水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石強嵌擠骨架密實級配研究

1、水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石強嵌擠骨架密實級配研究 摘要：為了優(yōu)化水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石材料設(shè)計，基于數(shù)值試驗方法提出強嵌擠粗集料骨架級配，并采用振動法研究水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石力學性能進行試驗驗證。在此基礎(chǔ)上，進一步研究水泥與粉煤灰摻量對水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石力學性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：數(shù)值模擬粗集料級配具有強嵌擠力，且細集料含量31%±3對力學性能影響不顯著，基于此提出水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的強嵌擠骨架密實級配。此外，以7d抗壓強度為考察指標，水泥粉煤灰比例1:0.51:1為最佳，以極限強度為考察指標，則水泥粉煤灰比例1:11:1.5為最佳，因此，建議水泥劑量為34%，粉煤灰摻量為45%。關(guān)鍵詞：道路工

2、程；水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石；振動試驗方法；力學性能 1 引言粉煤灰是一種空心結(jié)構(gòu)的玻璃體，具有較小熱脹冷縮性以及對水泥水化具有緩凝作用，摻加粉煤灰有利于提高水泥穩(wěn)定碎石基層力學性能、緩解收縮裂縫問題，并有利于改善施工性能。然而，目前對水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石設(shè)計施工技術(shù)研究不夠深入系統(tǒng)，研究手段是基于重型擊實試驗方法和靜壓法成型試件，而已有研究證明，重型擊實試驗方法和靜壓法成型試件與現(xiàn)場基層實際相關(guān)性不足40%，顯然已有對水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石力學特性的研究成果無法揭示材料組成與性能之間規(guī)律，難以達到優(yōu)化材料設(shè)計目的。課題組提出的振動試驗方法成型試件與現(xiàn)場基層實際相關(guān)性高達93%，因此，開展本課題研究，對于

3、完善水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石設(shè)計施工技術(shù)具有現(xiàn)實意義，成果也必將提高道路基層工程質(zhì)量，并促進水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的推廣應(yīng)用。2 試驗方案2.1 原材料山西柳林中交石料場的石灰?guī)r、銅川聲威P.O42.5緩凝水泥和神木錦界國華電廠粉煤灰，技術(shù)指標略。2.2 試件成型方式采用的振動法成型級配碎石試件。振動參數(shù)為：激振力7.6kN、名義振幅1.2mm、工作重量為3kN、激振頻率30Hz，用于確定最大干密度和最佳含水量的振動擊實時間100s，用于成型試件的振動時間80s。已有研究結(jié)果表明1，振動法成型水泥穩(wěn)定碎石試件的強度平均為芯樣的1.13倍；而靜壓法成型試件的強度平均為芯樣的0.43倍。因此，采用振動法成型

4、試件研究級配碎石力學性能更具有代表性和真實性。3 強嵌擠骨架密實級配3.1 理論研究3.1.1 礦料CBR數(shù)值試驗方法1） CBR數(shù)值試驗方法的構(gòu)建基于PFC2D構(gòu)建了級配碎石CBR數(shù)值試驗方法，其構(gòu)建思路見圖3-1。標定滿足誤差要求級配碎石礦料特性礦料級配顆粒模型化為圓形微力學參數(shù)顆粒流模型模擬試驗模擬結(jié)果試件成型試驗過程虛擬試件生成模擬加載過程室內(nèi)試驗實測結(jié)果模擬試驗條件可靠性分析級配碎石CBR數(shù)值試驗方法不滿足誤差要求數(shù)值模擬室內(nèi)試驗接觸本構(gòu)模型圖3-1 級配碎石CBR數(shù)值試驗構(gòu)建思路12cm模擬荷載板模擬壓頭5cm5cm5cm模擬荷載板15cm圖3-2 級配碎石CBR數(shù)值試驗加載過程的

5、示意圖2） CBR數(shù)值試驗方法的可靠性為了驗證CBR數(shù)值試驗的可靠性，按表3-1中級配進行CBR室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬。通過反復試算，得到一組較理想的微力學參數(shù)：泊松比=0.25、摩擦系數(shù)=0.35、剪切模量G=8.0GPa、計算時間步長dt=1.0E-03s/step。室內(nèi)試驗實測結(jié)果與數(shù)值試驗結(jié)果見表3-1。表3-1 CBR的實測結(jié)果與模擬結(jié)果的對比編號通過下列篩孔（mm）的質(zhì)量百分率（%）實測值（%）模擬值（%）誤差（%）平均誤差（%）31.5199.54.752.360.60.07511006452403425154955256.065.022100645240301775956275.3

