振动成型法在水泥粉煤灰稳定碎石基层中的应用

张可强，韦武举，韩　超，赵志强

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；2.新型道路材料国家工程试验，江苏 南京 211112）

振动成型法在水泥粉煤灰稳定碎石基层中的应用

张可强1，2，韦武举1，2，韩超1，2，赵志强1，2

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；2.新型道路材料国家工程试验，江苏 南京 211112）

文章以强度和模量试验为依据，采用振动成型法对水泥粉煤灰稳定碎石进行级配研究，并将研究成果成功应用于连霍高速公路（G30）西安至宝鸡段改扩建工程。工程实践表明，经优化设计的水泥粉煤灰稳定碎石基层表现出良好的路用性能，可供类似工程设计参考。

道路工程；水泥粉煤灰稳定碎石；振动成型；骨架密实；路用性能

我国绝大部分沥青路面采用半刚性基层，半刚性基层的质量好坏对路面的质量和寿命起决定性的影响［1］。粉煤灰作为工业废渣在工程中应用越来越广泛，从理论上讲其可改善拌合物的和易性，提高后期强度，减少干缩性，但作为掺料应用于水泥稳定碎石基层在国内公路界存在一些争议，其最佳掺量和路用效果也缺乏明确的理论依据和长期的工程实践验证。国家规范及行业标准的缺失，给水泥粉煤灰稳定碎石的设计和施工带来了很大不便。本文采用振动成型法对水泥粉煤灰稳定碎石基层进行研究，通过大量试验，对其配合比进行优化，并成功应用于连霍高速公路（G30）西安至宝鸡段改扩建工程基层和底基层，其应用范围（130 km）属国内首位。

1 原材料

水泥采用复合硅酸盐水泥32.5，3 d抗压强度为16.8 MPa，抗折强度为3.6 MPa； 28 d抗压强度为40.1 MPa，抗折强度为7.1MPa；细度为4.6%，初凝时间190 min，终凝时间420 min，各项性能指标均满足规范要求。集料采用石灰岩，其压碎值、针片状含量、小于0.075 mm的颗粒含量和塑性指数等指标满足规范要求。为保证级配稳定且易调整，采用4档集料，采用规范推荐骨架密实结构，合成级配如表1所示。粉煤灰采用某电厂粉煤灰，其指标如表2所示。

由于各火电厂脱硫工艺不同，出厂的粉煤灰含硫量有所差异，粉煤灰中含硫量过高会对路面基层产生影响，导致其膨胀起拱开裂、表面变形、凹凸不平。陕西地区以煤炭为燃料的电厂主要采用湿式石灰石（石灰）-石膏法脱硫，其平均含硫量在0.4%左右，用在三渣基层等道路工程中未出现膨胀起拱的案例；但江苏部分地区粉煤灰中含硫量普遍较高，对基层产生影响，导致膨胀起拱破坏。我国《公路路面基层施工技术规范》中并没有对应用于路面基层的粉煤灰含硫量作具体规定，对粉煤灰原材料中硫的含量并没有引起足够的重视，但应尽量采用含硫量低的粉煤灰。

表1 各档集料级配

表2 粉煤灰技术指标

2 级配设计

2.1 实验室试件成型方法

传统的半刚性基层材料的设计方法为实验室内采用重型击实试验确定混合料的最大干密度及最佳含水量，采用静压成型试件测定7 d无侧限抗压强度；而现场施工时大多数采用大吨位振动压路机与胶轮压路机组合碾压，传统设计方法与现场碾压工况匹配性较差，实验室数据难以准确反映和控制现场施工质量。振动成型法利用表面振动实验仪器在特定的振动振幅、频率、振动时间及激振力下，最大限度地摸拟施工现场碾压工艺，使试验室内成型的混合料的内部结构及路用性能较好地反映现场工况。因此，本研究采用振动成型法进行配合比优化设计，以充分发挥半刚性基层的优势，提高路面的使用性能。

研究确定水泥粉煤灰稳定碎石基层混合料成型参数为［2］：振动频率，30 Hz；静压力，140 kPa；激振力，7 612 N；偏心块夹角，30°；振幅，1.4 mm；分2次装料，总振动时间为2 min。研究表明，振动成型的试件骨架密实性更好，无侧限抗压强度更大，变异系数较低，试件吸水率只有标准击实试件的1/10，同时表现出更优秀的抗干缩性能。

