三灰碎石强度的正交试验及其冻融稳定性分析

杨林　胡海洋

摘要：为进一步明确东北地区季节性冻融条件下，三灰稳定碎石混合料的工程特性，本文在保留二灰稳定碎石优良性能的前提之下，通过正交试验设计确定三灰（石灰、粉煤灰、水泥）稳定碎石中各材料用量。以7d无侧限抗压强度为目标，进行了无侧限抗压强度试验，并在进行了方差与极差分析的条件下，应用MATLAB的BP模糊神经网络方法进行了强度预测，在强度满足要求的条件下，进行了配合比优选，确定了石灰：粉煤灰：碎石为6∶12∶82，同时外掺2%水泥的合理配合比，并按照正交配合比配制混合料，进行无侧限抗压强度和冻融循环等试验，试验证明合理配比的三灰稳定碎石对应用于东北季冻区路面基层具有优越的性能及重要的现实意义。

关键词：道路工程；三灰；正交试验；配合比；强度；稳定性

中图分类号：S 773.3；U 412.6文献标识码：A文章编号：1001-005X（2015）01-0123-05

Orthogonal Test of the Strength of CementLimeFlyash

Stabilized Macadam and FreezeThaw Stability Analysis

Yang Lin，Hu Haiyang

（College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040）

Abstract：To further clarify the engineering properties of cementlimeflyash stabilized macadam mixture under the condition of seasonal freezethaw in northeast China，the dosage of lime，fly ash and cement in stabilized macadam material was designed by using orthogonal test design under the premise of retaining the excellent properties of limeash stabilized macadam.The compressive strength was tested with the goal of 7 d unconfined compressive strength and the analysis of variance and range analysis were conducted.MATLAB BP fuzzy neural network method was used to predict the strength.The optimal mixture ratio of lime：fly ash：gravel was determined as 6：12：82，which can meet the strength requirements.At the same time 2% additional cement was blended into the material，and according to the orthogonal mixture mixing ratio，unconfined compressive strength and freezethaw cycle test were conducted，which indicated that reasonable proportioning cementlimeflyash stabilized macadam had superior performance for the pavement base in the northeast cold area and has important practical significance.

Keywords： road engineering；cementlimeflyash；orthogonal test；mixture proportioning；strength；stabilization

收稿日期：2014-06-23

基金项目：黑龙江省交通厅科技项目

第一作者简介：杨林，博士，副教授。研究方向：道路工程及材料。Email：yanglin@nefu.edu.cn

引文格式：杨林，胡海洋.三灰碎石强度的正交试验及其冻融稳定性分析[J].森林工程，2015，31（1）：123-127.在我国道路基层建设中，应用较为广泛的是半刚性基层材料，其中二灰稳定碎石是较常见的筑路材料[1]。二灰稳定碎石具有整体性质均匀、强度高、稳定性好等优点，但其早期强度不足[2-5]。三灰稳定碎石是在二灰稳定碎石配合比设计的基础上，外掺一定量的水泥而得到的复合材料，因此，三灰稳定碎石在继承了二灰稳定碎石优点的同时，又克服了早期强度低这一缺陷[6-8]。

本文通过正交试验，并结合东北地区气候特点，研究三灰稳定碎石材料用量（石灰、粉煤灰、水泥外掺量等）与强度的关系，根据无侧限抗压强度，确定三灰稳定碎石最佳配比，为本地区三灰稳定碎石配合比设计提供一定参考。

1原材料工程性质

1.1石灰的性质

石灰属于气硬性胶结材料，使用前应充分消解。石灰中氧化钙和氧化鎂含量对三灰稳定碎石混合料的强度有明显的影响。本试验采用石灰经测定其钙镁含量62.7%，为II级消石灰。

1.2粉煤灰的性质

粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3的含量以及烧失量是影响石灰火山灰反应的主要因素，本实验采用的粉煤灰SiO2+Al2O3+Fe2O3含量大于70%，烧失量小于10%。

1.3水泥的性质

水泥是提高三灰稳定碎石早期强度的原材料，本实验选用的水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，水泥的各项指标见表1。

，其筛分结果见表2。

表2碎石合成级配

Tab.2 Gravel synthesis grading

通过筛孔的质量百分率/%筛孔尺寸/mm31.5199.54.752.361.180.60.075级配上限1009870503827207级配下限100815230181060合成级配10081.254.130.619.814.48.40.8

