樸志海,陳興盛,許 巍,姚瑞珊

(1.龍建路橋股份有限公司,黑龍江 哈爾濱 150009;2.天津市農(nóng)村社會(huì)事業(yè)發(fā)展服務(wù)中心,天津 300384;3.黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱 150080;4.黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150025)

1 前 言

長(zhǎng)期以來,水泥穩(wěn)定基層材料被人們廣泛應(yīng)用于較高和高等級(jí)路面基層中,它具有比較明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì):強(qiáng)度較高,穩(wěn)定性較好,抗凍性較強(qiáng),自成板體等。

傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定基層材料也存在著一些無法克服的缺點(diǎn):耐磨性較差,水泥絕對(duì)用量較大、易發(fā)生干縮、溫縮裂縫,施工工藝局促,從配料攪拌到攤鋪碾壓完成要求間隔時(shí)間較短,對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間和施工隊(duì)伍操作水平要求較高,一般水泥穩(wěn)定材料強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢,養(yǎng)生期較長(zhǎng)[1]。

研究了一種可以弘揚(yáng)其既有優(yōu)點(diǎn),同時(shí)可以最大限度減小其固有缺點(diǎn)的水泥穩(wěn)定基層材料,即超大摻量粉煤灰綜合穩(wěn)定基層材料。

張桂霞對(duì)多功能水泥穩(wěn)定碎石基層材料外加劑進(jìn)行過較系統(tǒng)研發(fā)[2]。受此啟發(fā),在研究中超量摻加Ⅱ級(jí)粉煤灰(占膠凝材料的50%),同時(shí)摻加1%的聚羧酸高性能外加劑,外加劑中復(fù)合了適量的緩凝劑,混合料的延遲時(shí)間可控。

2 配合比的選擇

在研究中,參考了水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)思路,將超大摻量粉煤灰綜合穩(wěn)定基層材料劃為特貧混凝土范疇研究,充分考慮超大摻量摻加粉煤灰的后果,可能會(huì)降低混合料的早期強(qiáng)度,嘗試在混合料中摻加復(fù)合外加劑,降低最佳含水率,以彌補(bǔ)早期強(qiáng)度的損失。黃煜鑌、呂偉民、徐建達(dá)等人對(duì)水泥穩(wěn)定基層材料中摻加減水劑都曾進(jìn)行過研究[3],取得了有益的成果。

大量研究結(jié)果表明,摻加外加劑后,超大摻量粉煤灰綜合穩(wěn)定基層材料與純水泥穩(wěn)定基層材料相比,最佳含水率降低了1.2%,這就為保證早期強(qiáng)度滿足施工要求提供了理論依據(jù)。

經(jīng)過系列研究試配,最終確定超大摻量粉煤灰綜合穩(wěn)定基層材料配合比如下。[4]

(1)碎石級(jí)配組成:9.5～31.5 mm碎石占53%,5～10 mm碎石占9%,3～5 mm碎石占6%,0～3 mm石屑占32%[5]。

(2)膠凝材料:4.5%,其中,水泥占50%,Ⅱ級(jí)粉煤灰占50%。

(3)聚羧酸外加劑占膠凝材料總和的1.0%。

(4)最佳含水率:4.4%,最大干密度2.311 g/cm3。

3 力學(xué)性能

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度[6]

首先確定超大摻量粉煤灰綜合穩(wěn)定基層材料配合比,該配合比與傳統(tǒng)無機(jī)結(jié)合料基層材料的不同點(diǎn)已在前言有所陳述,在此不再贅述。為體現(xiàn)出該配合比的特點(diǎn),本研究與另兩個(gè)配合比的基層材料進(jìn)行對(duì)比,這三個(gè)對(duì)比組合的膠凝材料組分分別為:(1)2.25%水泥+2.25%粉煤灰+1%外加劑;(2)2.25%水泥+2.25%粉煤灰無外加劑;(3)4.5%純水泥。其中,組合(1)為本研究對(duì)象,其余兩個(gè)組合為對(duì)比組合。因本試驗(yàn)研究的膠凝材料中摻加了大量的粉煤灰,粉煤灰的水化速度較慢,所以在確定這批綜合穩(wěn)定材料試件的試驗(yàn)齡期時(shí)除了考慮7 d齡期外外,同時(shí)考慮了28 d、60 d和90 d三個(gè)齡期。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 對(duì)比試驗(yàn)各齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

從表中1可以看出,本研究的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度雖然低于純水泥同齡期組合,但完全滿足各等級(jí)公路基層設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求,其特征與優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率較高。

