超大掺量粉煤灰综合稳定基层材料性能研究

朴志海,陈兴盛,许 巍,姚瑞珊

(1.龙建路桥股份有限公司,黑龙江 哈尔滨 150009;2.天津市农村社会事业发展服务中心,天津 300384;3.黑龙江省寒地建筑科学研究院,黑龙江 哈尔滨 150080;4.黑龙江建筑职业技术学院,黑龙江 哈尔滨 150025)

1 前 言

长期以来,水泥稳定基层材料被人们广泛应用于较高和高等级路面基层中,它具有比较明显的技术优势:强度较高,稳定性较好,抗冻性较强,自成板体等。

传统水泥稳定基层材料也存在着一些无法克服的缺点:耐磨性较差,水泥绝对用量较大、易发生干缩、温缩裂缝,施工工艺局促,从配料搅拌到摊铺碾压完成要求间隔时间较短,对水泥凝结时间和施工队伍操作水平要求较高,一般水泥稳定材料强度增长较慢,养生期较长[1]。

研究了一种可以弘扬其既有优点,同时可以最大限度减小其固有缺点的水泥稳定基层材料,即超大掺量粉煤灰综合稳定基层材料。

张桂霞对多功能水泥稳定碎石基层材料外加剂进行过较系统研发[2]。受此启发,在研究中超量掺加Ⅱ级粉煤灰(占胶凝材料的50%),同时掺加1%的聚羧酸高性能外加剂,外加剂中复合了适量的缓凝剂,混合料的延迟时间可控。

2 配合比的选择

在研究中,参考了水泥混凝土配合比设计思路,将超大掺量粉煤灰综合稳定基层材料划为特贫混凝土范畴研究,充分考虑超大掺量掺加粉煤灰的后果,可能会降低混合料的早期强度,尝试在混合料中掺加复合外加剂,降低最佳含水率,以弥补早期强度的损失。黄煜镔、吕伟民、徐建达等人对水泥稳定基层材料中掺加减水剂都曾进行过研究[3],取得了有益的成果。

大量研究结果表明,掺加外加剂后,超大掺量粉煤灰综合稳定基层材料与纯水泥稳定基层材料相比,最佳含水率降低了1.2%,这就为保证早期强度满足施工要求提供了理论依据。

经过系列研究试配,最终确定超大掺量粉煤灰综合稳定基层材料配合比如下。[4]

(1)碎石级配组成:9.5～31.5 mm碎石占53%,5～10 mm碎石占9%,3～5 mm碎石占6%,0～3 mm石屑占32%[5]。

(2)胶凝材料:4.5%,其中,水泥占50%,Ⅱ级粉煤灰占50%。

(3)聚羧酸外加剂占胶凝材料总和的1.0%。

(4)最佳含水率:4.4%,最大干密度2.311 g/cm3。

3 力学性能

3.1 无侧限抗压强度[6]

首先确定超大掺量粉煤灰综合稳定基层材料配合比,该配合比与传统无机结合料基层材料的不同点已在前言有所陈述,在此不再赘述。为体现出该配合比的特点,本研究与另两个配合比的基层材料进行对比,这三个对比组合的胶凝材料组分分别为:(1)2.25%水泥+2.25%粉煤灰+1%外加剂;(2)2.25%水泥+2.25%粉煤灰无外加剂;(3)4.5%纯水泥。其中,组合(1)为本研究对象,其余两个组合为对比组合。因本试验研究的胶凝材料中掺加了大量的粉煤灰,粉煤灰的水化速度较慢,所以在确定这批综合稳定材料试件的试验龄期时除了考虑7 d龄期外外,同时考虑了28 d、60 d和90 d三个龄期。对比试验结果见表1。

