水泥粉煤灰稳定碎石基层路用能研究.docx
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水泥粉煤灰稳定碎石基层路用能研究
水泥粉煤灰稳定碎石基层路用能研究
第一章绪论1
1.1研究的目的1
1.2国内外研究概况1
1.2.1国内发展状况1
1.2.2国外发展状况2
1.3试验研究内容3
第二章水泥粉煤灰稳定碎石配合比4
2.1原材料性能分析4
2.1.1水泥4
2.1.2粉煤灰4
2.1.3集料5
2.1.4水6
2.2配合比组成设计6
2.2.1配合比的确定6
2.2.2水泥粉煤灰与集料之间的比例确定7
2.3最佳含水量与最大干密度8
2.4试件的制作和养生10
第三章试验研究结果11
3.1无侧限抗压强度11
3.1.1试验数据11
3.1.2数据对比11
3.2间接抗拉强度（劈裂试验）11
3.2.1试验数据11
3.2.2数据对比12
3.3回弹模量（顶面法）12
3.3.1试验数据12
3.3.2数据对比12
3.4抗冻强度损失13
3.4.1试验数据13
3.4.2数据对比13
第四章试验结果及理论分析14
4.1强度和刚度的分析14
4.2水稳性和冰冻稳定性的分析14
4.2.1.水稳性14
4.2.2冰冻稳定性15
4.3收缩性的分析15
4.3.1干缩性15
4.3.2.温缩性15
4.4基层与面层结合良好15
4.5路用性能的分析16
4.5.1强度与龄期的关系16
4.5.2强度及性能与配合比之间的分析17
第五章主要结论与展望20
5.1主要结论20
5.2展望20
参考文献21
致谢22
第一章绪论
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面基层材料。
在水泥粉煤灰稳定碎石混合料中，集料颗粒间的相互摩擦、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稳定碎石相比，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]。
1.1研究的目的
水泥粉煤灰稳定碎石做路面基层材料有诸多优点，但随着水泥粉煤灰稳定碎石的大量使用，逐渐发现半刚性基层沥青路面也存在着一些严重的问题。
由于半刚性基层材料本身的特点，容易产生裂缝，加上可能出现的设计和施工中各种因素的偏差影响，工程界普遍认为，水泥粉煤灰稳定碎石基层的裂缝是不可避免的，因此，就应该采取各方面的措施来预防裂缝的产生，如：
对原材料的控制、施工控制。
基于水泥粉煤灰稳定碎石的诸多缺点，针对目前水泥粉煤灰稳定碎石的广泛应用的实际情况；通过各项室内试验，对水泥粉煤灰稳定碎石进行路面性能分析，获取其工程特性，即抗压强度、劈裂强度、耐久性、弹性模量。
选定合格的原材料、合理的集料级配，确定混合料的最佳配合比，从而使水泥粉煤灰稳定碎石具有优良的路用性能。
1.2国内外研究概况
1.2.1国内发展状况
1.东南大学交通学院和南京机场高速公路管理处根据足够的强度、良好的抗裂性能原则进行了南京机场高速公路二灰碎石基层的配合比设计，并采用正交试验方法对配合比的主要影响因素及干缩、温缩特性进行了较全面的试验研究。
通过试验结果的分析得出如下结论：
（1）石灰应采用Ⅱ级以上的石灰，石灰剂量不宜大于5%。
（2）集料含量应控制在82%左右，并应严格控制二灰碎石中5mm以下集料含量，尤其是2mm以下集料含量[2]。
2．工程院院士沙庆林主持研究的半刚性路面结构中关于二灰稳定集料的设计方法。
沙院士认为：
对二灰碎石混合料设计而言，其可变因素是石灰与粉煤灰的比例和二灰结合料与集料的比例。
比例的确定需要室内试验来确定。
建议：
石灰:
粉煤灰=1:
2～1:
4之间。
沙院士还建议高等级公路二灰碎石的级配范围如表1.1：
表1.1沙庆林院士推荐二灰碎石集料级配范围
筛孔（mm）
40
31.5
19
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.075
通过率（%）
100
100
81～98
52～70
30～50
18～38
0～27
6～20
0～7
研究还认为二灰碎石混合料的质量与混合料中粘结性基体的质量密切相关。
这个基体由石灰加粉煤灰和集料中小于4.75mm的颗粒组成。
二灰碎石混合料的最大干密度随二灰结合料的增加而减小，而最佳含水量随二灰结合料的增加而增大[3]。