第1期杨林等：三灰碎石强度的正交试验及其冻融稳定性分析

森林工程第31卷

2配合比正交试验设计

2.1因素和水平选取

为确定三灰稳定碎石中各因素影响性，确定三个因素分别为石灰剂量、粉煤灰剂量、水泥外掺量，选用L9（34）正交表安排方案，正交试验方案见表3。

表3正交试验方案设计表

Tab.3 The orthogonal experiment design table

水 平石灰/%粉煤灰/%水泥/%1412125132361432.2试验结果及分析

2.2.1击实试验及7d无侧限抗压强度试验

将各试验材料按照正交试验设计表中的比例进行拌和，然后进行击实试验。试验采用15.2 cm内径试筒，锤质量为4.5 kg，落高为45 cm，分为3层每层锤击98次进行击实。

由击实试验结果得到的最佳含水率与最大干密度制作Φ150×150（mm）的圆柱体试件。首先将级配碎石、石灰及粉煤灰加水拌合后，然后装袋密封，静置2 h后加入水泥，进行最终拌和。将混合料装入尺寸为Φ150×150（mm）的试模内静压成型。成型后静置5 h后进行脱模，将成型试件放在温度为20℃，湿度为96%的恒温恒湿养生箱内养生6 d，之后饱水24 h再进行7 d无侧限抗压强度试验，击实试验和7 d无侧限抗压强度试验结果见表4。

表 4正交试验分析表

2方差S0.1320.0150.0041.012

由表4可以看出，三因素石灰、粉煤灰、水泥的极差分别为0.29、0.10、0.82，所以因素D水泥外掺量是影响三灰稳定碎石7d无侧限抗压强度的主要因素，其次是石灰含量，再次是粉煤灰含量。因为实验过程中，会因试件制作成型及仪器自身等因素产生误差，对试验指标产生影响，所以空列的极差不等于零。

由方差分析可以计算得出，三因素石灰、粉煤灰、水泥的方差统计量F的值分别为33.00、3.75、253.00。由方差分析表知，F0.01=99、F0.1=9，即FD>F0.01，FA>F0.1，FB

极差分析和方差分析结果一致，水泥外掺量对三灰稳定碎石7 d无侧限抗压强度影响最大，为显著因素；其次是石灰含量的影响；粉煤灰含量对7 d无侧限抗压强度影响作用不显著。

2.2.2基于MATLAB的BP模糊神经网络强度预测

通过正交试验的研究结果，根据9组实验数据，应用MATLAB软件的BP模糊神经网络方法对其余18组配合比的7 d无侧限抗压强度进行预测，同时对已知的9组配合比进行已知数据与预测数据的对比，以证明预测的准确性。首先根据已知的9组实验配合比及实验数据通过训练建立起精度为0.01的训练函数，接下来输入所有27组配合比，进行训练模拟，最终得到所有27组配合比的实验预测值，见表5。

表 527组配合比7d无侧限抗压强度预测值

Tab.5 27 groups of 7 d unconfined compressive strength prediction

石灰+

粉煤灰+

水泥7d

强度

/MPa石灰+

粉煤灰+

水泥7d

强度

/MPa石灰+

粉煤灰+

水泥7d

强度

/MPa4+12+11.815+12+12.076+12+12.144+12+22.145+12+22.216+12+22.594+12+32.355+12+32.736+12+32.834+13+11.785+13+11.966+13+12.094+13+22.015+13+22.216+13+22.664+13+32.405+13+32.756+13+32.834+14+11.685+14+11.956+14+12.174+14+22.015+14+22.356+14+22.644+14+32.515+14+32.686+14+32.79

由上表全部27组材料配合比的预测值，建立在粉煤灰含量分别为12%、13%、14%的条件下，石灰和水泥在不同含量时，对三灰稳定碎石7 d无侧限抗压强度值的影响作用的关系图，如图1～图3所示。

由图1、图2和图3分析知，随水泥含量的增加，三灰稳定碎石的7 d无侧限抗压强度值均呈增长趋势；当水泥含量为定值时，石灰与粉煤灰的含量之间的比值越高，无侧限抗压强度值越大；当水泥含量为2%时，粉煤灰含量一定的情况下，石灰掺量越多，无侧限抗压强度值較显著地提高；当水泥含量为3%时，石灰掺量较少的情况下，无侧限抗压强度值偏低。

图112%粉煤灰条件下7 d无侧限抗压强度值

与石灰、水泥含量的关系

Fig.1 12% Fly ash under the condition of 7 d unconfined compressive

strength value with lime and cement content of the relationship

图213%粉煤灰条件下7 d无侧限抗压强度值

与石灰、水泥含量的关系

Fig.2 13% Fly ash under the condition of 7 d unconfined compressive

strength value with lime and cement content of the relationship

图314%粉煤灰条件下7d无侧限抗压强度值

与石灰、水泥含量的关系

Fig.3 14% Fly ash under the condition of 7 d unconfined compressive

strength value with lime and cement content of the relationship

2.2.3配合比优化选择

结合此前通过正交试验极差与方差的分析结果，综合考虑强度要求及经济技术等指标的前提下，参照27组配合比的强度预测分析值，选择的配合比为石灰∶粉煤灰∶碎石=6∶12∶82，外掺2%水泥，7 d无侧限抗压强度测定值为2.48MPa，预测值为2.59MPa，均满足规范的规定。

