水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層應(yīng)用技術(shù)

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摘要：在國內(nèi)路面基層設(shè)計中，未見采用水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的形式，通過梨溫高速的施工實踐，形成了一套關(guān)于水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層的技術(shù)要求
關(guān)鍵詞：水泥 粉煤灰應(yīng)用技術(shù)

0簡述
梨溫高速公路是國道主干線上海至瑞麗公路江西境內(nèi)的一段，全長244.749km，其中K125+000～K149+500段經(jīng)過貴溪市，貴溪市火力實業(yè)總公司有大量的粉煤灰（濕排灰），考慮到因地制宜，就地取材的原則，該段路面基層設(shè)計時決定利用粉煤灰作為穩(wěn)定材料，但梨溫公路沿線石灰來源相當(dāng)困難，并且在工藝流程中處理石灰的消解，過篩有相當(dāng)?shù)碾y度，在單位時間內(nèi)所需供灰量大，而且需要大量的儲料棚以及環(huán)境污染等問題，為了尋求改善和簡化施工工序，又要力爭在不增加工程造價，不降低質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的前提下，我們決定用水泥替代二灰結(jié)構(gòu)中的石灰，筆者通過在梨溫高速公路建設(shè)過程中的實踐形成了一套水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層的技術(shù)要求。

1原理分析
粉煤灰中含有大量SiO2、AL2O3等能反應(yīng)產(chǎn)生凝膠的活性物質(zhì)，它們在粉煤灰中以球形玻璃體的形式存在，這種球形玻璃體比較穩(wěn)定，表面又相當(dāng)致密，不易水化，水泥粉煤灰早期反應(yīng)主要是水泥遇水后產(chǎn)生水解與水化反應(yīng)，水泥水化生成硅酸鈣晶體，這些晶體產(chǎn)生部分強(qiáng)度，同時水泥水化生成氫氧化鈣通過液相擴(kuò)散到粉煤灰球形玻璃體表面，發(fā)生化學(xué)吸附和侵蝕，生成水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，大部分水化產(chǎn)物開始以凝膠體出現(xiàn)，隨著凝期的增長，逐步轉(zhuǎn)化為纖維狀晶體，并隨著數(shù)量的不斷增加，晶體相互交叉，形成連鎖結(jié)構(gòu)，填充混合物的孔隙，形成較高的強(qiáng)度，隨著粉煤灰活性的不斷調(diào)動，使水泥粉煤灰不僅有較高的早期強(qiáng)度，而且其后期強(qiáng)度也有較大提高。

2初定技術(shù)規(guī)范
眾所周知，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)目前尚無相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，但從上述原理分析上看，水泥與粉煤灰和石灰與粉煤灰的反應(yīng)機(jī)理很相似，都實際上是氫氧化鈣與粉煤灰玻璃體的反應(yīng)，只不過水泥能夠形成較高的早期強(qiáng)度，因此在工程初期我們綜合參考石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石及水泥穩(wěn)定碎石的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，決定暫時按下述要求進(jìn)行配合比設(shè)計及試驗段施工。
2.1原材料質(zhì)量要求
2.1.1水泥：采用水泥穩(wěn)定土基層技術(shù)規(guī)范中關(guān)于水泥的質(zhì)量要求
2.1.2粉煤灰：采用石灰粉煤灰穩(wěn)定土基層技術(shù)規(guī)范中關(guān)于粉煤灰的質(zhì)量要求。
2.1.3碎石：采用石灰粉煤灰穩(wěn)定土基層技術(shù)規(guī)范中關(guān)于碎石的質(zhì)量要求。
2.2其他質(zhì)量要求
2.2.1根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定梨溫高速公路設(shè)計累計標(biāo)準(zhǔn)軸次超過12×106次,同時考慮工程進(jìn)度的要求決定下基層7天無側(cè)限抗壓值≥3Mpa，上基層7天無側(cè)限抗壓值應(yīng)≥4Mpa。
2.2.2水泥粉煤灰與集料的比初步采用20:80～15:85。
2.2.3集料級配采用規(guī)范級配的中值。

3配合比設(shè)計試驗
按照上述要求，進(jìn)行了配合比組成設(shè)計試驗，測定不同的水泥、粉煤灰劑量的七天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。
采用水泥+粉煤灰占總量的15%、20%，水泥劑量為3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%分別進(jìn)行試驗。具體試驗數(shù)據(jù)如表1：

