石灰-粉煤灰-水泥稳定碎石的力学性能试验

贾 亮, 连尚承

(兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050)

道路工程中,常用水泥、粉煤灰及石灰等无机结合材料稳定碎石,将其作为路面基层或底基层的铺筑材料[1-5].稳定碎石常见类型有石灰-粉煤灰稳定类、水泥-粉煤灰稳定类和水泥稳定类.石灰-粉煤灰稳定碎石虽然后期强度较高,但前期强度不足;水泥稳定碎石前期强度能达到路面基层的强度要求,但易产生干缩、温缩开裂等问题,造成后期强度的降低甚至出现新的病害[3-6],因此部分学者提出了低剂量水泥或水泥-石灰-粉煤灰综合稳定碎石[7-9].

为提高基层的早期强度,笔者在石灰-粉煤灰稳定碎石中添加具有快硬早强、粘结强度高、环境友好的硫铝酸盐水泥[10-11],组成石灰-粉煤灰-硫铝酸盐水泥综合稳定碎石,并与石灰-粉煤灰-普通硅酸盐水泥稳定碎石作力学性能的对比,探求不同的级配、无机结合料含量及水泥种类对稳定碎石强度的影响,得出UCS和STS与级配、无机结合料含量、水泥种类以及养护时间的关系.

1 试验原材料及配合比

1.1 原材料

碎石取自兰州北龙口路面维修养护中心料场,石料的压碎值为13.8%;粉煤灰和熟石灰购自河南省巩义市化工品有限公司,具体化学成分见表1和表2.硫铝酸盐水泥从上海通达有限公司购买,化学成分见表3.普通硅酸盐水泥购自兰州祁连山水泥厂.

表1 粉煤灰的化学成分

表2 石灰的化学成分

表3 硫铝酸盐水泥的化学成分

1.2 石灰-粉煤灰-硫铝酸盐水泥稳定碎石的配合比

碎石的级配根据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)[12]推荐值选用,通过改变粒径范围的比例得到级配A和级配B两种级配,碎石通过筛孔的质量百分率如表4.无机结合料的种类和含量对稳定碎石的强度有显著影响,根据《公路路面基层施工技术细则》 (JTG/T F20-2015)[12],石灰与粉煤灰的推荐比例为1∶2～1∶4,结合料与被稳定碎石的比例为20∶80～15∶85,此时该混合料为骨架密实式粒料,为减少试验工作量,本试验选用石灰∶粉煤灰=1∶4,无机结合料含量取15%和20%两种,普通硅酸盐水泥(硫铝酸盐水泥)的含量分别取1%、1.5%及2%.具体的石灰-粉煤灰-水泥稳定碎石的配合比如表5.

表4 碎石级配A、B通过筛孔的质量百分率

表5 稳定碎石的配合比、最大干密度和最佳含水量

2 试验方法

首先根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中的规定进行标准击实试验[12],得出不同类别石灰-粉煤灰-水泥稳定碎石的最佳含水率和最大干密度;然后根据最大干密度和最佳含水率,制作无侧限抗压强度试样及劈裂拉伸强度试样,并在温度为(20±2)℃、相对湿度95%以上的养护箱中养护1、4、7、28 d,除养护龄期1 d的试样外,其它养护龄期的试样力学试验前24 h放入水中浸泡使试样达到饱和,取出试样后用抹布擦去表面的自由水,然后用作力学性能的测试试样.

无侧限抗压强度试验按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中的规定[13],在路强仪上试验时试样不受侧向约束,以1 mm/min的速率施加轴向压力直至试件破坏,破坏时施加的轴向力与试样底面积的比值为UCS,为减小误差,每一个配合比的试样共制备13个,以这13个试样无侧限压缩强度的平均值为最终的UCS.劈裂拉伸强度试验遵循《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中的方法[13],STS根据破坏时施加的最大荷载P并通过计算得到,考虑到试验数据的随机性,每一个配合比的试样共制备13个,以这13个试样STS的平均值作为最终的STS.

3 结果与分析

3.1 最大干密度和最佳含水率

最大干密度和最佳含水率是评价路面基层材料压实特性的重要指标.图1为不同类别石灰-粉煤灰-稳定碎石的干密度和含水率关系曲线.由图1可知:干密度随着含水率的增加而增大,当干密度达到峰值后,干密度随着含水率的增加反而减小;当水泥含量相同,无机结合料含量为15%时的最大干密度大于无机结合料含量为20%时稳定碎石的最大干密度,级配A稳定碎石的最大干密度大于级配B.可见,随着无机结合料和细集料含量的增加,最佳含水率也随之增大,但最大干密度随之减小.

