賈 亮, 連尚承

(蘭州理工大學 土木工程學院, 甘肅 蘭州 730050)

道路工程中,常用水泥、粉煤灰及石灰等無機結合材料穩(wěn)定碎石,將其作為路面基層或底基層的鋪筑材料[1-5].穩(wěn)定碎石常見類型有石灰-粉煤灰穩(wěn)定類、水泥-粉煤灰穩(wěn)定類和水泥穩(wěn)定類.石灰-粉煤灰穩(wěn)定碎石雖然后期強度較高,但前期強度不足;水泥穩(wěn)定碎石前期強度能達到路面基層的強度要求,但易產生干縮、溫縮開裂等問題,造成后期強度的降低甚至出現(xiàn)新的病害[3-6],因此部分學者提出了低劑量水泥或水泥-石灰-粉煤灰綜合穩(wěn)定碎石[7-9].

為提高基層的早期強度,筆者在石灰-粉煤灰穩(wěn)定碎石中添加具有快硬早強、粘結強度高、環(huán)境友好的硫鋁酸鹽水泥[10-11],組成石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定碎石,并與石灰-粉煤灰-普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石作力學性能的對比,探求不同的級配、無機結合料含量及水泥種類對穩(wěn)定碎石強度的影響,得出UCS和STS與級配、無機結合料含量、水泥種類以及養(yǎng)護時間的關系.

1 試驗原材料及配合比

1.1 原材料

碎石取自蘭州北龍口路面維修養(yǎng)護中心料場,石料的壓碎值為13.8%;粉煤灰和熟石灰購自河南省鞏義市化工品有限公司,具體化學成分見表1和表2.硫鋁酸鹽水泥從上海通達有限公司購買,化學成分見表3.普通硅酸鹽水泥購自蘭州祁連山水泥廠.

表1 粉煤灰的化學成分

表2 石灰的化學成分

表3 硫鋁酸鹽水泥的化學成分

1.2 石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的配合比

碎石的級配根據《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)[12]推薦值選用,通過改變粒徑范圍的比例得到級配A和級配B兩種級配,碎石通過篩孔的質量百分率如表4.無機結合料的種類和含量對穩(wěn)定碎石的強度有顯著影響,根據《公路路面基層施工技術細則》 (JTG/T F20-2015)[12],石灰與粉煤灰的推薦比例為1∶2～1∶4,結合料與被穩(wěn)定碎石的比例為20∶80～15∶85,此時該混合料為骨架密實式粒料,為減少試驗工作量,本試驗選用石灰∶粉煤灰=1∶4,無機結合料含量取15%和20%兩種,普通硅酸鹽水泥(硫鋁酸鹽水泥)的含量分別取1%、1.5%及2%.具體的石灰-粉煤灰-水泥穩(wěn)定碎石的配合比如表5.

表4 碎石級配A、B通過篩孔的質量百分率

表5 穩(wěn)定碎石的配合比、最大干密度和最佳含水量

2 試驗方法

首先根據《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中的規(guī)定進行標準擊實試驗[12],得出不同類別石灰-粉煤灰-水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水率和最大干密度;然后根據最大干密度和最佳含水率,制作無側限抗壓強度試樣及劈裂拉伸強度試樣,并在溫度為(20±2)℃、相對濕度95%以上的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護1、4、7、28 d,除養(yǎng)護齡期1 d的試樣外,其它養(yǎng)護齡期的試樣力學試驗前24 h放入水中浸泡使試樣達到飽和,取出試樣后用抹布擦去表面的自由水,然后用作力學性能的測試試樣.

無側限抗壓強度試驗按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中的規(guī)定[13],在路強儀上試驗時試樣不受側向約束,以1 mm/min的速率施加軸向壓力直至試件破壞,破壞時施加的軸向力與試樣底面積的比值為UCS,為減小誤差,每一個配合比的試樣共制備13個,以這13個試樣無側限壓縮強度的平均值為最終的UCS.劈裂拉伸強度試驗遵循《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中的方法[13],STS根據破壞時施加的最大荷載P并通過計算得到,考慮到試驗數據的隨機性,每一個配合比的試樣共制備13個,以這13個試樣STS的平均值作為最終的STS.