表1 对比试验各龄期无侧限抗压强度

从表中1可以看出,本研究的7 d无侧限抗压强度虽然低于纯水泥同龄期组合,但完全满足各等级公路基层设计强度要求,其特征与优势主要体现在后期强度增长率较高。

3.2 抗弯拉强度

考虑到综合稳定基层材料路用性能和受力特点,进行了抗弯拉强度试验研究。因该研究胶凝材料中掺加了50%的粉煤灰,属于超大掺量范畴,所以确定以180 d龄期作为研究试验龄期。该试验研究参数可为无机结合料稳定材料的弯拉疲劳试验、弯拉模量试验确定加荷标准提供基础数据。同时可以以此验证该配合比的可行性和稳定性。本次研究路线同2.1,研究试验结果见表2。

表2 超大掺量粉煤灰水泥稳定基层材料各龄期抗弯拉强度

弯拉强度试验验结果表明:掺加50%粉煤灰同时掺加1%外加剂的配合比,其180 d弯拉强度达到100%纯水泥配合比同龄期弯拉强度的93.4%;掺加50%粉煤灰不掺加外加剂的配和比,其180 d弯拉强度达到100%纯水泥配合比同龄期弯拉强度的88.5%。从这三种不同配合比不同结果中可以体现出掺加外加剂配合比的优势。

3.3 间接抗弯拉强度

间接抗弯拉强度也是无机结合料稳定材料的一个主要力学参数,它可以间接衡量该材料的劈裂强度,为此文中进行了间接抗弯拉强度试验(每个龄期每个配合比13个试件)研究,因该研究胶凝材料中掺加了50%的粉煤灰,属于超大掺量范畴,所以确定以180 d龄期作为研究试验龄期,以此验证该配合比的可行性和稳定性。本次研究路线同2.1,研究试验结果见表3。

表3 超大掺量粉煤灰水泥稳定基层材料各龄期间接抗弯拉强度

间接抗弯拉强度研究试验结果表明:掺加50%粉煤灰同时掺加1%外加剂的配合比,其180 d间接弯拉强度达到100%纯水泥配合比同龄期间接弯拉强度的84.2%;掺加50%粉煤灰不掺加外加剂的配合比,其180 d间接弯拉强度达到100%纯水泥配合比同龄期间接弯拉强度的60.0%。从这三种不同配合比研究结果中可以体现出掺加外加剂配合比的优势。

3.4 室内抗压回弹模量(顶面法)

室内抗压回弹模量也是无机结合料稳定材料的一个力学参数,是路面基层进行无侧限抗压强度等结构设计的基础性参数。

回弹模量是指路基,路面及各种筑路材料在荷载作用下产生的应力与其相应的回弹应变的比值,路面基层回弹模量表示路面基层材料在弹性变形阶段内,在垂直荷载作用下,抵抗竖向变形的能力。如果垂直荷载为定值,路面基层回弹模量值愈大则产生的垂直位移就愈小;如果竖向位移是定值,回弹模量值愈大,则路面基层承受外荷载作用的能力就愈大。从这里我们可以看出,室内抗压回弹模量是衡量基层路用性能的一个重要指标和参数,在某种意义上说,它比无侧限抗压强度能更好的体现基层的承载能力。

本研究参照2.1思路,即选择三个对比组合对该参数进行较为系统研究。对比组合分别为:(1)2.25%水泥+2.25%粉煤灰+1%外加剂;(2)2.25%水泥+2.25%粉煤灰无外加剂;(3)4.5%纯水泥。研究试验结果见表4～表6和图1～图3。

图1 纯水泥无机结合料回弹模量曲线

图2 2.25%水泥+2.25%粉煤灰无外加剂无机结合料回弹模量曲线

图3 2.25%水泥+2.25%粉煤灰+1%外加剂无机结合料回弹模量曲线

表4 纯水泥无机结合料回弹模量试验数据

表5 2.25%水泥+2.25%粉煤灰无外加剂无机结合料回弹模量试验数据

表6 2.25%水泥+2.25%粉煤灰+1%外加剂无机结合料回弹模量试验数据

室内抗压回弹模量试验结果表明:掺加50%粉煤灰同时掺加1%外加剂的配和比,其180 d室内抗压回弹模量达到100%纯水泥配合比同龄期室内抗压回弹模量的100.8%;掺加50%粉煤灰不掺加外加剂的配合比,其180 d室内抗压回弹模量达到100%纯水泥配合比同龄期室内抗压回弹模量的46.4%。

