h ea c t i v a t i o np n c i p l eo fn ya s h b e c a u s et h ef l y a s ho fc h o n g q i n ga r e ah a s1 0 w e r a c t i v i t y g e n e r a l l y s ot os t i m u l a t et h ea c t i v i t yo f f l ya s hw i t hv a d e t yo fm e t h o d s t h e i ra r es e v e r a l m e t h o d st oe x c i t em ea c t i v 毋o f f l y 嬲h s u c ha st h r o u 曲l i m e l i m ea n da t i v a t o ra c 锄e n t c e m e n ta n dl i m e c e m e n ta n da t i v a t o rae t c s oa st 0d ob i n d e rm a t e a ls t r e n g m t e s t s e l e c taa p p r o p r i a t ep r o p o r t i o no fc a s e sw i t hc e m e n tm i x i n g a n ds e l e c tt h eb e s t p r o p o r t i o nw i t hl i m ea j l da t i v a t o ra t oe v a l u a t es e v e r a la g g r e g a t e 黟a d a t i o nb yb a i l e ym e t h o d s e l e c t 印p r o p r i a t e 黟a d a t i o n 嬲a g g r e g a t e 黟a d a t i o nf o rm i x t u r er o a dp e r f o r n l a i l c e i 1 1 v e r i f i c a t i o nt e s t b yv o i dd e s i g np r o c e d u r et od e s i g nd i f i e r e n tm i x t u r e f o rt h es a m e g r a d a t i o n o f a g g r e g a t e l i m ea n dn ya s hm i x t u r eu s e di nc l o s et h eg a pf 1 1 l e ra g g r e g a t e c e m e n ta i l df l y a s hm i x t u r ew i md i f f e r e n tr e s e e dv o i d a g et od e s i g nt h em i x t u r e a l s o b yt h ee x p e r i m e n t s o fm e c h a m c a lp e r f o m l a n c e u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n 百h t h ec l e a v a g es t r e n 舀h a n t i b m s h i n gp e r f o n n a n c e a n d a n t i c r a c k i n gp e r f o 肌a j l c e t h e m o c o n t r a c t i o n d r y n e s s c o n t r a c t i o n a n dt h r o u 曲c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h en ya s ht od e c i d et h ew a yo f n ya s hi ns e m i 一一g i da p p l i c a t i o n t h ep 印e rb yu s i n gt h em n 1 锄e n t a lm e t h o do f 黟e ys y s t e m