粉煤灰级配碎石的施工和易性及其评价指标.pdf

第41卷第9期 2009年9月 哈尔滨工业大学学报 JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY Vol 41 No 9 Sep 2 9 粉煤灰级配碎石的施工和易性及其评价指标 田林1 王龙1 王德 印2 1 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 哈尔滨150090 TL0451 yahoo com cn 2 临沂市公路局 山东临沂276034 摘要 为提高级配碎石的强度和骨架 密实型级配的施工和易性 并给出级配碎石的工作性能评价指标 和方法 在级配碎石集料中掺加适量的粉煤灰 利用粉煤灰的保水性和振动液化性来提高级配碎石的施工和 易性 通过性能试验可知 粉煤灰的加入可改善级配碎石的保水性 延长有效碾压时间 相同压实条件下 固 体体积率提高5 增加了基层的密实程度 同时 抗离析性能增强 通过级配碎石自由堆积试验中堆积直径 和堆积高度的变化规律 定义了评价级配碎石施工和易性的指标 并提出了评价标准 试验分析和试验路的 修建表明离析系数可以评价级配碎石的施工和易性 粉煤灰的加入提高了级配碎石的工作性能和强度 粉煤 灰的掺量存在最佳用量 关键词 道路工程 级配碎石 粉煤灰 离析系数 工作性能 中图分类号 U414 103 文献标识码 A文章编号 0367 6234 2 9 09 0070 05 Working performance and evaluation index of fly ash graded aggregates TIAN Lin 1 WANG Long 1 WANG De yin2 1 School of T ransportation Science and Engineeri吨 Harhin Institute of Technology Harhin 15C口泊 rina TI 0451 yah co肌cn 2 Lin Yi Highway of Bureau Linyi 276034 China Abstract In order to improve the strength and construction workability of framework dense graded aggregate working performance evaluation index and method of the graded aggregate are put forward Results of perform ance test show that the proper addition of fly ash in graded aggregate can improve the water retention of graded aggregate and the solid volume rate is increased by 5 which enhances the perfo口nanceof segregation re sistance According to the change regularity of height and diameter of the graded aggregates in free pile test the segregation coefficient to evaluate the graded aggregates segregation is defined and the evaluation criterion is put forward Comparison between the analysis of test and the building of test road indicates that the segrega tion coefficient can evaluate the working pdodnanceof graded aggregates The pmper addition of ny ash im proves the working performance and strength of graded aggregates Key words highway engineering graded aggtegate fly ash segregation coefficient working performance