6、731006148353022135185526.564100614835261566556763.2151005844302518116266422.566100584430221356927366.36由表3-1可知，各級配的CBR模擬值與實測值的誤差均在7%以內(nèi)，平均誤差僅為5.02%，證明了CBR數(shù)值試驗的可靠性。3.1.2 礦料CBR變化規(guī)律1） 合成粗集料CBR規(guī)律單規(guī)格、兩種規(guī)格及三種規(guī)格粗集料CBR規(guī)律，分別見表3-2、圖3-3及3-4。（為便于后續(xù)論述，1931.5mm集料記為D1集料，9.519mm集料記為D2集料，4.759.5mm集料記為D3集料。）表3-2 單規(guī)格粗集

7、料的CBR變化規(guī)律集料規(guī)格D1集料D2集料D3集料CBR673331D2或D3集料用量(%)D1集料用量(%)CBR(%)CBR(%)圖3-3 兩種規(guī)格合成集料的CBR變化規(guī)律 圖3-4 三種規(guī)格合成集料的CBR變化規(guī)律由表3-2、圖3-3、3-4可看出，三種規(guī)格合成粗集料的CBR最大值>兩種規(guī)格合成粗集料的CBR最大值>單規(guī)格粗集料的CBR最大值。表明連續(xù)級配合成集料嵌擠力強于間斷級配。從圖3-4可知，當D1集料的質(zhì)量分數(shù)為5070%時，D1集料構(gòu)成主骨架，D2和D3集料恰好不干涉，充分填充于主骨架空隙中并形成次骨架結(jié)構(gòu)；當D3質(zhì)量分數(shù)為1020%時，D3較好的填充了主、次骨架的

8、空隙，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加，故CBR值較大。綜上所述，以CBR>80%為標準確定D1集料、D2集料和D3集料三種規(guī)格粗集料的最佳質(zhì)量分數(shù)比例為70:20:10(A)、60:30:10(B)、60:20:20(C)、50:30:20(D)。2） 粗細混合集料CBR規(guī)律為了研究粗細集料比例對CBR的影響規(guī)律，選取A、B、C、D四組CBR值較大粗集料級配，分別與細集料混合，粗細混合集料CBR模擬結(jié)果見圖3-5。CBR(%)細集料用量(%)圖3-5 CBR隨細集料用量比例的變化規(guī)律從圖3-5中可看出，粗細集料比例為65:35時，A、B、C級配的粗細混合集料CBR達到最大值，為540%以上。因此，確定粗

9、細集料最佳比例為65:35。3） 強嵌擠骨架密實級配初擬綜上所述，初擬強嵌擠粗集料骨架級配見表3-3。表3-3 強嵌擠的粗集料骨架級配通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率(%)31.5199.54.751005868384830383.2 試驗驗證3.2.1 粗集料空隙率和細集料最大干密度插搗試驗得到粗集料空隙率，見表3-4。表3-4 粗集料空隙率粗集料級配A（70:20:10）B（60:30:10）C（60:20:20）D（50:30:20）空隙率（%）35.9536.5034.6935.38根據(jù)振動擊實試驗得到細集料石屑的最佳含水量為7%，最大干密度為2.264g/cm3。3.2.2 理論骨架

10、密實級配及試驗驗證（1）水泥穩(wěn)定碎石基于干涉理論，由粗集料空隙率和細集料振動擊實干密度計算得到粗細集料比例，見表3-5。表3-5 粗細集料比例及相應(yīng)配合比級配粗集料含量細集料含量各規(guī)格材料配合比（%）1937.5mm9.519 mm4.759.5 mm04.75 mmA68.1 31.9 4714732B67.6 32.4 4120732C69.3 30.7 41141431D68.6 31.4 34211431表3-5表明，細集料含量3132時，不會造成對粗集料骨架級配的干涉，形成理論上的骨架密實級配，稱該細集料含量為臨界干涉點。通過試驗研究細集料臨界干涉點、臨界干涉點±3對應(yīng)的水

11、泥穩(wěn)定碎石的力學特性，結(jié)果見表3-6，試驗時水泥劑量3.5。表3-6 水泥穩(wěn)定碎石力學特性粗集料級配粗細集料比例不同齡期的抗壓強度Rc/MPa3d7d14d70:20:1065:358.3 9.2 9.7 68:328.4 9.1 9.6 71:298.0 8.8 9.4 60:30:1065:357.6 8.0 8.3 68:3210.1 11.0 11.6 71:298.7 9.1 9.5 60:20:2066:349.6 10.4 11.1 69:318.8 9.7 10.1 72:287.8 9.1 10.0 50:30:2066:347.6 9.5 10.5 69:319.1 10.