t h e o 叫 t oe v a l u a t et h em i x t u r eo ft h er o a dp e r f o m a n c e f o rt h en ya s ha p p l i c a t i o ni n 1 1 i 曲一伊a d er o a df o rc h o n g q i n ga r e ap r o v i d e sas t r o n gb a s i s k e y w o r d s e m i n g i db a s et e s t i n gr e s e a r c h a g g r e g a t eg r a d o n r o a dr e l a t e dp e r f o n n a n c e t h eg r a ys y s t e m 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 锄 弘 捕 月r 目 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 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 气旁如 导师签名 二荔弋 舛乡月 日 年 月 日 j i k 安人学硕l j 学化论文 第一章绪论弟一早三石v 匕 1 1 问题的提出及研究意义 伴随着我国国民经济和社会建设的快速发展 公路建设事业也突飞猛进的发展 高 等级公路的里程不断增加 1 9 8 9 年仅为2 7 1 公里 到1 9 9 9 年突破1 万公里 2 0 0 0 年底 高速公路通车总里程己达到1 6 万公罩 截至2 0 0 6 年底已经突破了4 6 万公里 稳居世 界第二位 根据交通部国家高速公路网规划方案 到2 0 3 0 年 我国高速公路通车总里 程将增至8 5 万公里 经过改革开放短短十几年的飞速发展 我国高速公路从无到有直 到世界第二 高速公路建设的巨大发展 对经济建设起到了巨大的作用 然而我国高速公路目前存在较为严重的问题 国内已建高等级公路早则1 2 年 迟则3 6 年 均发生程度不同的早期破坏 提前设计寿命十年或者更多就进入大修 早期破坏有两类 一类是高速公路在1 2 年就发生车辙 坑槽 剥离等破坏 一般与 设计 施工过程有关 通过有针对性的措施一般能得以解决 另一种具有很大普遍性的 病害是我国已建成高速公路能够达到设计寿命的比例太低 路面大幅提前达到设计寿 命 产生疲劳破坏 在我国建成或正在建设的公路中 半刚性路面和刚性路面是目前高等级公路路面的 主要结构类型 其中高速公路以半刚性基层沥青路面为主 城市道路以水泥混凝土刚性 路面结构为主 据统计 我国9 0 以上的高等级公路沥青路面的基层和底基层均采用了 半刚性路面结构 由于国内已建成高速公路不同程度的发生早期破坏 早期破坏产生的 原因很复杂 涉及到施工质量 路面结构与材料设计 超载重载运输以及养护策略 技 术 质量等方方面面的可控的因素 半刚性基层是重庆乃至全国高速公路最常使用的基 层 底基层结构型式 具有强度高 刚度大的优点 但其收缩裂缝问题至今仍困扰着公 路工程界 对长寿命 高耐久性的半刚性材料进行研究以解决目前高速公路早期破坏严 一重f 反射裂缝难以克服的问题 有很大的意义i 一 基层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结构层 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 因此作为高 等级公路路面的基层必须具备以下六个技术要求 有足够的强度和刚度 有足够的水稳性和冰冻稳定性 有足够的抗冲刷能力 第一章绪论 无论干缩还是温缩要小 有足够的平整度 与面层结合良好 无机结合料稳定类半刚性材料作为基层也正是适应了这六种技术要求 半刚性基层 突出具有如下优点 1 强度高 一般来说 半刚性基层材料具有较高的强度 且它们都具有随龄期不 断增长的特点 因此半刚性基层沥青路面通常具有较小的弯沉和较强的荷载分布能力 从弯沉来看 国内大多数高速公路路面结构在使用期内不同时期代表弯沉值一般均在 o 2 l l u i l 以内 甚至在0 h n m 内 己有试验路证明半刚性沥青路面的承载能力完全可由 半刚性基层予以满足 沥青面层可仅起功能层的作用 