l级配碎石作为柔性基层和过渡层材料因其具 有良好的排水和减少半刚性基层反射裂缝的功能 正逐渐被广泛采用 试验表明骨架 密实型级配 对提高级配碎石的强度和减小永久变形有很大帮 助 IJ 但骨架 密实型级配由于粗集料含量 粒 径4 75mm以上 一般在60 729毛 3 在摊铺 收稿日期 2008 09 06 作者简介 田林 1970一 男 博士研究生 过程中容易产生离析 可压实性较差 集料易破碎 而改变级配 导致使用功能下降 同时相关规范对 路用松散材料的施工和易性没有给出评价方法和 指标 致使级配碎石的施工质量难以控制和评价 国外对于离析的评价目前也处于研究状态 4 本 文通过在级配碎石中加入适量的粉煤灰 利用其 保水和粘附性能提高级配碎石的抗离析性 利用 其液化性能提高级配碎石的可压实性 5 并对级 配碎石的施工和易性及其评价指标进行研究 71 林 等 粉煤灰级配碎石的施工和易性及其评价指标 田 第9期 1 2 粉煤灰级配碎石的可压实性能 为提高级配碎石的强度 必须尽量提高级配 碎石的压实度 这就要求采用重型压路机和多的 压实遍数 较大的压碎率则不可避免 粉煤灰的加 人可以改善颗粒间的润滑条件 明显提高可压实 性能 使级配碎石在较少的遍数内完成压实 图3 为两级配碎石在不同粉煤灰掺量下采用击实和振 动成型后固体体积率的变化 可知无论何种级配 与压实方法 加入粉煤灰后级配碎石的固体体积 率平均提高5 左右 说明粉煤灰的加人对提高 压实性能是有效的 对松散粒料来讲 高密实程度 是强度的保证 因此固体体积率的提高对保证级 配碎石的强度尤为关键 B 6 前 斗44 rr 图2不同粉煤灰含量下级配碎石含水量的变化 84 FMH 7 品一FMH 5 唱一FMH 3 FMH O 03 L l二7 o 3 5 6 21 25 30 46 时 日Yh 粉煤灰质量分数 a 骨架 孔隙型级配 口击实 80 专1口振动 甚乃 士苯量 士生 ffi 72 i 68 b 骨架 密实型级配 阁3粉煤灰对级配碎石可压实性的影响 1 3 粉煤灰级配碎石离析性能 参考水泥混凝土塌落度的概念山 采用离析 测试漏斗对级配碎石进行堆积试验来模拟施工现 场材料的装 卸过程 用于评价离析 流动性和粘 口击实 振动 0 03 粉煤灰质量分数 92 88 84 士生 士全80 ffi 76 72 粉煤灰级配碎石的施工和易性 粉煤灰是一种多孔材料 具有很强的吸水 性 和保水性 且在施工现场容易得到 在典型级配中 分别加人了一定量的粉煤灰 6 粉煤灰对级配碎 石的施工性能主要有三方面的影响 一是含水量 和保水性 二是压实性 三是离析性 1 1 粉煤灰级配碎石的保水性能 施工经验表明级配碎石在含水量略大时才易 于摊铺和碾压 拌和的含水量往往比最佳含水量 大1 2个百分点 以弥补蒸发损失 但问题的关 键是最佳含水量所能维持的时间 能否保证碾压 开始至碾压完毕期间内级配碎石剩余含水量在最 佳含水量左右 然而由于级配碎石透水性强 保水 性差 致使无法加人更多的水分 而且加人的水分 在高温环境和阳光照射下又很快散失 使施工过 程中 普遍需要二次洒水 甚至多次洒水来弥 补 7 图l为某试验路级配碎石施工过程含水量 的变化 虽然拌和含水量高出最佳含水量一个百 分点 但由于蒸发作用实测含水量 降低很快 且均 小于最佳含水量 这极易造成压实度的不均匀 形 成压实度的离析 由于粉煤灰的吸水性和保水性 添加粉煤灰 后 能提高级配碎石的最佳含水量 试验表明级配 碎石中掺加3 5 的粉煤灰 级配碎石的最佳 含水量提高1 2个百分点 更主要的是粉煤灰的 多孔特性 增加水分的毛细张力 延长了最佳含水 量状态所保持的时间 延长了有效碾压时间 图2 显示了4种不同粉煤灰含量下的级配碎石在自然 堆积状态下 白天 夜间 剩余含水量与时间的 变化关系 以含水量6 为例 7 的粉煤灰掺加 量可使有效施工时间增加4 5h 3 的粉煤灰掺 加量可使有效施工时间增加1h 这对以平地机为 主的施工方法尤为重要 可以避免施工中级配碎 石的二次补水 8 L 61 制4 年4 制 2 拌和含水量 一 最佳含水量 实测含水量 600 级配碎石施工过程中含水量的变化 2 400 桩号1m 仪 图1 第41卷报学学大业工滨尔哈 72 架 密实级配而言在粉煤灰和含水量都较小的时 候 堆积高度较小 主要因为集料之间相互作用的 力很小 颗粒较为自由 而添加粉煤灰后 增加了 集料之间的粘结性 堆积高度一直随着粉煤灰含 量和含水量的增加在增加 而悬浮 密实级配的 堆积高度比骨架 密实级配的要均匀很多 随粉 煤灰含量的变化较小 但在同一粉煤灰含量下 当 含水量增大时 