以上三种不同配合比不同结果凸显了掺加外加剂配合比的优势,同时,我们更应该充分利用掺加粉煤灰筑路材料长期性能的优势。

4 综合稳定基层材料耐久性研究

4.1 综合稳定基层材料抗冻性能

综合稳定基层材料抗冻性是指其在饱水状态下遭受冻融循环时,抵抗破坏的能力,它也是反映综合稳定基层材料耐久性能最重要参数之一。为了验证综合稳定基层材料抗冻性能,研究过程中将以下三组配合比的抗冻性能进行对比:2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加剂、2.25%粉煤灰+2.25%水泥无外加剂和4.5%纯水泥。因为抗冻试件中有两种配合比的胶凝材料中均掺加了50%的粉煤灰,所以这些试件的养生龄期均确定为180 d。为了系统客观全面检验这一参数,研究中采用五次冻融循环和十次冻融循环两种循环制度,分别检验这三种配合比的抗冻性能。五次冻融循环和十次冻融循环试验对比数据,见表7和表8。

表7 五次循环后冻融试验数据

表8 十次循环后冻融试验数据

从上述五次冻融循环和十次冻融循环试验可以看出:在这两种冻融循环制度下,其试验结果的规律基本相同,即质量损失率:4.5%纯水泥配合比最小,2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加剂配合比较前者稍大,2.25%粉煤灰+2.25%水泥无外加剂配合比最大。强度损失率:2.25%粉煤灰+2.25%水泥无外加剂配合比最大,5%纯水泥配合比稍小,2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加剂配合比最小。

在冻融循环这一指标参数中,2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加剂配合比的强度损失最小。以上研究表明,掺加外加剂超大掺量粉煤灰综合稳定基层材料的抗冻性能良好,尤其在高寒地区应用,它在抵抗强度损失方面具有明显的优势。

4.2 综合稳定基层材料干缩性能

本参数研究路线与思路同3.1,研究中将以下三组配合比的干缩性能进行对比:2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加剂、2.25%粉煤灰+2.25%水泥无外加剂和4.5%纯水泥。具体试验结果见表9～表11及图4～图6。

图4 2.25%粉煤灰+2.25%水泥无外加剂无机结合料干缩曲线

图5 2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加剂无机结合料干缩曲线

图6 纯水泥无机结合料干缩曲线

表9 2.25%粉煤灰+2.25%水泥无外加剂无机结合料干缩试验数据

表11 纯水泥无机结合料干缩试验数据

从以上三组不同配合比干缩试验对比数据中可以明显看出,100%纯水泥的配合比干缩最大,2.25%粉煤灰+2.25%水泥无外加剂的干缩次之,:2.25%粉煤灰+2.25%水泥+1%外加剂的干缩最小,由此得出结论:掺加了粉煤灰和聚羧酸外加剂的综合稳定材料可以大大减小干缩系数。

5 结 语

超大掺量粉煤灰水泥稳定基层材料具有良好的力学性能、优越的耐久性能、方便的施工性能。(1)力学性能满足目前公路基层底基层无侧限抗压强度设计要求,尤其长期力学性能增长率突出。(2)耐久性能明显优于传统基层材料。(3)因掺加了缓凝型外加剂,混合料延迟时间可控,方便施工。(4)超大掺量粉煤灰稳定基层材料成本低,据测算可节省材料成本约32%,经济效益显著。(5)超大掺量使用粉煤灰,节能环保,属于绿色施工,环境效益和社会效益显著。该技术已在黑龙江省安达市政工程、黑龙江省西部通乡公路等工程进行了试用,力学性能、耐久性能良好,具有良好的应用前景。