图1 稳定碎石的击实曲线

3.2 水泥含量、碎石级配及养护龄期对UCS和STS的影响

许多学者通过试验发现无机结合料含量、养护时间及碎石的级配对稳定碎石强度有较大影响[14-15].笔者通过UCT和STS得出不同水泥含量、碎石的级配及养护龄期对稳定碎石UCS和STS的影响如图2所示.由图2可知:当水泥含量和养护龄期相同时,养护龄期1 d稳定碎石的UCS大小关系为Ⅰ-A(ⅰ-A)>Ⅱ-A(ⅱ-A)>Ⅰ-B(ⅰ-B) >Ⅱ-B(ⅱ-B),可见当碎石级配良好,掺加较少的无机结合料也能获得较高的无侧限抗压强度,这是因为无机结合料稳定碎石中碎石级配良好时,碎石骨架的相互嵌挤及摩擦作用形成了较高的强度.但STS最大的一组为Ⅱ-A(ⅱ-A),这是因为较多的细集料和胶结物质形成的粘聚力更大.当碎石级配、无机结合料含量和养护龄期相同时,稳定碎石的UCS和STS随着水泥含量的增加而增大,当水泥含量为2%时稳定碎石的强度最大.当无机结合料含量、水泥含量和碎石级配相同时,稳定碎石的UCS和STS随着养护龄期的增长而提高,这是因为随着养护龄期的增加,水泥的水化反应、石灰粉煤灰的水化反应及水泥粉煤灰之间的一系列复杂的物理化学反应生成了胶结物质,能将碎石胶结在一起,这是稳定碎石强度的另一个重要来源.

图2 不同养护龄期的UCS和STS

3.3 水泥种类对UCS和STS的影响

不同水泥种类对UCS和STS的影响如图3所示.由图3可知,当无机结合料含量、水泥含量相同时,养护龄期为1 d的硫铝酸盐水泥稳定碎石的UCS和STS高于相同养护龄期的普通硅酸盐水泥稳定碎石的强度,Ⅰ-3-A类的石灰-粉煤灰-硫铝酸盐水泥稳定碎石1 d的无侧限抗压强度最大(2.28 MPa),达到了二级及以下公路路面基层开放交通的规定[11],此时石灰-粉煤灰-硫铝酸盐水泥稳定碎石的UCS和STS分别为石灰-粉煤灰-普通硅酸盐水泥稳定碎石UCS和STS的1.2和1.78倍,这是因为硫铝酸盐水泥早期水化反应速率大于普通硅酸盐水泥,生成大量的胶结物质快速提升了稳定碎石的早期强度.养护龄期为4天和7天时,两种水泥稳定碎石强度接近,养护龄期为28天时,硫铝酸盐水泥稳定碎石的强度稍微高于普通硅酸盐水泥,没有出现硫铝酸盐水泥混凝土类似的强度降低现象[9-10],可见石灰-粉煤灰-硫铝酸盐水泥稳定碎石作为路面基层和底基层材料可以达到快速修补要求.

图3 不同水泥种类稳定碎石的UCS和STS的对比图

4 结论

1) 石灰-粉煤灰-硫铝酸盐水泥稳定碎石基层养护龄期1 d的UCS最大可达2.28 MPa,满足二级及以下公路路面基层开放交通的强度要求,石灰-粉煤灰-硫铝酸盐水泥稳定碎石的UCS、STS分别为石灰-粉煤灰-普通硅酸盐水泥稳定碎石的1.2和1.78倍,说明用硫铝酸盐水泥综合稳定碎石可大大提高稳定碎石的早期强度.

2) 碎石的级配对无机结合料稳定碎石强度有重要影响,选择良好级配的碎石,在相同的无机结合料含量下稳定碎石具有较高的强度.

3) 养护时间为4天和7天的石灰-粉煤灰-硫铝酸盐水泥稳定碎石与同龄期石灰-粉煤灰-普通硅酸盐水泥稳定碎石UCS和STS接近,且养护28 d后强度没有降低,说明石灰-粉煤灰-硫铝酸盐水泥稳定碎石可用于路面基层的快速维修养护中.