3.长安大学对半刚性基层的抗裂性进行了研究。
长安大学张登良、郑南翔教授在《半刚性材料抗裂性能研究》一文中指出，半刚性基层的开裂是由于行车荷载与半刚性基层材料的双重作用引起，所以抗裂设计也应包括力学强度和抗收缩开裂两个方面的指标要求。
由于增加颗粒含量可有效地提高半刚性材料的抗温缩、干缩性能，所以最佳配合比设计无疑是提高半刚性基层抗裂能力的主要措施之一。
最佳配比选择原则是根据环境条件，调查资料，确定该地区的基层材料以何种收缩为主，作为确定配合比设计的依据，但所选取的配比应首先满足力学强度的要求。
其抗裂实验结果表明，增加集料含量能较好地提高二灰类半刚性材料的抵抗低温开裂的能力，但集料含量过大，其提高抗温缩开裂能力的程度就不很显著。
通常情况下，集料含量在75%左右时，具有最佳的抵抗温度收缩开裂的能力。
在此报告中提出的综合考虑力学强度和收缩性能的配合比设计方法，摒弃了单一追求强度指标而忽略收缩性能的缺点，是值得肯定的[4]。
1.2.2国外发展状况
美国联邦公路局对二灰碎石混合料进行了研究，提出了如下的二灰碎石混合料组成设计流程图：
a.估计填充集料空隙的粉煤灰含量；
b.在估计最佳含水量下，确定粉煤灰的含量，以使二灰结合料产生最大干密度。
再使用最佳粉煤灰含量来确定二灰结合料的最佳含水量。
在最佳含水量下，再次检查粉煤灰含量多3%和少3%的含水量，直到满意为止。
c.在最佳含水量和最佳含灰量下，用2%、2.5%、3%、3.5%和4%的石灰剂量制二灰碎石混合料。
d.在38℃条件下养生7d，评价强度和耐久性。
1.3试验研究内容
本次试验按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30-2005）、《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）、《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51-2009）、《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034—2000）中有关规定进行。
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。
2.水泥粉煤灰稳定碎石的无侧限抗压强度的变化规律。
测定7天和28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。
测定7天和28天的间接抗拉强度。
4.水泥粉煤灰稳定碎石的回弹模量及抗冻性。
测定28天的抗压回弹模量及抗冻强度损失。
第二章水泥粉煤灰稳定碎石配合比
2.1原材料性能分析
2.1.1水泥
水泥作为一种稳定剂，其质量对混合料的质量是至关重要的。
普通硅酸盐水泥，矿渣硅酸盐水泥或火山灰硅酸盐水泥均可用于稳定土。
强度等级宜采用32.5或42.5的水泥。
但应选用初凝时间3h以上和终凝时间较长（宜在6h以上）的水泥产品。
为使水泥稳定碎石有足够的时间进行拌和、运输、摊铺、碾压以及保证其具有足够的强度，不应使用快硬水泥，早强水泥以及受潮变质的水泥。
本次试验水泥采用芜湖海螺P·S32.5级水泥，试验结果见表2.1。
表2.1水泥质量要求及实测指标
试验项目
质量要求
实测值
细度（%）
≤10.0
7.0
标准稠度用水量（mL）
——
131
初凝时间（min）
≥180
200
终凝时间（min）
≥360
370
安定性（雷氏法）
合格
合格
抗压强度3d（MPa）
≥10.0
19.2
抗压强度28d（MPa）
≥32.5
37.8
抗折强度3d（MPa）
≥2.5
3.8
抗折强度28d（MPa）
≥5.5
6.3
2.1.2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（1100℃～1500℃）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（a-SiO2）和莫来石（C3A12O3·2Si02）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71%～88%，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、钦、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:
SiO2:
{40%～65%}，A1203:
{15%～40%}，Fe203:
{4%～20%}。
据报道，粉煤灰中各种氧化物的总量常超过85%，氧化钙含量一般为{2%～8%}，这种粉煤灰可称为硅铝粉煤灰，个别地方的粉煤灰含有{10%～40%}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。
本次试验采用马鞍山生产的二级粉煤灰。
试验结果见表2.2、表2.3
表2.2粉煤灰化学成分检验结果
化学成分
Si02
Fe203
Al203
Ca0
Mg0
烧失量
含量（%）
51.51
30.50
6.87
3.07
3.53
6.72
表2.3粉煤灰物理性质检验结果
颜色
表观密度（g/cm3）
堆积密度（g/cm3）
0.075通过率（%）
灰色
2.013
0.80
86
根据《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034—2000）对用做基层的粉煤灰要求如下:
其中Si02、Al203和Fe203的总含量应大于70%，粉煤灰的烧失量不应超过20%；粉煤灰的比表面积宜大于2500cm2/g（或90%通过0.3mm筛孔，70%通过0.075mm筛孔），该粉煤灰质量合格可以使用。
2.1.3集料
集料包括岩石天然风化而成的砾石（卵石）和砂等，以及岩石经轧制的各种尺寸的碎石和石屑等。
路用中的集料可作为基层混合料、水泥混凝土或沥青混凝土混合料的骨料。
不同粒径的集料在基层混合料、水泥混凝土或沥青混凝土混合料中所起的作用不同，因此对他们的技术要求也不用。
为此，基层混合料一般将集料分为3-4个不同粒级，然后通过掺配得到符合要求的集料。
本次试验采用芜湖白马山生产的碎石（4.75mm-9.5mm、9.5mm-19mm）和石屑掺配比例为石屑∶碎石（4.75mm-9.5mm）∶碎石（9.5mm-19mm）=40∶26∶34，经试验各项指标符合要求，结果如下：
表2.4集料筛分试验结果
筛孔（mm）
分计筛余（%）
累计筛余（%）
通过百分率（%）
标准通过百分率（%）
26.5
0
0
100
90-100
19
17.1
17.1
82.9
72-89
9.5
25.2
42.3
57.7
47-67
4.75
15.8
58.1
41.9
29-49
2.36
13.2
71.3
28.7
17-35
0.6
11.9
83.2
16.8
8-22
0.075
15.4
98.6
1.4
0-7
图2-1集料筛分曲线图
表2.5集料试验数据
堆积密度（g/cm3）
表观密度（g/cm3）
空隙率（%）
吸水率（%）
压碎值（%）
针片状含量（%）
含泥量（%）
1.49
2.644
46.1
0.14
19.9
13.8
1.4
2.1.4水
根据《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034—2000）要求选用饮用水。
2.2配合比组成设计
2.2.1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：
1.混合料应具有足够的刚度和强度。
2.混合料应具有良好的耐久性，水温稳定性和冰冻稳定性。
3.混合料应具有足够的抗冲刷能力。
4.混合料的温缩和干缩应较小。
5.混合料应易于摊铺和压实，并能达到良好的平整度。
6.混合料应经济适用，达到节约的目的。
2.2.2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，则难以填满骨料间的空隙，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。
本次试验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80%～85%，同时具有规定的级配，石灰加粉煤灰含量为20%～12%，起填充集料空隙和粘结作用。
另一种是悬浮式，即集料仅占50%～60%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60%～80%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80%时，其抗压强度反而随之降低。