3无侧限抗压强度

本实验在已确定的6%石灰+12%粉煤灰、外掺2%水泥的最优配合比的情况下，采用同样配合比（6%石灰+12%粉煤灰）的二灰稳定碎石进行无侧限抗压强度的对比试验，试件的养生龄期为：7、28、90及180 d的标准养生，在养生的最后一天，将试件从养生箱中取出，饱水24 h后，进行无侧限抗压强度试验。不同龄期的抗压强度试验结果见表6，抗压强度随龄期的变化趋势如图4所示。

表6不同养生龄期无侧限抗压强度试验结果

Tab.6 The unconfined compressive strength test results

材 料7 d28 d90 d180 d二灰碎石1.562.476.428.57三灰碎石2.484.136.958.91

图4无侧限抗压强度随龄期变化柱形图

Fig.4 Unconfined compressive strength changes with age bar charts

分析以上数据可以看出，二灰稳定碎石、三灰稳定碎石随着养生龄期的增长，无侧限抗压强度均呈现上升趋势，同时各个龄期的强度增长幅度并不相同，28 d到90 d这一阶段强度增长幅度最为明显，90 d到180 d强度增长较为平缓，7 d到28 d强度增长较快；三灰稳定碎石中，由于水泥的加入，其早期抗压强度远远大于二灰稳定碎石，但随着龄期的延长，两者的抗压强度差距越来越小，这说明水泥的加入对三灰稳定碎石早期强度的提升十分显著[9]，对后期的影响逐渐减小，同时说明石灰与粉煤灰是缓凝材料，两者的化学反应对后期的抗压强度影响很大。

4冻融稳定性

为了验证三灰稳定碎石的抗冻性，本实验采用石灰∶粉煤灰∶碎石=6∶12∶82，外掺2%水泥的配合比，养生时间分别为28、90 d的试件进行冻融循环对比试验，材料的冻融稳定性一般根据其经受一定次数的冻融循环后其抗压强度或者质量的衰减情况表征。将标准养生28 d、90 d的试件分别按规范制作2组18个Φ150×150（mm）的圆柱体试件，其中9个为冻融循环试件，9个为不做冻融的对比试件，将进行冻融测试的9个试件用塑料袋裹严放入低温箱中，结合东北地区实际的气候条件，低温箱的温度设置为-20℃，冻结时间为12 h，冻结结束后在20℃的恒温水槽中进行融化，时间为12 h，如此为一个冻融循环。试件经过5次冻融循环后，进行无侧限抗压强度试验；9个对比试件标准养生结束后，直接进行无侧限抗压强度实验，冻融稳定性用冻融系数BDR表示。试验结果见表7，试件冻融前后照片，如图5和图6所示。

表7冻融循环试验结果

Tab.7 The freezethaw cycle test results

试 件未冻融强度/MPa冻融后强度/MPaBDR/%养生28d试件4.133.8292.5养生90d试件6.955.8584.2

圖5试件冻融前

Fig.5 Specimen before freezethaw

图6试件冻融后

Fig.6 Specimen after freezethaw

通过试验数据分析可知，三灰稳定碎石的28 d和90 d的冻融循环BDR值分别为92.5%和84.2%，均大于80%，说明三灰稳定碎石具有良好的抗冻性。通过观察冻融试件在5次冻融过程中的外观变化可以发现，试件整体性较完好，外表面出现一些短裂纹，个别会出现掉渣和边角处略有破损的情况。分析原因在于无机结合料及细集料充分的填充了材料的空隙，保证了材料的骨架密实结构，使试件内部的水分结冰引起的向外的体积膨胀，不足以破坏试件的整体性[10-11]。综上所述，三灰稳定碎石抗冻性能好，同时具有有较高的稳定性。

5结论

（1）三灰稳定碎石的早期强度显著高于二灰稳定碎石，可见适量的掺入水泥是提高半刚性材料早期强度的主要措施。但随着龄期的增长，两者的强度差异趋于减小，由此可知后期影响三灰稳定碎石强度的主要因素是石灰和粉煤灰。

（2）通过冻融循环试验，三灰稳定碎石的BDR值大于80%，质量损失小，可以证明其具有优良的稳定性、整体性质均匀。

（3）通过正交试验的分析、MATLAB的强度值预测以及与二灰稳定碎石进行强度增长规律的对比，均可以证明，石灰∶粉煤灰∶级配碎石=6∶12∶82，外掺2%水泥，是较合适经济的三灰稳定碎石配合比。

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[责任编辑：胡建伟]