路用水泥稻壳灰稳定碎石混合料性能试验研究

朱俊樸

中山翠亨新区工程项目建设事务中心，广东 中山 528400

水泥稳定碎石因具有强度高、稳定性强、整体性与抗冻胀性能好等优点，被广泛应用于公路基层、铁路路桥过渡段与寒区铁路路基材料中［1-3］。我国稻壳每年产量高达4 500万t［4］，常用的焚烧处理方法对生态环境影响大。稻壳焚烧后产生的稻壳灰价廉，且具有较强的火山灰活性，非晶质SiO2含量高达90%。

国内外学者对稻壳灰水泥基材料和性能进行了理论与试验研究。汪知文等［5］介绍了稻壳灰的理化性质、微观结构、生产制备工艺及其对水泥混凝土各项性能的影响，阐述了稻壳灰在水泥混凝土中的工作机理；龚建清等［6］发现稻壳灰取代硅灰比例达到100%时，试件28 d抗压强度、抗折强度分别比基准组提高15.4%和16.0%；马嘉琛等［7］研究发现粒径7～10μm的细粒稻壳灰可缩短水泥净浆凝结时间，替代率5%时可提高水泥抗折及抗压强度；王佳雷等［8］研究发现水泥-石灰石粉-稻壳灰复合料试件抗压强度随着稻壳灰掺量增加先增大后减小，替代率10%时抗压强度最高；Gemma［9］发现稻壳灰可以降低混凝土渗透系数，替代率20%时混凝土渗透系数最低。Khan等［10］发现掺入稻壳灰的混凝土呈现出较好的抗氯离子渗透性能。王维红、Givi等［11-12］发现稻壳灰与其他矿物料复掺适当替代水泥能在一定程度上改善水泥混凝土的强度及耐久性能。

国内外针对稻壳水泥基材料的研究主要集中在材料本身性能改善方面，关于稻壳灰应用于水泥稳定碎石混合料基层时，其对强度及耐久性能的影响鲜有研究，而水泥稳定碎石在铁路、公路路基与基床中应用广泛。本文采用稻壳灰替代水泥，替代率分别为0、20%、40%、60%、80%。通过无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度等强度试验和抗冻性能、抗干缩性能、抗温缩性能等耐久性能试验，对不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料性能变化规律进行探究。

1 试验原材料

水泥为P.C32.5复合硅酸盐水泥，其基本性能指标符合TJ E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》要求。集料为表面粗糙干燥的石灰石，其性能指标符合JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》要求。稻壳灰为普通稻壳经锅炉房焚烧后所得，见图1。

图1 稻壳灰样品

通过X射线衍射法对稻壳灰元素组成进行分析，结果见表1。可知，稻壳灰主要由碳、氧、硅元素以SiO2晶体形式存在。这三种元素质量占比接近95.7%。

表1 稻壳灰元素含量 %

采用扫描电镜法对粉磨后的稻壳灰微观形态进行分析，结果见图2。可见稻壳灰主要存在两种形态。一种稻壳灰呈棱角分明的碎片状，粒径小于5μm；另一种稻壳灰因相互吸附聚拢成球状颗粒。大量微小球状颗粒使得稻壳灰比表面积达到50～100 m2∕g，这可能是稻壳灰具有高火山灰活性的原因之一［13］。

图2 稻壳灰扫描电镜图像

2 水泥-稻壳灰稳定碎石混合料配合比

水泥用量太高将降低混合料的收缩性能，太低又影响其强度。参考JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》，试验时水泥质量取全部集料总质量的5.0%。集料采用JTG F20—2015《公路路面基层施工技术细则》推荐的级配中值，见表2。筛孔尺寸单位为mm。

表2 集料级配

3 击实试验

通过击实试验测定水泥稻壳灰稳定碎石混合料的最优含水率及最大干密度，结果见表3。其中：配合比为水泥、稻壳灰和集料三种组分的质量百分比。可知，稻壳灰取代部分水泥对混合料最大干密度几乎无影响，但能明显提升其最优含水率。

表3 水泥稻壳灰稳定碎石混合料击实试验结果

4 水泥稻壳灰稳定碎石混合料强度试验

试件分为ϕ150 mm×150 mm（高）圆柱形及400 mm（长）×100 mm（宽）×100 mm（高）梁式两种，采用静力压实法成型。按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》要求进行无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度、抗压回弹模量试验。按照JTG D50—2017对试验结果进行定量分析。

4.1 无侧限抗压强度

不同替代率下试件的无侧限抗压强度随龄期变化曲线见图3。可知：①同一龄期下水泥稳定碎石混合料的抗压强度随稻壳灰替代率增加而降低，四种替代率混合料的抗压强度与龄期均成正相关。②未掺稻壳灰时180 d龄期混合料抗压强度比7 d龄期增长42.2%，替代率为20%、40%、60%、80%时混合料抗压强度依次增长46.7%、49.5%、89.1%、261.0%。增长率越大，说明早期强度越低，强度形成所需时间越长。这是由于稻壳灰替代率的增加使混合料最优含水率增大，进而影响到混合料的水化反应，延缓了早期强度的形成时间。③规范中高速公路或一级公路无机结合料稳定材料7 d无侧限抗压强度参考值为4.0～6.0 MPa。稻壳灰替代率为20%时混合料抗压强度（4.22 MPa）满足要求，说明稻壳灰替代水泥后，混合料抗压强度虽有降低，但替代率不大时仍能满足规范要求。