3.2 抗彎拉強(qiáng)度

考慮到綜合穩(wěn)定基層材料路用性能和受力特點(diǎn),進(jìn)行了抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究。因該研究膠凝材料中摻加了50%的粉煤灰,屬于超大摻量范疇,所以確定以180 d齡期作為研究試驗(yàn)齡期。該試驗(yàn)研究參數(shù)可為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的彎拉疲勞試驗(yàn)、彎拉模量試驗(yàn)確定加荷標(biāo)準(zhǔn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)可以以此驗(yàn)證該配合比的可行性和穩(wěn)定性。本次研究路線同2.1,研究試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 超大摻量粉煤灰水泥穩(wěn)定基層材料各齡期抗彎拉強(qiáng)度

彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果表明:摻加50%粉煤灰同時(shí)摻加1%外加劑的配合比,其180 d彎拉強(qiáng)度達(dá)到100%純水泥配合比同齡期彎拉強(qiáng)度的93.4%;摻加50%粉煤灰不摻加外加劑的配和比,其180 d彎拉強(qiáng)度達(dá)到100%純水泥配合比同齡期彎拉強(qiáng)度的88.5%。從這三種不同配合比不同結(jié)果中可以體現(xiàn)出摻加外加劑配合比的優(yōu)勢(shì)。

3.3 間接抗彎拉強(qiáng)度

間接抗彎拉強(qiáng)度也是無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的一個(gè)主要力學(xué)參數(shù),它可以間接衡量該材料的劈裂強(qiáng)度,為此文中進(jìn)行了間接抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)(每個(gè)齡期每個(gè)配合比13個(gè)試件)研究,因該研究膠凝材料中摻加了50%的粉煤灰,屬于超大摻量范疇,所以確定以180 d齡期作為研究試驗(yàn)齡期,以此驗(yàn)證該配合比的可行性和穩(wěn)定性。本次研究路線同2.1,研究試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 超大摻量粉煤灰水泥穩(wěn)定基層材料各齡期間接抗彎拉強(qiáng)度

間接抗彎拉強(qiáng)度研究試驗(yàn)結(jié)果表明:摻加50%粉煤灰同時(shí)摻加1%外加劑的配合比,其180 d間接彎拉強(qiáng)度達(dá)到100%純水泥配合比同齡期間接彎拉強(qiáng)度的84.2%;摻加50%粉煤灰不摻加外加劑的配合比,其180 d間接彎拉強(qiáng)度達(dá)到100%純水泥配合比同齡期間接彎拉強(qiáng)度的60.0%。從這三種不同配合比研究結(jié)果中可以體現(xiàn)出摻加外加劑配合比的優(yōu)勢(shì)。

3.4 室內(nèi)抗壓回彈模量(頂面法)

室內(nèi)抗壓回彈模量也是無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的一個(gè)力學(xué)參數(shù),是路面基層進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性參數(shù)。

回彈模量是指路基,路面及各種筑路材料在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力與其相應(yīng)的回彈應(yīng)變的比值,路面基層回彈模量表示路面基層材料在彈性變形階段內(nèi),在垂直荷載作用下,抵抗豎向變形的能力。如果垂直荷載為定值,路面基層回彈模量值愈大則產(chǎn)生的垂直位移就愈小;如果豎向位移是定值,回彈模量值愈大,則路面基層承受外荷載作用的能力就愈大。從這里我們可以看出,室內(nèi)抗壓回彈模量是衡量基層路用性能的一個(gè)重要指標(biāo)和參數(shù),在某種意義上說,它比無側(cè)限抗壓強(qiáng)度能更好的體現(xiàn)基層的承載能力。

本研究參照2.1思路,即選擇三個(gè)對(duì)比組合對(duì)該參數(shù)進(jìn)行較為系統(tǒng)研究。對(duì)比組合分別為:(1)2.25%水泥+2.25%粉煤灰+1%外加劑;(2)2.25%水泥+2.25%粉煤灰無外加劑;(3)4.5%純水泥。研究試驗(yàn)結(jié)果見表4～表6和圖1～圖3。

圖1 純水泥無機(jī)結(jié)合料回彈模量曲線

圖2 2.25%水泥+2.25%粉煤灰無外加劑無機(jī)結(jié)合料回彈模量曲線

圖3 2.25%水泥+2.25%粉煤灰+1%外加劑無機(jī)結(jié)合料回彈模量曲線

表4 純水泥無機(jī)結(jié)合料回彈模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 2.25%水泥+2.25%粉煤灰無外加劑無機(jī)結(jié)合料回彈模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 2.25%水泥+2.25%粉煤灰+1%外加劑無機(jī)結(jié)合料回彈模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