12、0 10.6 72:287.2 8.7 9.6 （MPa）8.59.410.0Cv（）10.78.99.0從表3-6數(shù)據(jù)可以看出，細集料含量在臨界干涉點±3對水泥穩(wěn)定碎石力學特性影響并不顯著，偏差系數(shù)不超11。力學強度試驗結(jié)果驗證了表3-3級配具有強嵌擠力。同時，結(jié)合試驗結(jié)果，對表3-3級配進行微調(diào)，結(jié)果見表3-7。表3-7 水泥穩(wěn)定碎石強嵌擠骨架密實級配通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率(%)31.5199.54.75100586838482836（2）水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石粉煤灰由于質(zhì)輕，若等質(zhì)量替換細集料摻入水泥穩(wěn)定碎石中，則有可能破壞骨架密實級配。同理，基于干涉理論，由粗集料空隙率

13、和細集料與粉煤灰振動擊實干密度計算得到粗細集料粉煤灰三者之間比例，結(jié)果見表3-8，水泥劑量3.5%。表3-8 水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石力學性能試驗結(jié)果根據(jù)表3-8中強度最大為原則，結(jié)合表3-7水泥穩(wěn)定碎石強嵌擠骨架密實級配，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石強嵌擠骨架密實級配見表3-9。表2-9 水泥穩(wěn)定碎石強嵌擠骨架密實級配通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率(%)31.5199.54.752.360.60.0751005666374724321525816264 水泥劑量與粉煤灰摻量4.1 水泥粉煤灰的力學強度圖4-1繪制出水泥粉煤灰比值對水泥粉煤灰抗壓強度的影響。圖4-1 水泥粉煤灰比例與抗壓強度的關(guān)系從圖4-1

14、可知，水泥粉煤灰比值1:0.51:1，粉煤灰摻量對其抗壓強度影響不顯著；當水泥粉煤灰比值小于1:1時，粉煤灰摻量越大，其抗壓強度越小。4.2 水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石力學強度圖4-2圖4-3繪制出粉煤灰摻量對水泥穩(wěn)定碎石力學強度的影響規(guī)律。 圖4-2 粉煤灰摻量對7d抗壓強度的影響 圖4-3 粉煤灰摻量對極限抗壓強度的影響圖4-2圖4-3可知，粉煤灰摻量對水泥穩(wěn)定碎石早期強度和極限強度影響規(guī)律不同。以7d抗壓強度為考察指標，水泥粉煤灰比例1:0.51:1為最佳，水泥劑量為3.0%、3.5%、4.0%時，粉煤灰摻量分別在3.0%、3.5%、2.0%時強度較高。這一規(guī)律與水泥粉煤灰力學強度規(guī)律一致。但以

15、極限強度為考察指標，則水泥粉煤灰比例1:11:1.5為最佳，水泥劑量為3.0%、3.5%、4.0%時，粉煤灰摻量分別在4.5%、5.0%、4.0%時強度較高。因此，建議水泥劑量34%，粉煤灰摻量45%。5 結(jié)論（1）基于振動法的水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石力學性能試驗驗證了數(shù)值模擬粗集料級配具有強嵌擠力，細集料臨界干涉點±3時力學性能穩(wěn)定，結(jié)合試驗結(jié)果對模擬級配進行微調(diào)，從而提出水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的強嵌擠骨架密實級配，見表3-7。（2）以7d抗壓強度為考察指標，水泥粉煤灰比例1:0.51:1為最佳，以極限強度為考察指標，則水泥粉煤灰比例1:11:1.5為最佳，因此，建議水泥劑量為34%，粉煤灰摻量為45%。參考文獻(References)：1 中華人民共和國行業(yè)標準編寫組. 公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范（JTG D50-2006）S. 北京：人民交通出版社，2006. 2 蔣應(yīng)軍, 任皎龍, 李頔. 級配碎