图3 不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料无侧限抗压强度随龄期变化曲线

4.2 劈裂强度

不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料的劈裂强度随龄期变化曲线见图4。可知：①在同一龄期下混合料劈裂强度随稻壳灰替代率增加而下降。这是由于抗劈裂破坏能力主要与集料之间的黏结力有关，稻壳灰的替代延缓了试件强度的形成时间。②不同替代率混合料劈裂强度均随龄期增长而逐渐增大。规范中无机结合料稳定材料90 d劈裂强度参考值为0.4～0.6 MPa，替代率20%时混合料劈裂强度（0.56 MPa）满足规范要求。③稻壳灰替代率为0、20%、40%、60%、80%时混合料90 d劈裂强度分别占最大劈裂强度的95.9%、88.9%、83.0%、83.3%、72.2%。

图4 不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料劈裂强度随龄期变化曲线

4.3 弯拉强度

不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料90 d龄期弯拉强度见表4。可知：①混合料弯拉强度随稻壳灰替代率增加而降低。替代率20%时混合料弯拉强度比不替代时仅下降6.5%。替代率40%时混合料弯拉强度比替代率20%时下降22.3%。这是由于与劈裂强度一样，弯拉强度也取决于集料之间的黏结力。稻壳灰替代率增加，水泥含量降低，导致水泥水化产生的胶凝物质减少，进而减弱了混合料内部的黏结力。②稻壳灰替代率40%的混合料弯拉强度为1.22 MPa，满足规范要求的0.9～1.5 MPa。

表4 不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料90 d龄期弯拉强度

4.4 抗压回弹模量

不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料90 d龄期抗压回弹模量见表5。可知：①混合料抗压回弹模量随稻壳灰替代率增加而降低。这是由于混合料抗压回弹模量除受集料颗粒间黏结力影响外，还受水泥用量影响。稻壳灰替代率增大使混合料水泥用量降低，导致抗压回弹模量降低。②规范中无机结合料稳定材料抗压回弹模量参考值为1 300～1 700 MPa。替代率不超过40%时，混合料抗压回弹模量满足规范要求。

表5 不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料90 d龄期抗压回弹模量

5 水泥稻壳灰稳定碎石混合料耐久性能试验

混合料耐久性能试验试件尺寸与强度试件尺寸一致。按照JTG E51—2009进行抗冻性能、抗干缩性能和抗温缩性能试验，并按照JTG D50—2017对试验结果进行定量分析。

5.1 抗冻性能

无机结合料稳定材料的抗冻性能用冻融残留抗压强度比（试件N次冻融循环后试件的抗压强度和未冻融试件的抗压强度之比）来表征。其值越大，混合料的抗冻融破坏能力越强。

不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料经5次冻融循环后残留抗压强度比见表6。可知：①混合料残留抗压强度比随稻壳灰替代率增加而降低。这是由于稻壳灰的掺入使得水泥水化产物减少，胶结作用减弱，水泥浆体在冻融循环作用下更易损伤，与骨料剥离。②替代率60%时混合料残留抗压强度比68.5%，满足大于等于65%（中冻区）的规范要求。说明稻壳灰替代率较高时混合料抗冻性能依然较好，稻壳灰在寒区路基材料中使用价值较高。

表6 不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料残留抗压强度比

5.2 抗干缩性能

抗干缩性能表征无机结合料稳定材料抵抗失水后尺寸收缩的性能，以干缩量、干缩系数两个指标衡量。干缩量为试件在一定时间内单向尺寸的变化量。干缩系数为干缩应变与失水量的比值，干缩系数越大混合料失水收缩程度越高。

不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料的累计失水率和累计干缩量见图5，各试件的平均干缩系数见表7。

表7 不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料平均干缩系数

图5 不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料累计失水率、累计干缩量随龄期变化曲线

由图5和表7可知：①混合料累计失水率和累计干缩量随试件龄期增长而逐渐增大，20 d时累计失水率已基本稳定，190 h时累计干缩量才趋于稳定。②混合料平均干缩系数与稻壳灰替代率成正相关，替代率20%时混合料平均干缩系数比不替代时小，说明抗干缩性能有所改善，而替代率超过20%后干缩系数会逐渐增大。可能是由于替代率20%时，稻壳灰与水泥反应生成致密且收缩应变较小的浆体。

5.3 抗温缩性能

抗温缩性能通过温缩试验测定，温缩性能为环境温度降低时无机结合料稳定材料尺寸收缩性能，用温缩系数衡量。温缩系数越大，混合料降温后收缩程度越高。温缩试验温度从50℃逐级降至-20℃，分7个区间，每个区间温差10℃。

不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料平均温缩系数见表8。可知：①平均温缩系数随替代率增加而增大，但增幅不大，说明稻壳灰对于寒区路基材料抗温缩性能影响较小。②替代率由20%增至80%时混合料平均温缩系数增长了29.2%。这是由于稻壳灰密度远小于水泥，水泥与稻壳灰结合后水化时总体积增大，水化物的温缩导致了混合料整体的温缩。

表8 不同替代率下水泥稻壳灰稳定碎石混合料平均温缩系数

6 结论

1）稻壳灰替代率的增加在一定程度上削弱了水泥稻壳灰稳定碎石混合料的强度。替代率20%时混合料7 d无侧限抗压强度、90 d劈裂强度均满足规范要求；替代率40%时90 d弯拉强度、抗压回弹模量均满足规范要求。

2）稻壳灰替代率60%时水泥稻壳灰稳定碎石混合料的抗冻性能满足规范要求。替代率20%时有利于抗干缩，但替代率继续增加对抗干缩性能、抗温缩性能均不利，应用时需特别注意。

3）稻壳灰替代率为20%时，水泥稻壳灰稳定碎石混合料各项性能除弯拉强度比规范参考值稍高外，其他指标均满足相关规范要求。建议通过调整混合料配合比、提高养生温度、增加养生时间等方式改善其弯拉强度。