堆积高度在增大 当粉煤灰含量为 7 时 当含水量增大到一定程度后 堆积的高度 也开始下降 说明由于级配粒径较细 骨架性不 44 6己42 倒41 5至Af 辑 i 17 S 16 0 也15 E 14 想13 12 1 J 1 L 1 1 r l 00 11 唱 0 r 叫伊3俨 lI l 叫p 寸lI llI l唱 lI l咀 0咀 0r p o 0 t r V an r p r r 类型 b 悬浮 密实型级配 注 横坐标第1个数为粉煤灰含量 第2个数为含水量 图6级配碎石的堆积高度与粉煤灰含量及含水量的关系 46 44f 421 忘 回38 as 36 提34 32l 坷 霄 号l宅电电l飞闪的 h 气VIm咀m喝喝喝喝卜r o f t 1 lIj v V r r r r 类型 b 悬浮 密实型级配 注 横坐标第1个数为粉煤灰含量 第2个数为含水量 图5级配碎石堆积直径与粉煤灰含量及含水量的关系 17厂 F 卜 m 咀hkh N 咀 F S 16 也15 E 14 提13i 12 1 1 1 1 r l叫cmmEoqq F1叫lI l d飞VIVIVIVIvl气气气气气 o f rti tr tr an r r r 类型 a 骨架 密实型级配 q rlrl q qq F1 V飞v V飞v v 0 o r l r l凹lI llI l lI l 类型 a 骨架 密实型级配 N 寸仇 结性 该装置上部直径25cm 高25cm 底部开口 直径8cm 孔颈长6cm 装置尺寸如图4所示 图4离析测试漏斗结构图 试验时将漏斗固定使其底部开口离地面 30 cm 使材料具有初始势能 装料为松装 与上缘 平齐 然后 全部打开阀门 使集料自由下落堆积 然后测量其堆积高度和堆积直径 以其堆积直径 和堆积高度评价材料的粘结性和松散程度 试验 过程中添加不同含量的粉煤灰 来研究级配碎石 抵抗离析的能力及施工和易性的变化 堆积直径是料从漏斗落下后 在地上堆积成 锥形底面圆的直径 而堆积高度表示锥形底面至 锥顶的高差 由图5骨架 密实型级配可以看出 当含水量较少时 如0 3类型 堆积直径较大 因为含水量小时粒料松散 颗粒自由下落时能量 损失小 粗料的势能完全转换成动能 滚落较远 因而造成堆积半径大 粗料集中在锥体的外缘 细 集料集中在锥体的核心 这种情况在摊铺过程中 会造成粗集料下沉细集料上浮的层状离析 就整 个堆积直径变化趋势而言 随着粉煤灰的增加 堆 积直径在减小 此时粉煤灰的粘聚性在起作用 颗 粒在下降过程中相互摩擦 消耗了动能 使堆积半 径减小 同时还可以看出在同样的粉煤灰含量的 情况 随着含水量的增加 首先是堆积直径减小 然后堆积半径又有所增加 只在最佳含水量下级 配碎石的堆积半径最小 3个含水量中间的为最 佳含水量组合 说明一定的含水量能改变碎石 松散的状况 但含水量增加到一定的状态 水膜厚 度超过一定的范围 润滑作用超过粘聚作用 材料 流动性增强 图5中悬浮 密实级配的堆积直径比骨架 密实级配的变化要均匀很多 主要是因为悬浮 密实级配的细集料较多 粒径比较均匀 其自身的 施工和易性就很好 粉煤灰对堆积半径的影响不 如前者明显 但同一粉煤灰含量下 堆积半径与含 水量的变化关系与前者大致相同 一般在最佳含 水量下取得最小值 图6为粉煤灰含量与堆积高度的关系 就骨 唱2 V飞 P电 阀门 第9期田林 等 粉煤灰级配碎石的施工和易性及其评价指标 73 强 在粉煤灰和水的润滑作用下出现 绵软 状态 以上的试验和分析表明 在不添加粉煤灰时 级配碎石的施工和易性较差 但粉煤灰的添加对 不同类型级配的施工和易性的改善是不同的 对 于骨架型级配 由于骨架的结构性强 精煤灰在较 大的含量区间内均能明显减小堆积半径 增加堆 积高度 改善其施工和易 性 对于悬浮 密实级 配 由于其自身颗粒含量均匀 粉煤灰含量的增加 对减小堆积半径和提高堆积高度作用不大 而含 水量的变化对其施工和易性的影响反而敏感 2 级配碎石施工和易性的评价 级配碎石自由下落堆积试验表明 堆积直径 和堆积高度均与其施工和易性具有相关性 堆积 半径越大 堆积高度越小 施工和易性越差 反之 级配碎石的工作性则越好 但采用双指标评价应 用性较差 从试验过程中可知 级配碎石的堆积形 状与材料的级配 含水量大小和粉煤灰含量有关 图7为级配碎石自由下落的3种典型堆积形态 图7 a 的堆积形态表示和易性最差 此时粗集料 都集中在外侧 石料之间缺乏粘结力 容易离析而 且不利于施工压实 图7 b 表示施工和易性一 般 石料之间粘结力较好 但是流动性不好 间不容易移动 可压实性能一般 图7 c 的堆积 形状表征石料之间具有较好的粘聚性和流动性 