因而可以减薄沥青面层 降低工 程造价 2 稳定性好 半刚性基层材料具有较高的水稳性和冰冻稳定性 因此在水的作用 以及多次冻融反复作用下 而不影响半刚性材料基层的承载能力 3 刚性大 半刚性基层抗压回弹模量值可高达1 8 0 0 m p a 因此其上沥青面层弯拉 应力相对减小 从而提高了沥青面层抵抗行车疲劳破坏能力 也就是说半刚性基层可以 达到减薄沥青面层的目的 另外 半刚性基层材料整体性好 利于机械化施工且工程造 价低 能适应重交通发展需要 半刚性基层沥青路面结构正是以其优良的工程性能和显 著的经济效益在我国公路建设中得到广泛的应用 已成为高等级公路路面主要结构形 式 目前 我国高等级公路半刚性基层材料主要有水泥稳定粒料和二灰稳定粒料两种 因其良好的物理力学性能强度高稳定性好等优点在国内外高速公路得到普遍采用 但研 究与实践证明它们都有各自的缺陷和不足 水泥稳定粒料早期强度高 施工机动性好 但抗裂性差 造价高 施工延迟成型时间短 二灰类稳定粒料长期强度高 具有良好的 经济效益 但早期强度低 施工性差 且石狄消解 运输和堆放比较复杂 并会对环境 造成很大污染 此外 水泥新标准执行后 强度标准提高了一个等级 根据工程应用与 实践经验 应用新标准规定的3 2 5 级水泥稳定路面基层材料开裂现象比较严重 水泥粉煤灰稳定基层是近几年发展起来的一种新型路面基层材料 它是在粒料中加 入 定量的粉煤灰后用水泥进行稳定 利用水泥水化硬化快和粉煤灰的火山灰活性 使 基层材料既具较高的强度 特别是早期强度 又有很好的抗裂性能同时还具有很好的经济 效益 水泥粉煤灰稳定类基层材料的强度随着水泥剂量的增大而增大 根据相关试验结 2 长安人学硕 l 学位论义 果从基本强度要求和抗冲刷角度考虑水泥剂量不宜低于3 同水泥稳定类基层材料一 样随着水泥剂量的增大材料的收缩性增大脆性增大 虽然水泥粉煤灰稳定时收缩性要好 于单纯水泥稳定类但从强度和收缩性综合考虑水泥剂量不宜大于6 水泥粉煤灰稳定 基层具有早期强度高 抗裂性好 施工方便等优点而且能大量利用工业废料 粉煤灰 经济性好有很好的经济效益和显著的社会效益 该基层材料施工工艺与水泥稳定基层材 料类似易于操作是一种环保 经济 便于普及推广的高性能路面基层材料 通过水泥粉 煤灰稳定基层的对比应用 对提高高速公路建设质量拓展粉煤狄应用范围 具有重要意 义 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 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 据不完全统计在半刚性基层材料的应用过程中二灰稳定粒料正在逐步丧失其原有 的优势根本原因就是早期强度低 为了提高其早期强度在以往的工程实践过程中曾采用 添加碱的方法但终因造价过高或施工工艺太复杂而未获成功 所以对于二灰稳定粒料而 言最重要的是提供一种既经济而又能有效地提高二灰稳定粒料早期强度的方法 水泥粉煤灰稳定类材料和二灰稳定类材料是两种典型和常用的半刚性基层材料 因 其良好的物理力学性能强度高稳定性好等优点在国内外高速公路得到普遍采用 作为沥 青路面基层起承重作用是适合的 然而多年来的使用也发现水泥稳定类半刚性基层上的 沥青路面出现反射裂缝的情况非常严重据裂缝调查资料显示一些路段反射裂缝平均间 距仅1 0 m 左右 鉴于此对于水泥稳定类的抗裂性能进行一定的改善同时保留其良好的力 学性能对于降低沥青面层的反射裂缝率 延长沥青面层的开裂间距无疑是有益的 中国是世界上最大的煤资源国家之一 利用煤发电一向是我国的主要能源政策随着 中国经济的巨大发展火力发电事业也迅速发展粉煤灰的排放量和利用率也迅速增长 1 9 9 0 粉煤狄排放量6 7 0 0 万t 利用量为1 9 0 0 万t 利用率为2 8 3 1 9 9 5 年排放量为9 9 3 6 利用量为4 1 4 5 万t 利用率为4 2 2 0 0 0 年排放量1 2 亿吨利用量为7 0 0 0 万吨利用率为 5 8 2 0 0 5 年全国燃煤电厂和低热值电厂排放的粉煤灰高达3 3 亿t 以上 居世界第一 位 占全国固体废弃物的4 0 粉煤灰具有双重性 即是废弃污染物 堆放占压土地污 染大气环境和水体 同时又是可综合利用的宝贵资源 2 0 0 5 年 煤炭 电力行业供应及 3 第一章绪论 部分利用2 1 亿t 左右 利用率达6 6 创造了可观的综合效益 