本课题采用保持水泥用量不变增加粉煤灰用量的方案，试验将选取三种配合比进行对比分析，即：
表2.6水泥粉煤灰稳定碎石配合比
配合比
水泥用量（%）
粉煤灰用量（%）
集料用量（%）
A1
4
20
76
A2
4
15
81
A3
4
10
86
2.3最佳含水量与最大干密度
在规定的试筒内，对水泥粉煤灰稳定土进行击实试验，以便绘制含水量与干密度的关系曲线，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。
本试验用的最大公称粒径为19mm，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51-2009）选用乙类击实方法，其主要参数见下表：
表2.7击实试验参数
类别
锤的质量（kg）
锤击面直径（cm）
落高（cm）
试筒尺寸
锤击层数
每层锤击次数
平均单位击实功（J）
容许最大公称粒径（mm）
内径（cm）
高（cm）
容积（cm3）
乙
4.5
5.0
45
15.2
12.0
2.177
5
59
2.687
19
试验数据如下列各图表：
表2.8A1配合比击实试验数据
含水量（%）
4.3
5.9
7.5
8.2
9.8
干密度（g/cm3）
2.22
2.28
2.34
2.34
2.30
图2-2A1配合比击实曲线图
由图2-2可知，最佳含水量7.8%，最大干密度2.35g/cm3
表2.9A2配合比击实试验数据
含水量（%）
3.9
5.8
7.0
8.1
9.7
干密度（g/cm3）
2.26
2.35
2.38
2.37
2.30
图2-3A2配合比击实曲线图
由图2-3可知，最佳含水量7.0%，最大干密度2.38g/cm3
表2.10A3配合比击实试验数据
含水量（%）
3.9
5.1
6.1
7.5
9.4
干密度（g/cm3）
2.34
2.40
2.44
2.42
2.3
图2-4A3配合比击实曲线图
由图2-4可知，最佳含水量6.1%，最大干密度2.44g/cm3
2.4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》（JTGE51-2009）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量后，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，除抗冻试验试件为φ150mm×150mm外，其他试件均为φ100mm×100mm，试件成型脱模后用塑料袋密封并用潮湿毛巾覆盖保湿，移放至标准养护室，养生龄期视性能测试所需而定。
第三章试验研究结果
3.1无侧限抗压强度
3.1.1试验数据
三种配合比无侧限抗压强度数据如下表：
表3.1无侧限抗压强度
配合比编号
无侧限抗压强度（MPa）
龄期7d
龄期28d
A1
2.1
4.6
A2
3.4
5.3
A3
4.0
6.3
3.1.2数据对比
不同粉煤灰用量配合比的无侧限抗压强度比较：
图3-1无侧限抗压强度与粉煤灰用量的关系图
3.2间接抗拉强度（劈裂试验）
3.2.1试验数据
三种配合比间接抗拉强度数据如下表：
表3.2间接抗拉强度
配合比编号
间接抗拉强度（MPa）
龄期7d
龄期28d
A1
0.10
0.22
A2
0.13
0.24
A3
0.19
0.36
3.2.2数据对比
不同粉煤灰用量的配合比间接抗拉强度比较：
图3-2间接抗拉强度与粉煤灰用量的关系图
3.3回弹模量（顶面法）
3.3.1试验数据
三种配合比间接抗拉强度数据如下表：
表3.3回弹模量
配合比编号
28d回弹模量（MPa）
A1
982
A2
1266
A3
1488
3.3.2数据对比
不同粉煤灰用量的配合比回弹模量比较：
图3-3回弹模量与粉煤灰用量的关系图
3.4抗冻强度损失
3.4.1试验数据
三种配合比抗冻强度损失数据如下表：
表3.4抗冻强度损失
配合比编号
28d抗冻强度损失（%）
A1
84.2
A2
89.7
A3
91.4
3.4.2数据对比
不同粉煤灰用量的配合比抗冻强度损失比较：
图3-4抗冻强度损失与粉煤灰用量的关系图
第四章试验结果及理论分析
实践证明，无论是对与沥青路面还是水泥混凝土路面，影响其使用性能和使用寿命的关键因素之一是基层的材料和质量。