3 結果與分析

3.1 最大干密度和最佳含水率

最大干密度和最佳含水率是評價路面基層材料壓實特性的重要指標.圖1為不同類別石灰-粉煤灰-穩(wěn)定碎石的干密度和含水率關系曲線.由圖1可知:干密度隨著含水率的增加而增大,當干密度達到峰值后,干密度隨著含水率的增加反而減小;當水泥含量相同,無機結合料含量為15%時的最大干密度大于無機結合料含量為20%時穩(wěn)定碎石的最大干密度,級配A穩(wěn)定碎石的最大干密度大于級配B.可見,隨著無機結合料和細集料含量的增加,最佳含水率也隨之增大,但最大干密度隨之減小.

圖1 穩(wěn)定碎石的擊實曲線

3.2 水泥含量、碎石級配及養(yǎng)護齡期對UCS和STS的影響

許多學者通過試驗發(fā)現(xiàn)無機結合料含量、養(yǎng)護時間及碎石的級配對穩(wěn)定碎石強度有較大影響[14-15].筆者通過UCT和STS得出不同水泥含量、碎石的級配及養(yǎng)護齡期對穩(wěn)定碎石UCS和STS的影響如圖2所示.由圖2可知:當水泥含量和養(yǎng)護齡期相同時,養(yǎng)護齡期1 d穩(wěn)定碎石的UCS大小關系為Ⅰ-A(ⅰ-A)>Ⅱ-A(ⅱ-A)>Ⅰ-B(ⅰ-B) >Ⅱ-B(ⅱ-B),可見當碎石級配良好,摻加較少的無機結合料也能獲得較高的無側限抗壓強度,這是因為無機結合料穩(wěn)定碎石中碎石級配良好時,碎石骨架的相互嵌擠及摩擦作用形成了較高的強度.但STS最大的一組為Ⅱ-A(ⅱ-A),這是因為較多的細集料和膠結物質形成的粘聚力更大.當碎石級配、無機結合料含量和養(yǎng)護齡期相同時,穩(wěn)定碎石的UCS和STS隨著水泥含量的增加而增大,當水泥含量為2%時穩(wěn)定碎石的強度最大.當無機結合料含量、水泥含量和碎石級配相同時,穩(wěn)定碎石的UCS和STS隨著養(yǎng)護齡期的增長而提高,這是因為隨著養(yǎng)護齡期的增加,水泥的水化反應、石灰粉煤灰的水化反應及水泥粉煤灰之間的一系列復雜的物理化學反應生成了膠結物質,能將碎石膠結在一起,這是穩(wěn)定碎石強度的另一個重要來源.

圖2 不同養(yǎng)護齡期的UCS和STS

3.3 水泥種類對UCS和STS的影響

不同水泥種類對UCS和STS的影響如圖3所示.由圖3可知,當無機結合料含量、水泥含量相同時,養(yǎng)護齡期為1 d的硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的UCS和STS高于相同養(yǎng)護齡期的普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的強度,Ⅰ-3-A類的石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石1 d的無側限抗壓強度最大(2.28 MPa),達到了二級及以下公路路面基層開放交通的規(guī)定[11],此時石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的UCS和STS分別為石灰-粉煤灰-普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石UCS和STS的1.2和1.78倍,這是因為硫鋁酸鹽水泥早期水化反應速率大于普通硅酸鹽水泥,生成大量的膠結物質快速提升了穩(wěn)定碎石的早期強度.養(yǎng)護齡期為4天和7天時,兩種水泥穩(wěn)定碎石強度接近,養(yǎng)護齡期為28天時,硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的強度稍微高于普通硅酸鹽水泥,沒有出現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥混凝土類似的強度降低現(xiàn)象[9-10],可見石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石作為路面基層和底基層材料可以達到快速修補要求.

圖3 不同水泥種類穩(wěn)定碎石的UCS和STS的對比圖

4 結論

1) 石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石基層養(yǎng)護齡期1 d的UCS最大可達2.28 MPa,滿足二級及以下公路路面基層開放交通的強度要求,石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的UCS、STS分別為石灰-粉煤灰-普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的1.2和1.78倍,說明用硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定碎石可大大提高穩(wěn)定碎石的早期強度.

2) 碎石的級配對無機結合料穩(wěn)定碎石強度有重要影響,選擇良好級配的碎石,在相同的無機結合料含量下穩(wěn)定碎石具有較高的強度.

3) 養(yǎng)護時間為4天和7天的石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石與同齡期石灰-粉煤灰-普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石UCS和STS接近,且養(yǎng)護28 d后強度沒有降低,說明石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石可用于路面基層的快速維修養(yǎng)護中.