粉煤灰综合利用的途 径很多如建材 建工 筑路 回填 农业 环保治理 化工和提取等其中生产建筑材料 是最有效的途径之一粉煤灰的排放量 利用量 利用率呈同步增长 就全国分类利用量 而言粉煤灰主要用于建材和道路工程而部分地区如上海等地道路工程为利用的首要方 面其次是混凝土浆再次是建材 为了能在工程建设中大力利用粉煤灰减少其堆放占用的 土地及水域面积 节约水泥 保护环境 使粉煤灰发挥其在半刚性基层中其他组分不可 替代的作用 就必须努力研究粉煤灰的活化技术 以解决粉煤灰材料早期活性低而造成 利用率低的问题 粉煤灰作为一种资源随着人们对它认识的提高已逐渐被人们所接受 对它进行综合利用的工作也越来越被重视 煤炭在锅炉中燃烧后有两种固念残留物一灰和渣 随烟气从锅炉顶部排出的 主要 经除尘器收集下来的固体颗粒即为粉煤狄简称灰或飞灰 颗粒较大或呈块状的 从炉膛 底部收集出来的称为炉底渣简称渣或大渣 煤灰的性质具有较大的波动性 它不仅与煤 种 煤源有关同时亦取决于锅炉的类型 运行条件 收尘及排灰方式 因此各电厂粉煤 灰的性质不同 同一电厂由于锅炉类型及容量的差别或同一锅炉由于运行条件不一其性 质亦可能有较大的差别 粉煤灰作为路面基层材料 在中国道路工程中的应用已有数十 年的历史 相应路用研究工作也取得大量成果 然而由于火力发电厂高炉燃煤发电过程 或烟尘排放条件等多方面原因 一些电厂所堆放的粉煤灰性能很差 用于道路基层形成 的强度很低或根本无法形成强度 达不到相关规范对这类基层材料的基本要求 因此很 难在道路工程中使用这类性能较差的粉煤灰 就是所谓的低活性粉煤灰 目前我国对粉煤灰的利用率和利用量虽然比过去已有所提高 但利用率仍然较低综 合利用就更差而且主要用于 建材行业约占利用总量的3 5 路面基层混合料和修 筑路堤约占利用量的2 5 建筑工程主要是在砂浆和混凝土中作掺合料约占1 1 r 工程回填约占1 5 但是粉煤灰据统计只有2 0 一3 0 左右得以利用其余大部分堆积 废弃这不仅占用大量土地而且严重污染环境 粉煤灰的综合利用和开发无论从环保 节 能或资源利用的角度看 都是十分有意义的 同时为公路建设提供一种分布广泛的原材 料 通过对粉煤灰性能的研究 采用不同的方法对粉煤灰活性进行激发 改善半刚性基 层的路用性能 通过路用性能试验对不同的粉煤灰激活方法进行评价 寻找适合重庆地 区低活性粉煤灰的最佳激活方法 使粉煤灰能够大规模应用到当地的公路建设中去 综上所述 本论文拟针对两类典型半刚性基层沥青路面存在的问题 结合渝隧高速 4 长安人学硕士学位论文 公路的具体情况 研究半刚性基层中对粉煤灰采用不同的激活手段时 水泥粉煤灰稳定 类和二灰稳定类存在的问题和路用性能重点研究解决以下的问题 1 二灰稳定粒料是一种典型和常用的半刚性基层材料 因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 在国内外高速公路得到普遍采用 但研究与实践证明它也有它的缺陷和不足 早期强度低就是一个急需解决的问题 同时低活性粉煤灰在公路中的应用受到一定的限 制 必须对其性能进行一定的改善以满足公路应用的条件 2 对于水泥粉煤灰的激活方法进行研究 寻找最佳的改善方法 使水泥粉煤灰 具有更高的强度和更好的路用性能 有效提高其抗裂性 使水泥粉煤灰稳定材料在公路 中的应用更加成熟化和实用化 重庆地区高温多雨 对于基层的水稳定性要求较高 故 对各种措施下基层的水稳定性进行研究 本项研究将丰富和发展重庆地区高速公路材料 来源及其基层材料设计 对推动重庆地区公路建设和粉煤灰运用的发展起着积极的作 用 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 石灰 粉煤灰稳定碎石混合料简称二灰碎石 是一种半刚性基层材料 具有强度高 整体性好的特点 在高等级公路建设中得到普遍应用 二灰碎石6 0 年代出现于美国 7 0 年代开始在我国公路建设中得到推广应用 国内从 七五 期间开始对二灰碎石等二 灰稳定类材料的工程性质 成型工艺和试验方法进行了大量研究工作 为二灰碎石的推 广应用奠定了基础 目前国内对二灰碎石的研究主要集中以下几方面 1 二灰碎石配合比及集料级配的研究 黄卫 钱囤超在 南京机场高速公路半刚性基层特性研究 中通过详细的正交设计 混合料的干缩 温缩试验 提出了各项指标比较优良的二灰碎石混合料配合比和集料级 配集料中4 