2.2 粉煤灰用量的确定

由于缺少国家规范和行业技术标准，粉煤灰在水泥稳定碎石中的掺量一直存在争议。现行公路沥青路面设计规范（JTG D50—2006）建议水泥粉煤灰与集料的质量比宜为（13～17）：（87～83）［3］，类似于石灰粉煤灰稳定碎石。长安大学、交通运输部公路科研所等单位的研究表明粉煤灰的掺入对该混合料的强度影响很大，当掺入量小于5%时，混合料的早期强度和模量均有提高，但随着粉煤灰继续掺入，早期强度和模量会降低，后期强度会增加［4］。萧庚等人提出混合料的早期强度随粉煤灰掺量的增加而降低，但后期性能则随粉煤灰掺量的增加而提高［5］。重庆交通大学等单位研究表明采用11%的粉煤灰替代碎石后材料的早期强度提高150%［6］。

为兼顾水泥粉煤灰稳定碎石的抗压强度及抗裂性能，根据多年工程经验，选取水泥剂量为3.8%（外掺），粉煤灰掺量按0%、3%、6%、10%、15%，按振动成型法成型150 mm×150 mm试件，由试验得出最大干密度和最大含水量。试验级配与参数如表3所示。

表3 试验级配与参数

对振动成型法试件进行不同龄期（7 d、28 d、90 d、180 d、360 d）的无侧限抗压强度、回弹模量和劈裂强度的检测。试验结果如图1～图3所示。

图1 无侧限抗压强度与粉煤灰掺量的关系

图2 劈裂强度与粉煤灰掺量的关系

从试验数据可发现，（1）无侧限抗压强度、劈裂强度和模量基本上随着龄期的增长而增加，原因是粉煤灰具有活性，随着龄期的增长，逐渐产生具有凝胶性能的产物，从而提高混合料的强度；（2）振动成型法成型的试件骨架密实性好，整体强度较高；随着粉煤灰掺量的增加，不同龄期的无侧限抗压强度和劈裂强度呈先增后减的趋势，早期强度更为明显。分析原因为粉煤灰掺量少时，起到填充矿料骨架空隙的作用，使试件密实性增加，且粉煤灰与水泥水化物反应生成具有胶凝性能的物质，增加了颗粒间的黏聚力。随着掺量的增加，粉料对骨架产生干涉，混合料由骨架结构向悬浮结构发展，强度增加的幅度有所下降；（3）在粉煤灰掺量很小时（3%左右），混合料模量稍微增加，但增幅不明显，原因为少量粉煤灰的掺加使混合料更为密实；此后，随着粉煤灰掺量的增加模量开始下降，分析其原因为粉煤灰作为活性材料影响了混合料的刚性。

图3 回弹模量与粉煤灰掺量的关系

对比图1与图2可知，粉煤灰掺量的增加对劈裂强度的影响更大（劈裂强度增幅大），因为与抗压性能相比，粉煤灰与水泥水化物反应生成具有胶凝性能的物质，对混合料的劈裂（间接抗拉性能）有更大的贡献［7］。

综合国内外研究结果及上述实验数据分析，认为粉煤灰的用量在5%～10%是合理的。综合考虑，连霍高速（G30）西安至宝鸡段改扩建工程基层与底基层的粉煤灰用量采用6%（内掺）。

2.3 工程级配确定

依据施工技术规范及设计经验，分别按2.8%、3.3%、3.8%、4.3% 4种水泥剂量制备试件，分别采用振动击实成型法和重型击实成型法确定各组水稳试件的最佳含水量和最大干密度。击实试验结果汇总如表4所示。

由表4可知，振动击实成型法、重型击实成型法得到的最大干密度之间存在一定相关性，根据实验室配合比多组水泥剂量对比试验，ρ振动击实=1.03ρ重型击实。根据试验确定的最佳含水量和最大干密度，按要求的压实度（98%）分别采用振动击实法和静压法成型无侧限抗压强度试件。成型混合料试件在（20±2）℃，相对湿度≥95%的条件下养护6 d，浸水1 d后取出，进行无侧限抗压强度试验。静压法成型与振动击实法成型试件无侧限抗压强度试验结果如表5所示。

表4 不同水泥用量的混合料击实试验结果

表5 7 d无侧限抗压强度试验结果表

比较强度概率保证值Rc0.95和设计强度值Rd的大小，满足95%的保证率下7 d无侧限抗压强度值大于设计强度值的要求。考虑到水泥粉煤灰稳定碎石的拌和及现场摊铺施工控制存在一定程度的变异性，从工程经济和现场施工条件考虑，确定连霍高速（G30）西安至宝鸡段改扩建工程水泥粉煤灰稳定碎石基层水泥用量为3.8%。