调查结果表明，新建高速公路和其它公路产生的一些早期破坏均与基层质量不好有关。
因此，公路工程建设中要提高路面的修筑质量，解决好基层问题是极其重要的一个环节。
在路面结构中，基层位于面层下的结构层，主要起承重、扩散荷载应力以及改善水温状况的作用。
因此，作为路面的基层材料，一般必须满足路面基层混合料主要技术要求。
4.1强度和刚度的分析
基层混合料的质量对整个路面工程，特别是沥青路面的强度、使用性能和耐久性都有十分重要的影响，因此，作为路面基层，无论是水泥混凝土路面还是沥青路面基层，都必须具备以下几个基本条件：
基层必须能承受车轮荷载的反复作用，即在预计设计标准轴次反复作用下，基层不会产生过多的残余变形，更不会产生剪切破坏（无结合料的粒料基层）或疲劳弯拉破坏（用各种结合料处治的基层）。
基层要满足上述技术要求，除必需的厚度外，主要取决于基层材料本身的强度。
对基层材料的强度要求，在重交通道路上要比一般道路的高。
材料的强度包括两个主要方面：
一方面是石料颗粒本身的硬度或强度，可用集料压碎值或磨耗值表示，我国也用岩石的抗压强度表示；另一方面是混合料整体的强度和刚度，如回弹模量、承载比、抗压强度、抗剪切强度、间接抗拉强度（劈裂强度）等。
4.2水稳性和冰冻稳定性的分析
4.2.1.水稳性
沥青面层，特别是喷撒型的沥青表面处治和沥青贯入式面层，往往是透水的，尤其在使用初期，其透水性较大，因此，雨季表面水有可能透过沥青面层进入基层和低基层中。
表面水也有可能从两侧路肩或路面与路肩的结合处以及中央分割带的路缘石与路面的结合处透入路面结构层中。
如果沥青面层上产生了裂缝，表面水更会从裂缝中透入路面结构层中。
在地下水位接近地表的地段，特别是在路基填土不高时，地下水可通过毛细作用进入面层结构层；在冰冻地区，由于冬季水分重分布的结果，路基上层和路面底基层都可能处于潮湿或过分潮湿状态。
沥青面层虽不是完全不透水的，但却能阻碍路面结构层和土基中水的蒸发。
调查实验表明，水分从沥青面层中蒸发出来要比透进去困难得多。
进入路面结构层的水能使含土较多、土的塑性指数较大的基层或底基层材料的含水量增加，使强度大大降低，从而导致沥青路面过早破坏。
在冰冻地区，这种水造成的危害更大。
4.2.2冰冻稳定性
用于冰冻地区，特别是重冰冻地区的路面基层材料还应该有足够的冰冻稳定性。
在重冰冻地区，即使在干燥路段上，石灰土和水泥土，特别是剂量不足或强度达不到要求的上层石灰土和水泥土，经过冬季的冰冻作用，其强度也会明显下降。
4.3收缩性的分析
对于高等级公路上的半刚性基层，还应该要求有期收缩性指标。
半刚性材料的收缩性包括两个方面，一是由于水分减少而产生的干缩的程度，二是由于温度降低而产生温度收缩的程度（温缩）。
4.3.1干缩性
就各种半刚性材料的干缩裂缝而言，主要是横向裂缝，大部分间距是3～10m；也有少数纵向裂缝，缝的顶宽约0.5～0.3mm。
这种裂缝是最危险的。
在沥青路面使用过程中，在某种条件下，裂缝会逐渐向上扩展并通过沥青面层出现在表面，或在某种条件下，基层的裂缝会促使沥青面层表面先开裂，并逐渐向下扩展与基层的裂缝相连。
由这两种方式形成的沥青面层的裂缝都俗称“反射裂缝”。
因此，在铺筑沥青面层前，采取措施防止半刚性基层开裂是个十分重要的问题。
4.3.2.温缩性
半刚性基层的内部温度变化和温差会产生温度应力。
在寒冷季节半刚性基层表面的温度低，基层的顶部会产生拉应力；在暖和的春季，半刚性基层底部的温度低（特别在薄沥青面层的情况下），在基层的底部可能产生温度应力。
这个应力与行车荷载在基层底部产生的拉应力相结合，会促使基层地面开裂。
因此，半刚性基层材料的温度收缩特性对沥青路面，特别是薄沥青面层的开裂有重要影响。
4.4基层与面层结合良好
面层与基层间的良好结合，对于沥青面层的使用质量是非常重要的。
与不结合的情况比较，它可以减小面层底面有行车荷载引起的拉应力和拉应变（一般情况下可减小5%以上，有是甚至可减小到1/4），还可以明显减小由温度变化引起的沥青面层内的拉应力和拉应变。
基层与面层良好结合可以使薄沥青面层不产生滑动、推移等破坏。
为此，基层表面应该稳定并且具有一定的粗糙度，表面还应该结构均匀，无松散颗粒。
对于无机结合料处治基层，不应有局部松散不结合的情况。
基层上的局部松散常是沥青面
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