7 5 姗通过率为2 0 3 0 同济大学林绣贤老师在 嵌挤式二灰碎石混合料 中 提出了二灰碎石最大粒径小 于3 1 5 m m 的指标和便于摊铺机施工的二灰碎石配合比和集料级配 2 二灰碎石成型方法和施工工艺的研究 周晓龙在 二灰碎石混合料振动压实技术 中论述了振动液化的理论及二灰碎石混 合料振动压实强度形成机理及二灰碎石组成结构中悬浮密实 松排骨架 紧排骨架的工 程性能 5 第一章绪论 孙美丽在 振碾工艺二灰碎石的组成设计方法 中论述了二灰碎石振动压实下的混 合料配合比设计 3 二狄碎石早强及抗冻性能的研究 邱云峰 钱春香在 二灰碎石基层材料抗冻性和早强技术的试验研究 中 论述了 提高二灰碎石早期强度的措施和增强抗冻性的措施 孙德栋 秦玉层于 提高二灰碎石早期强度试验研究 中简介了早强的机理和方法 但在近二十年的使用过程中也发现二灰碎石仍存在着以下几个方面的不足 1 同抗压强度比材料抗拉强度较低 混合料的劈裂强度约为抗压强度的1 8 1 1 0 结构设计中为满足弯拉的要求往往设置较厚的基层 2 冻融后强度低 二灰碎石2 8 天龄期1 0 次冻融循环后 残留强度为冻前的1 5 2 5 3 易缩裂 半刚性基层材料属脆性体 干缩和温缩系数大 工程中常出现典型的 干 温缩裂缝 4 耐疲劳性能差 国内已有的经验表明o 6 m p a 弯拉应力水平时 重复荷载次数 n e 在1 0 4 1 0 5 范围内 5 早期强度较低给施工和通车运行造成诸多不便 二灰碎石7 天无侧限抗压强度 只有1 m p a 左右 当施工车辆运行时非常容易造成碎裂等病害 正是上述一些不足造成了二灰碎石基层沥青路面在使用期内出现了开裂 冻融破 坏 沉陷 网裂等病害 严重影响路面的使用质量 国家每年要拿出大量的养护费用进 行维护 如何解决上述半刚性材料所带来的问题 提高二狄碎石的路用性能 是道路工 作者一直在研究的课题 试验证明 二灰碎石的抗收缩性能和后期的抗冻性要好于水泥 稳定砂砾 如何提高二灰碎石的性能才是解决问题的关键 二灰碎石混合料可以通过对 原材料提出指标要求达到提高性能的目的 通过调整混合料的配合比和集料级配 改善 和提高混合料的抗疲劳性能和抗冻性能 使得二狄碎石本身所具有的优良性能得以充分 体现出来 通过本课题的研究 可以提高二灰碎石的稳定性能 抗冻性能改善二灰碎石的韧性 解决二灰碎石施工中存在的一些具体问题 提高路面使用性能 减少养护维修费用 提 高路网的通行能力 因此 该项目的研究具有显著的经济效益和社会效益 也是当前公 路建没的迫切需要 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 长安人学硕l 学位论文 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狄稳定类基 层材料配合比研究中最重要也是最有争议的问题 对于粉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 重庆交通学院等单位研究了配合比为4 9 6 的水泥碎石和4 1 1 8 5 的水泥粉煤灰稳定碎石的7 d 强度 发现采用1 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而增加 长安大学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i f 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集料的空隙体积 体积法设计混合料所需解掰 的关键问题是确定混合料体系中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 则混合料为一种悬浮 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 但在其随后地研究又认为 由于现在高等级公路施工水平的提高 7 第一章绪论 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 d9 0 d1 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 一8 0 较合理 公路沥青路面设计规范 j t gd 5 0 一2 0 0 6 