颗粒堆积形状丰满 施工和易性与可压实性最好 堆积形态由图7 a 过渡到图7 b 反应了级配 碎石含水量的影响 堆积形态由图7 b 过渡到图 7 c 表征的是粉煤灰对堆积形态的影响 小 在施工过程中愈容易产生离析 为此定义离析 系数L为堆积直径D与堆积高度h的比值 如图 8 物理意义为自然安息角 的余切2倍 即 L ctan o 主 1 式中 D为级配碎石堆积直径 mtH为级配碎石 堆积高度 cm 0 为级配碎石昌然安息角 0 H 斗一D 十 一卡 图8离析参数定义示意图 式 1 表明D愈大 H愈小 离析系数L愈大 则离析程度愈大 在图9骨架 密实级配 粒径 4 75 mm的通过率为310毛 中可知 在粉煤灰为 0 时 含水量的变化对离析影响不大 3 4 2 和5 三种含水量下离析系数几乎相同 即离析 程度相当 随着粉煤灰含量和含水量的增加 离析 系数迅速减小 抗离析性能明显增强 说明离析系 数具有较强的敏感性 还可以看出当粉煤灰含量 为3 时 级配碎石具有抗离析性能 增加大5 时效果更佳 对于图9悬浮 密实级配 因级配中 细料较多 粒径4 75mm的通过率为459毛 在粉 煤灰为0 时 0 3组合时其离析系数比骨架 密 实级配的小 但随着含水量的增加离析系数迅速 下降 说明细集料与水的作用对减小离析具有明 显效果 随着粉煤灰和含水量的增加 离析系数的 变化不如骨架 密实级配明显 但一般在最佳含 水量处最小 说明含水量对细级配的使用性能影 响较大 图形的变化趋势说明当粉煤灰含量为 3 且在最佳含水量时 其抗离析性能最强 离析 系数不仅可评价某一级配的抗离析性能 还能体 现各因素对其的影响 具有一定的合理性 图10 为试验路级配碎石粉煤灰含量为5 离析系数L 为2 8时取样筛分结果 可以看出 级配变异较 小 结合图9粉煤灰含量为5 骨架 密实型 和3 悬浮 密实型 所对应的L和试验路的使 用经验 可初步认为当离析系数L为2 6 3 0 时 级配碎石具有较好的抗离析 性能 级配碎石的施工较佳的状态应该是颗粒间的 粘结作用与润滑作用均适当 一定的粘结作用 防 止摊铺时离析 一定的润滑作用可以促进压实 因 此规范明确指出级配碎石宜采用石灰岩 致使一 些优质高强的石料被拒绝使用 因此可以考虑在 级配碎石中添加粉煤灰对和易性的改善 但粉煤 a LU t c 图7级配碎石自由下落的3种堆积状态 如果不同粒径组合成的松散粒料堆积高度 愈小 堆积直径愈大 则说明颗粒间的粘聚力愈 第41苍报学学犬 业工滨尔哈 74 3 添加粉煤灰后 级配碎石的粘聚力及流动 性均增加 大大减小级配碎石的离析 4 定义了评价抗离析性能的离析系数 具有 一定的敏感性 可以评价松散粒料的离析性能 结 合室内试验和工程应用 当离析系数L为2 6 3 0时级配碎石具有良好的抗离析性能 灰的最佳含量必需通过试验确定 3 2 导3 0 监2 8 檀2 6 2 4 2 2 参考文献 F F m 咀 F N 唱 F mu 喝 m 唱队 m mu m n m 队 N y队 muao Research on the vibrating compaction aggregate C J 俨China Japan workshop on pavement technologies NanJing China Communication Press 2 5 145 149 6J陈国明 姜厚权 顾洪江 等 粉煤灰级配碎石混合料 试验研究 JJ 公路 2 5 2 1 103 7 J P ASETTO M BALDO N The use of construction and demolition aggregate in unbound sub base and bitumi nous bound mad base layers C 15th International Road Federation World Meeting 1 王龙 冯德成 提高级配碎石基层使用性能的方法 1 中国公路学报 2 6 19 4 40 45 2 J SWEERE G Unbound granular bases for roads R J Holland Road and Railway Research Laboratory of the Faculty of Civil Engineering of Delft University of Tech nology I999 304 332 3J交通部公路科学研究所 JTJ034 93公路路面基层施 工技术规范 S J 北京 人民交通出版社 1993 4 J