硅灰多孔水泥稳定碎石基层性能的试验研究

刘明富，桑伟宁

(1.安徽省交通控股集团有限公司,安徽 合肥 230088；2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

0 前 言

截至2019年，我国公路总里程已达484.65万km，高速公路达14.26万km，居世界第一[1]。目前我国建成的高速公路，主要是半刚性基层路面，而半刚性基层具有刚度大、可以承受大荷载的特点。但是半刚性基层属密实性结构，道路的最大影响因素就是水。很明显半刚性基层结构在应对水的影响时显得不足，水分会在道路基层中累积，无法排到底面层，当有行车荷载时，很容易造成道路结构的冲刷破坏。基于半刚性基层这一劣势，一种新型基层结构破土而出，多孔水泥稳定碎石基层，可以让流入道路面层和基层中的水，通过一个个小孔流到基层的裂隙中向下渗透，流入到路基中，从而很好的避免了水在路面和路基层的停留，让道路免受雨水的影响[2]。基于多孔水泥稳定碎石的特点，在其中加入硅灰这种材料，研究对多孔水泥稳定碎石基层的影响；在其中添加不同种类的硅灰后，对其路面性能进行研究[3]。

1 原材料

(1)硅灰：硅灰A产地上海；硅灰B产地山东；硅灰C产地上海，各项性能指标见表1。

表1 硅灰性能指标

(2)水泥：安徽海螺水泥有限公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，主要性能指标见表解。

表2 水泥的性能指标

(3)粗集料:巢湖产天然玄武岩碎石，共分两档：集料A为4.75～9.5 mm，集料B为9.5～15 mm，各项性能指标见表3，筛分结果见表4。

表3 粗集料性能指标

表4 两种粗集料的筛分结果

(4)水：城市自来水。

2 试验方案与结果分析

参考已有研究成果，在满足规范要求下，采用单一级配进行试验研究[4]，即30%的粗集料A，70%的粗集料B，水泥和天然河沙掺量参考规范要求，均采用单一配比，水灰比为0.42，水泥用量掺量8%，击实采用重型击实方法[5]。

2.1 透水性能

多孔水泥稳定碎石相对于传统水泥稳定碎石，最大优势在于其透水性，因此首先应该验算在此级配下多孔水泥稳定碎石透水性的影响。透水性能宜用材料的空隙率和透水系数表示。根据规范相关要求，测得此级配的空隙率和透水系数见表5。

表5 水稳碎石透水性指标

由表5可知，试验所用级配测得空隙率为24.23%，根据东南大学对透水结构层材料空隙的研究，透水结构层材料所形成连通空隙的临界空隙率为17.33%，故满足要求。透水系数为13.8%，说明材料的透水性能较好。

2.2 无侧限抗压强度

多孔水泥稳定碎石透水性比普通水泥稳定碎石高，但由于其结构特点，相应的强度可能比一般水泥稳定碎石弱，因此首先应考虑其强度指标，了解掺加三种不同的硅灰对多孔水泥稳定碎石的影响，胶凝材料掺量均为8%，测得7 d和28 d抗压强度数据见表6、表7。

表6 各硅灰7 d无侧限抗压强度

表7 各硅灰28 d无侧限抗压强度

由表6、表7可知，硅灰A、B均可提高多孔水泥稳定碎石的7 d和28 d无侧限抗压强度，硅灰C仅提高了7 d抗压强度。硅灰A、C虽然提高了28 d无侧限抗压强度，但是与前面的7 d无侧限抗压强度相比较，强度提升的幅度有所下降。这是因为硅灰的掺加更能促进试件早期强度的形成，水泥前期帮助强度形成需要时间，28 d试件强度形成较完全，因此硅灰提升强度的幅度有所降低。

2.3 弯拉强度

高速公路主要采用半刚性基层沥青路面，此种基层早期破坏问题主要为路面开裂，即抗弯拉强度不足。因为弯拉强度是很重要的指标，本节主要讨论的是掺量不同的硅灰是否会对多孔水泥稳定碎石的弯拉强度造成影响。本次试验制作100 mm×100 mm×400 mm的小梁试件，级配与前面相同，总共四组试件，一组不掺加硅灰，其余三组分别按照前面相同的掺量掺加不同种类的硅灰，养护28 d后，依据规范测试试件的弯拉强度，并将弯拉强度表示为中点竖向位移的函数，结果见图1～图4。

图1 不掺硅灰抗弯压强度变化图

图2 掺硅灰A抗弯压强度变化图

图3 掺硅灰B抗弯压强度变化图

图4 掺硅灰C抗弯压强度变化图

由图1～图4可知，各条曲线的变化规律均是中点竖向位置随着抗弯拉强度的增大而增大，前期上升较快，而后逐渐变缓，在相同的中点竖向位移下，图2～图4的弯拉强度均大于图1，说明掺加三种硅灰均可以提高水泥稳定碎石的弯拉强度。

2.4 室内动态抗压回弹模量

室内抗压回弹模量表示无机结合料稳定材料试件在弹性变形阶段内，在垂直荷载作用下，抵抗竖向变形的能力。试验按照规范要求制作φ150 mm×150 mm试件，制作四组试件，分别为不掺硅灰和单独掺加三种硅灰，配合比均与前文相同。养护90 d，预定压力分为5个等级逐级加载，记录相应过程的变形量，结果见表8。

表8 各硅灰掺量试件室内抗压回弹模量

由表8可知，不掺硅灰材料的回弹模量为868.7 MPa，参加三种硅灰，回弹模量分别增长了9.6%、3.6%、2.0%，说明掺加硅灰后，能够提高多孔水泥稳定碎石的室内动态回弹模量，效果最好的是硅灰A。

3 结 论

(1)多孔水泥稳定碎石透水性能优于普通水稳碎石，对于抵抗水损坏具有重要的意义。

(2)加入硅灰后试件的7 d、28 d无侧限抗压强度均有不同程度的提高，其中7 d强度增长最多是硅灰A，28 d强度增长幅度与7 d相比均下降，对28 d无侧限抗压强度增长最大的是硅灰A，硅灰C没有明显变化、

(3)掺加硅灰后，试件的最大弯拉强度呈增长趋势，对于裂缝的产生和发展有较好的抑制作用。

(4)试件在加入硅灰材料后，室内动态回弹模量都在增大，增长最大的是硅灰A，增长了9.6%。

(6)综合比较三种硅灰材料，总体上硅灰A的各项性能最好，有利于水稳碎石在道路中应用。因为本文级配参考相关规范，综合前人研究所得，没有对不同级配的材料掺入硅灰后进行深入研究，级配对于硅灰掺入多孔水泥稳定碎石的影响有待进一步研究。