中规定 水泥粉煤灰稳定类材料的水泥 剂量为3 6 水泥粉煤灰与集料的质量比宜为 1 3 1 7 8 7 8 3 集料级配要 求与石灰粉煤灰稳定类混合料相同 l 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 沥青路面设计规范中规定特重 重 中交通时7 天无侧限抗压强度为1 5 3 5 m p a 强度范围过大 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 由于具有潜在火山狄活性的物质一煤灰的存 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 2 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 3 随着社会对环保的同益关注 路面基层材料对社会环境的影响也应是材料设计研 8 长安大学硕十学位论文 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 系统对比研究水泥粉煤灰稳定碎石 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 4 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 2 2 国外研究现状 国外对道路用半刚性基层材料路用性能的研究较早 1 9 6 4 年 美国a h c r z o g r b o c k 研究了影响二灰稳定土强度的一些因素 1 9 7 6 年 r s a n d r e s 研究了影响石灰 粉煤 灰碎石混合料稳定性和耐久性的因素 1 9 8 3 年 第1 7 届世界道路会议正式命名 半刚 性路面 1 9 8 7 年第1 8 届世界道路会议专门设立了 半刚性路面 这一议题 美国交通 运输研究所提出了基层材料的级配要求 要求从胶体到粗颗粒均匀级配良好 1 9 8 8 年 b r a a k o f ob a l k a n g o s h e n 通过对二灰稳定土无侧限抗压强度的室内试验 得出最佳的 石灰和粉煤灰含量 对二灰稳定土进行短期高温养护和低温长期养护的试验 得出两者 之间的关系 用短期高温养护的条件的实测结果来预测设计值 m i l l i c k l i r h 得出了二灰 碎石结构上提出改善的方法 到2 0 世纪9 0 年代 进一步明确了二灰碎石半刚性基层各 组成成分对其力学性能的影响 但没有在二灰碎石混合料和二狄碎石结构上提出改善的 方法 2 0 世纪9 0 年代进一步明确了二灰碎石半刚性基层各组成成分对其力学性能的影 响 对变形性能做了一些研究并且提出在工程上减少裂缝的措施 对于材料抗冻性能的研究国外研究较早 较深入的课题是关于土木工程领域中的水 泥混凝土材料 从2 0 世纪4 0 年代以后美国 原苏联 欧洲 同本等均开展过混凝土冻 融破坏机理的研究 在道路工程领域 一些国家混合料设计方法都包括强度和耐久性两 个指标 美国曾考虑循环冻融作用对石灰 粉煤灰集料混合料强度的影响 循环冻融作 用的程度取决于材料在路面结构中的位置 路段的地理位置 气候变异性和路面体系的 特性 广泛采用冻融循环加速试验来评价石灰 粉煤灰稳定集料的耐久性 据美国煤灰 研究学会推荐 采用无侧限抗压强度来测量在不同冻融循环条件下柔性路面体系中的火 山灰质稳定混合料的耐久性 1 9 7 3 年d e m p s e y 和t h 0 0 m p s o n 的研究表明 养生后稳定 材料的真空饱水后抗压强度可以较好地表示5 次或1 0 次冻融循环后的抗压强度 真空 第一章绪论 饱和状态下测定试件的无测限抗压强度是评价火山狄质稳定材料的冻融耐久性快速而 经济的方法 美国伊利诺斯州运输部和联邦航空管理局规定 试件在3 8 下养生7 d 并 经过真空饱水后的最小抗压强度应为2 7 6 m p a 1 2 次冻融循环后的最大质量损失为 1 0 1 4 同时发现残留抗压强度与冻融耐久性密切相关 如果残留强度能够保证要求 的路面结构强度以及材料强度随时间发展的情况符合设计要求 则能保证野外强度将经 常大于要求的最小强度路面 也就能够达到满意的使用性能 1 3 本课题主要研究内容 论文对重庆粉煤灰性质进行研究 通过各种激活手段对其活性进行激发 通过结合 