3 工程应用

3.1 碾压方案

实体工程选择在连霍高速（G30）西安至宝鸡段改扩建工程，共130 km，双向8车道，扩建路段底基层与基层采用水泥粉煤灰稳定碎石。此种半刚性材料的施工重点在于碾压，课题组特制定碾压工艺如下：22 t以上单钢轮振动压路机不挂振稳压1遍，振动碾压4～5遍， 26 t以上的轮胎压路机碾压2遍。以振动击实试验确定的最大干密度作为现场压实度检测的标准，压实度要求大于98%。

碾压后的底基层与基层表面粗糙、均匀，碾压完成后铺土工布洒水养护，养护7 d后现场进行取芯试验，均能取出完整芯样，将现场芯样锯成Φ150 mm× 150 mm的试件进行无侧限抗压强度试验。路面五个标基层芯样无侧限抗压强度值平均为7.6 MPa，实验室振动击实成型强度为7.8 MPa，表明振动成型方式与现场碾压工况更为吻合。

3.2 裂缝观测

连霍高速公路（G30）西安至宝鸡段改扩建工程基层于2011-06完工，基层养护结束后对基层裂缝进行观测，平均裂缝间距为200 m。2012-06对全线进行基层反射裂缝调查，平均裂缝间距为120 m，2013-12再次对全线进行基层反射裂缝调查，平均裂缝间距仍为100 m左右，较之重型击实法成型的普通水泥稳定碎石基层平均裂缝间距20 m有了

［1］ CJJ 129—2009 城市快速路设计规程［S］.

［2］ GB 50220—95城市道路交通规划设计规范［S］.

［3］郑建湖，伍雄斌，文子娟.快速路入口匝道控制对交通系统的影响分析［J］.河北工程大学学报（自然科学版） ，2008，25（2）：17-20.

［4］钟连德.快速路交织区通行能力研究［D］.北京：北京工业大学建筑工程学院.2005.很大改善。调查结果表明，基于振动成型法的水泥粉煤灰稳定碎石抗裂性能优良，具有较好的路用性能。

4 结论

（1）振动成型法成型的试件骨架密实性好，整体强度高，与现场振动碾压工况相吻合；

（2）水泥粉煤灰稳定碎石基层无侧限抗压强度、劈裂强度随粉煤灰掺量的增加呈先增后减趋势，早期强度更为明显；随着粉煤灰掺量的增加，试件的弹性模量下降；

（3）推荐水泥粉煤灰稳定碎石中粉煤灰的用量在5%～10%，实体工程采用6%的粉煤灰用量，路用性能较好。

参考文献

［1］沙庆林. 高速公路沥青路面早期破坏现象及预防［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］赵可.城市快速路高性能沥青路面研究［R］.天津市市政工程研究院，2007.

［3］JTG D50—2006公路沥青路面设计规范［S］.

［4］ 张嘎吱，沙爱民.水泥粉煤灰稳定碎石基层的龄期和强度［J］.公路交通科技，2005，22（6）：27-29.

［5］萧赓，梁乃兴，杨超杰，等.水泥粉煤灰级配碎石基层混合料的路用性能研究［J］.重庆交通学院学报，2001，20（S1）：101-104.

［6］杨锡武，梁富权.水泥粉煤灰稳定混合料修筑高等级、道路路面基层的试验研究［J］.中国公路学报，1994，7（S1）：80-86.

［7］袁润章，胶凝材料学［M］.武汉：武汉理工大学出版社，1998.

（收稿日期：2015-03-05）

Application of Vibratory Compaction in Cement and Fly-ash Stabilized Macadam Base

Zhang Keqiang1，2， Wei Wuju1，2， Han Chao1，2， Zhao Zhiqiang1，2
（1. JSTI Group， Nanjing 211112， China；2. National Engineering Laboratory for Advanced Road Materials， Nanjing 211112， China）

On the basis of strength and modulus tests， the gradation of cement and fly-ash stabilized crushed-stones using vibratory compaction is analyed. And the test results are successfully applied in renovation and expansion project of Xi'an to Baoji section Lianhuo highway （G30）. Practice shows that the the road performance of optimized cement and flyash stabilized crushed-stones is good，which can provide reference for similar projects.

road engineering； cement and fly-ash stabilized macadam； vibratory compaction； dense framework structure； road performance

U414

A

1672-9889（2016）01-0021-03

江苏省交通运输厅科技项目（项目编号：07Y18）

张可强（1982-），男，山东菏泽人，高级工程师，主要从事道路材料、路面结构设计研究工作。

2015-05-27）