從上表可見碎石的用量對混合料的強(qiáng)度影響很大，在水泥劑量不變的情況下碎石用量從85%減少到80%,其七天強(qiáng)度下降28.8%。如果碎石用量為80%，水泥用量即使達(dá)5.5%，其七天強(qiáng)度也不能達(dá)到規(guī)范對上基層的強(qiáng)度要求。當(dāng)然從經(jīng)濟(jì)效益上分析，碎石用量從85%減少80%，材料成本將減少2.3%，其原因是一來粉煤灰比碎石單價便宜，二來是混合料中粉煤灰含量越多，混合料的最大干密度就越小，每立方米混合料所需材料越少。所以綜合考慮將配合比暫定為下基層水泥:粉煤灰:碎石=4:16:80，上基層水泥:粉煤灰:碎石=5:10:85。
參考水泥穩(wěn)定碎石中心站集中廠拌法施工規(guī)范進(jìn)行施工，在采用上述配比施工的上、下基層都不同程度的出現(xiàn)了較多的開裂現(xiàn)象，特別是上基層平均每5～10m一道橫向貫穿裂縫。針對這個問題，我們對水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的開裂機(jī)理及防治辦法進(jìn)行了專項研究。

4開裂機(jī)理分析
水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料產(chǎn)生開裂的原因是因為受到溫縮和干縮的綜合作用，但施工期間氣溫逐漸升高，因此主要是干縮造成了開裂。
水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料經(jīng)拌和壓實后，由于蒸發(fā)和混合料內(nèi)部發(fā)生水化作用，混合料的水份會不斷減少。由于水的減少而發(fā)生的毛細(xì)管作用、吸附作用、分子間力的作用，材料礦物晶體或凝膠體間層間水的作用和碳化收縮作用等都會引起水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石材料產(chǎn)生體積收縮，其干縮性的大小與水泥、粉煤灰劑量，碎石粒料的含量，混合料中小于0.075mm的細(xì)顆粒的含量相關(guān)，針對上述原因我們進(jìn)行了大量的試驗分析。

4.1干縮系數(shù)試驗
4.1.1不同水泥劑量對干縮系數(shù)的影響

4.1.2粒料含量與干縮溫縮系數(shù)的關(guān)系

4.1.3集料級配及含量與干縮系數(shù)關(guān)系
對于水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石,采用5%的水泥劑量，當(dāng)級配采用規(guī)范級配的上、中、下限時其干縮系數(shù)，分別為60×10－6、40×10－6、30×10－6。
二灰:碎石=15:85與二灰:碎石=20:80時，7天齡期的最大干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)為233×10－6、273×10－6、65×10－6、55×10－6。
4.2試驗數(shù)據(jù)分析
4.2.1水泥劑量從5%增加到6%和7%，干縮系數(shù)增加20%和30%。所以在保證設(shè)計強(qiáng)度的情況應(yīng)盡量控制水泥劑量，實際最大水泥劑量不能超過5.5%。
4.2.2在水泥劑量不變的情況下，粉煤灰劑量增大5%，干縮應(yīng)變增加17%，干縮系數(shù)增加18%。所以粉煤灰應(yīng)盡量少用，綜合經(jīng)濟(jì)效應(yīng)及強(qiáng)度要求，粉煤灰用量在8%-10%之間比較合適。
4.2.3粒料含量增加則干縮+溫縮系數(shù)減小，集料級配越粗，則干縮系數(shù)越小。
通過上述室內(nèi)試驗分析及現(xiàn)場施工的實際調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)上、下基層開裂的主要原因在于粉煤灰用量過大，以及集料級配偏細(xì)。
4.3集料級配的調(diào)整
對照水泥穩(wěn)定集料的顆粒組成范圍與石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石顆粒組成范圍見表4：

通過上述對比我們發(fā)現(xiàn)，水泥穩(wěn)定碎石的顆粒組成級配明顯比石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石的顆粒組成級配要更粗一些。所以我們通過室內(nèi)配合比對照及試驗段的施工，最后采用下述級配用于水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石層的施工。

5結(jié)論
通過實驗研究及理論分析，為減少水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)的干縮系數(shù)，盡量避免干縮裂縫的產(chǎn)生，我們調(diào)整配合比為：
上基層 水泥:粉煤灰:碎石=5:9:86
下基層 水泥:粉煤灰:碎石=4:10:86
其中碎石的級配由原來的懸浮密實結(jié)構(gòu)改為骨架密實結(jié)構(gòu)，即采用表5級配的中下限。采用上述配合比和級配施工的基層早期強(qiáng)度，7天強(qiáng)度都較高，并且基本克服了橫向貫穿裂縫現(xiàn)象。