料试验和混合料路用性能对激活效果进行评价 通过评价得出其在公路建设中较佳的激 活方法 弥补重庆粉煤灰由于活性较差在公路中较少得到应用的缺陷 论文选定五种激 活方法 对粉煤灰活性进行激发通过强度试验 得出各种方法下最佳比例和强度值 选 定一标准级配采 用贝雷法对级配进行评价 在不同的预留孔隙率下 进行混合料配合 比设计 最后通过混合料路用性能试验验证各种激活方法激活效果 采用灰色系统理论 对混合料路用性能进行评价得出最佳路用方法 本文的研究内容如下 1 粉煤灰激活研究 1 粉煤灰激活原理和措施分析 2 粉煤灰激活试验研究 2 混合料性路用性能研究 1 力学性能研究 2 刚度性能研究 3 抗冲刷性能研究 4 抗缩裂性能研究 3 混合料多指标研究 1 混合料路用性能评价指标 2 混合料综合评价决策 i o 长安大学顾十学位论文 第二章研究方法和原材料试验 2 1 总体研究方案 1 原材料性能研究 1 粉煤灰性质研究 论文采用重庆粉煤灰 西安粉煤灰 粉煤灰进行各种原材 料检测指标试验 2 水泥性质研究 采用普通硅酸盐水泥标号 3 2 5 m p a 对水泥进行原材料检测 试验 3 集料性质研究 重庆渝隧高速公路使用集料对集料进行原材料检测试验 4 石灰性质研究 使用西安市售普通石灰并对石灰进行原材料检测试验 5 外加激活剂 2 粉煤灰改性措施研究 1 石灰的激发作用研究 2 激活剂对石灰粉煤灰的影响研究 激活剂a 对用于石灰粉煤灰结合料激活 进行强度试验 观察激活效果 选择最佳激活效果的激活剂剂量 3 水泥的激发作用研究 4 激活剂对水泥粉煤灰的影响研究 激活剂a 对用于水泥粉煤灰结合料激活 进行强度试验 观察激活效果 选择合理激活剂剂量 5 石灰对水泥粉煤灰强度影响研究 石灰为激活剂 进行强度试验研究 研究 石灰对水泥粉煤灰强度影响规律 3 混合料配合比设计 1 采用级配理论设计骨架密实型级配 2 应用贝雷法对本级配骨架性进行评价 3 对级配进行松装密度 振实密度 空隙率等试验 4 通过上述试验数据对混合料进行配合比设计 确定结合料和集料在混合料中 所占比例 4 混合料路用性能研究 1 以混合料强度特性 刚度特性为研究对象 综合对比不同激活情况下粉煤灰 的路用性能 明确不同激活方法对无机结合料稳定粒料基层路用性能的影响 2 收缩性能研究 不同激活方法时混合料干缩机理及干缩试验研究 温缩机理 第一二章研究方法和原材料试验 以及温缩试验研究 3 抗冲刷性能研究 2 2 试验方法 2 2 1 材料性质试验方法 本次试验按照 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 和 公路 工程集料试验规程 j t j 0 5 8 2 0 0 0 中有关规定进行 采用重型击实标准确定混合料 的最大干密度和最佳含水量 水泥指标按照 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 j t j e 3 0 一2 0 0 5 中有关对丁进行 1 石灰等级试验 按照 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 中方法 t 0 8 0 1 3 9 4 规定测定有效氧化钙和氧化镁含量 2 粗集料松方密度 振实密度及空隙率试验 根据 公路工程集料试验规程 j t j 0 5 8 2 0 0 0 中方法 t 0 3 0 9 2 0 0 0 规定 取 试样一份 置于平整干净的水泥地上 用平头铁锹铲起试样 让其以不同状态落入容量 筒中 分别测集料的堆积密度 振实密度 以及捣实密度 同时可根据粗集料的毛体积 密度来算出空隙率 3 集料密度试验 根据 公路工程集料试验规程 j t j 0 5 8 2 0 0 0 上规定 对于粗集料密度采用网 篮法 t 0 3 0 4 2 0 0 0 对于细集料密度采用容量瓶法 t 0 3 2 8 2 0 0 0 和比重瓶法 t 0 3 2 9 2 0 0 0 4 粗集料针片状颗粒含量和压碎值试验 根据 公路工程集料试验规程 j t j 0 5 8 2 0 0 0 上规定 针片状含量是采用 t 0 3 1 2 2 0 0 0 此法用游标卡尺测定的粗集料颗粒的最小厚度方向与最大长度方向的尺寸之 比小于1 3 的颗粒 此法测定的针片状含量可用于评价集料的形状和抗压碎的能力 以评定其在工程中的适用性 根据 公路工程集料试验规程 