室內(nèi)抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果表明:摻加50%粉煤灰同時(shí)摻加1%外加劑的配和比,其180 d室內(nèi)抗壓回彈模量達(dá)到100%純水泥配合比同齡期室內(nèi)抗壓回彈模量的100.8%;摻加50%粉煤灰不摻加外加劑的配合比,其180 d室內(nèi)抗壓回彈模量達(dá)到100%純水泥配合比同齡期室內(nèi)抗壓回彈模量的46.4%。

以上三種不同配合比不同結(jié)果凸顯了摻加外加劑配合比的優(yōu)勢(shì),同時(shí),我們更應(yīng)該充分利用摻加粉煤灰筑路材料長(zhǎng)期性能的優(yōu)勢(shì)。

4 綜合穩(wěn)定基層材料耐久性研究

4.1 綜合穩(wěn)定基層材料抗凍性能

綜合穩(wěn)定基層材料抗凍性是指其在飽水狀態(tài)下遭受凍融循環(huán)時(shí),抵抗破壞的能力,它也是反映綜合穩(wěn)定基層材料耐久性能最重要參數(shù)之一。為了驗(yàn)證綜合穩(wěn)定基層材料抗凍性能,研究過程中將以下三組配合比的抗凍性能進(jìn)行對(duì)比:2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑、2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑和4.5%純水泥。因?yàn)榭箖鲈嚰杏袃煞N配合比的膠凝材料中均摻加了50%的粉煤灰,所以這些試件的養(yǎng)生齡期均確定為180 d。為了系統(tǒng)客觀全面檢驗(yàn)這一參數(shù),研究中采用五次凍融循環(huán)和十次凍融循環(huán)兩種循環(huán)制度,分別檢驗(yàn)這三種配合比的抗凍性能。五次凍融循環(huán)和十次凍融循環(huán)試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù),見表7和表8。

表7 五次循環(huán)后凍融試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表8 十次循環(huán)后凍融試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從上述五次凍融循環(huán)和十次凍融循環(huán)試驗(yàn)可以看出:在這兩種凍融循環(huán)制度下,其試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律基本相同,即質(zhì)量損失率:4.5%純水泥配合比最小,2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑配合比較前者稍大,2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑配合比最大。強(qiáng)度損失率:2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑配合比最大,5%純水泥配合比稍小,2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑配合比最小。

在凍融循環(huán)這一指標(biāo)參數(shù)中,2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑配合比的強(qiáng)度損失最小。以上研究表明,摻加外加劑超大摻量粉煤灰綜合穩(wěn)定基層材料的抗凍性能良好,尤其在高寒地區(qū)應(yīng)用,它在抵抗強(qiáng)度損失方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4.2 綜合穩(wěn)定基層材料干縮性能

本參數(shù)研究路線與思路同3.1,研究中將以下三組配合比的干縮性能進(jìn)行對(duì)比:2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑、2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑和4.5%純水泥。具體試驗(yàn)結(jié)果見表9～表11及圖4～圖6。

圖4 2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑無機(jī)結(jié)合料干縮曲線

圖5 2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑無機(jī)結(jié)合料干縮曲線

圖6 純水泥無機(jī)結(jié)合料干縮曲線

表9 2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑無機(jī)結(jié)合料干縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表11 純水泥無機(jī)結(jié)合料干縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從以上三組不同配合比干縮試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)中可以明顯看出,100%純水泥的配合比干縮最大,2.25%粉煤灰+2.25%水泥無外加劑的干縮次之,:2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加劑的干縮最小,由此得出結(jié)論:摻加了粉煤灰和聚羧酸外加劑的綜合穩(wěn)定材料可以大大減小干縮系數(shù)。

5 結(jié) 語

超大摻量粉煤灰水泥穩(wěn)定基層材料具有良好的力學(xué)性能、優(yōu)越的耐久性能、方便的施工性能。(1)力學(xué)性能滿足目前公路基層底基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,尤其長(zhǎng)期力學(xué)性能增長(zhǎng)率突出。(2)耐久性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)基層材料。(3)因摻加了緩凝型外加劑,混合料延遲時(shí)間可控,方便施工。(4)超大摻量粉煤灰穩(wěn)定基層材料成本低,據(jù)測(cè)算可節(jié)省材料成本約32%,經(jīng)濟(jì)效益顯著。(5)超大摻量使用粉煤灰,節(jié)能環(huán)保,屬于綠色施工,環(huán)境效益和社會(huì)效益顯著。該技術(shù)已在黑龍江省安達(dá)市政工程、黑龍江省西部通鄉(xiāng)公路等工程進(jìn)行了試用,力學(xué)性能、耐久性能良好,具有良好的應(yīng)用前景。