j t j 0 5 8 2 0 0 0 上规定 压碎值是采用 t 0 3 1 6 2 0 0 0 此法是用于衡量石料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力 是衡量石料力学性 质的指标 1 2 长安大学硕f 学位论文 2 2 2 路用性能试验方法 路用性能试件均按照重型击实所得的最佳含水量拌合 最大干密度控制 采用静力 压实法制备 在养生室内养生 养生温度在北方地区应控制在2 0 士2 养生湿度9 0 即试件从试模内脱出并称量后 应立即放到养生室内进行保温保湿养生 采用塑料薄膜 包覆 在养生期的最后一天 应该将试件浸泡在水中 水的深度应该使水面在试件顶上 约2 5 c m 在浸泡水中之前 应再次称试件的质量 在养生期间 试件的质量损失应符 合一定的质量标准 质量损失超过此标准时应视为作废 无侧限抗压强度试验 抗压回 弹模量试验 劈裂强度试验以及抗冲刷试验均采用 15 c m h l5 c m 试件 结合料抗压强 度试验采用 p 5 h 5 c m 试件 抗缩裂性能试验采用1 0 c m l o c m 4 0 c m 的梁式试件 1 结合料无侧限抗压强度试验 无侧限抗压强度测试试件均按最佳含水量拌和最大干密度控制采用静力压实法制 备在养生室养生养生温度2 0 士2 养生湿度9 0 试验采用 p 5 0 i i l m h 5 0 i 砌试件 将试 件达到养生龄期前一天泡水饱水2 4 h 后的试件放到路面材料强度试验仪的升降台上 使 试件的形变以约1 m m m i n 的等速率增加进行抗压强度试验 抗压强度r 按下式计算 r p 彳 o o 0 0 5 l 户 胁 2 1 式中 p 试件破坏时的最大压力 k n 彳 试件的截面积彳 刀 d2 4j 为试件的直径 1 m 2 混合料无侧限抗压强度试验 将养生至规定龄期且饱水2 4 h 后的试件放到路面材料强度试验仪的升降台上 使试 件的形变以约l m m m i l l 的等速率增加进行抗压强度试验 抗压强度尺c 按下式计算 r c 删 a 6 6 p m p a 2 2 式中 卜试件破坏时的最大压力 k n 彳 试件的截面积 c m 2 彳 黝胁 d 为试件的直径 c m 3 劈裂强度试验 将养生至规定龄期且饱水2 4 h 后的试件放到路面材料强度试验仪升降台上 使试件 的形变以1 删州m i n 的等速率增加进行劈裂试验 劈裂强度尺 按下式计算 足 竺 o 0 0 4 1 7 8 旦 o 0 2 7 8 5 3 3 p 2 3 1 3 第一二章研究方法和原材料试验 式中 p 试件破坏时的最大压力 1 浸水后试件高度 m d 为试件直径 c m 试验中d j 5 c m 4 抗压回弹模量试验 本试验按照 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 中有关顶面 法规定进行试件抗压回弹模量测试 试验采用仪器设备为路面材料强度试验仪 抗压回弹模量e 按下式计算 e p e 阮 2 4 式中 卜单位压力 m p a 阡 式件高度 m m 卜试件回弹变形 m m 每级荷载下的回弹变形 l 加荷时读数一卸荷时 读数 5 冲刷试验 1 冲刷仪的构造 冲刷仪由电动机 冲刷桶 带橡胶板 传动机械装置 应力传感器 变频器 框 架等几个大部分组成 具体构造图见下 滚动轴 图2 1 冲刷仪构造图 1 4 长安人学硕上学位论文 2 冲刷仪工作原理 整个机械系统的动力由异步电动机产生 为了能够较真实地模拟实际碾压过程 需要随时改变电机的转速 从而可以方便地调节加压频率 试验中选择了变频调速方式 使用变频器来控制电机的转速 具有调速迅速 调节范围宽的特点 能够较好的满足试 验要求 电动机带动凸轮 转动压力通过凸轮下面的杆和弹簧系统传递给试件 在杆2 和 杆3 之间接有传感器 可以及时将压力信号转换为电信号 传递给数据采集系统进行处 理和显示 试验中冲刷桶放置可调节的转动板上 在冲刷桶的上表面的橡胶板与压头的压板 接触后 通过继续调节转动板可调节压板对于冲刷桶垂直压力 这样就可以模拟在不同 的车辆荷载下水流对材料的冲刷作用 d 用弹性模量e 1 0 0 1 5 0 m p a 的圆形橡胶板模拟沥青路面 橡胶板直径为1 5 0 i 埘 厚度为2 5 3o i l m 并在橡胶板中间开一个宽2 4 m m 长5