粉煤灰與粒化高爐礦渣對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度和收縮特性影響研究

徐鷗明*1，王士珩1，白敏1，劉烜，張連成

(1.長安大學(xué)交通鋪面材料教育部工程研究中心， 陜西西安710064；2.廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司， 廣東廣州510000)

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石容易由于干縮、溫縮作用誘發(fā)裂縫，進(jìn)而反射至面層，影響路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，縮短道路使用年限[1-2]。為了改善這種情況，研究人員進(jìn)行了很多嘗試。如：選用低標(biāo)號(hào)水泥、降低水泥劑量、添加緩凝劑等以減少水化熱、降低干縮風(fēng)險(xiǎn)[3]；或采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，通過粗顆粒增加應(yīng)力消解能力、阻斷裂縫傳遞以提高抗裂性[4-5]，但存在施工離析風(fēng)險(xiǎn)。楊紅輝等[6-8]嘗試摻加纖維提高水泥穩(wěn)定碎石抗拉性能，但纖維價(jià)格較高，且不易拌和均勻。徐鷗明等[9-11]研究認(rèn)為，摻加粉煤灰能夠提高基層強(qiáng)度，但其早期強(qiáng)度較低。此外，采用振動(dòng)攪拌技術(shù)促進(jìn)水泥等粉料和細(xì)料快速分散均勻[12-13]、采用厚寬幅施工工藝以提高基層的整體性[14-16]和采用基層微裂紋技術(shù)以改善荷載傳遞[17]，但對(duì)施工機(jī)械要求較高，未能廣泛應(yīng)用?；钚苑勰┦蔷哂幸欢ㄋ钚缘姆蹱畹V物質(zhì)。美國聯(lián)邦公路局為了提高基礎(chǔ)設(shè)施的路用性能，規(guī)定政府投資修建的項(xiàng)目中必須摻加一定量的粉煤灰；英國灰渣協(xié)會(huì)出版了水泥穩(wěn)定粉煤灰基層設(shè)計(jì)指南，對(duì)粉煤灰在基層中的應(yīng)用加以說明指導(dǎo)[18]。國內(nèi)，江西梨溫高速公路以及山東棗莊世紀(jì)大道工程[19]采用粉煤灰—水泥穩(wěn)定碎石取得了良好的路用性能；六盤水市在市政公路中摻加30 %～35 %的粉煤灰，路用性能和環(huán)境效益顯著[20]。雖然活性粉末如粉煤灰、?；郀t礦渣等在建筑行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，但在半剛性基層中的應(yīng)用形式主要為粉煤灰單摻，而有關(guān)粉煤灰和?；郀t礦渣在水泥穩(wěn)定碎石中復(fù)摻作用機(jī)理和效果研究尚不多見[21]。針對(duì)此問題，本文結(jié)合工程當(dāng)?shù)鼗钚苑勰┥a(chǎn)情況，分別選取了1種粉煤灰和1種?；郀t礦渣，設(shè)計(jì)了不同摻配比例，通過不同齡期試驗(yàn)，得到了活性粉末對(duì)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)特性與抗裂性影響規(guī)律，分析了相互作用機(jī)理，為活性粉末應(yīng)用水泥穩(wěn)定碎石提供參考。

1 原材料

1.1 水泥

采用茂名大地水泥有限公司海螺牌P.O42.5(緩凝)普通硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)性質(zhì)見表1。

表1 水泥技術(shù)性質(zhì)Tab.1 Technical properties of cement

1.2 粉煤灰

采用江門市匯致建材貿(mào)易有限公司高鈣粉煤灰，其主要化學(xué)成分與技術(shù)性質(zhì)見表2和表3。

表2 粉煤灰化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of fly ash

表3 粉煤灰技術(shù)性質(zhì)Tab.3 Technical properties of fly ash

1.3 ?；郀t礦渣

采用江門市匯致建材貿(mào)易有限公司粒化高爐礦渣，其主要化學(xué)成分和技術(shù)性質(zhì)見表4和表5。

表4 粒化高爐礦渣化學(xué)成分Tab.4 Chemical composition of granulated blast furnace slag

表5 ?；郀t礦渣技術(shù)性質(zhì)Tab.5 Technical properties of granulated blast furnace slag

圖1 水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配組成Fig.1 Gradation of cement stabilized crushed stone

1.4 集料級(jí)配

級(jí)配采用《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中推薦的級(jí)配中值，級(jí)配組成見圖1。

2 混合料配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F20—2015)中推薦的水泥劑量范圍，采用的水泥劑量為3.5 %，活性粉末為高鈣粉煤灰和?；郀t礦渣的單摻與復(fù)摻，摻量為0 %、6 %(占混合料質(zhì)量的百分比)。通過振動(dòng)成型試驗(yàn)，確定各配比最大干密度與最佳含水量，結(jié)果見表6。

由表6可以看出，摻加活性粉末后，水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度明顯增大。說明活性粉末能夠起到填充作用，使得水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部更加致密；由于?；郀t礦渣顆粒細(xì)度[420/(m2·kg-1)]大于粉煤灰細(xì)度[小于400/(m2·kg-1)]，能更好的填充水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部孔隙，使得單摻?；郀t礦渣水穩(wěn)碎石的最大干密度最大，復(fù)摻活性粉末水穩(wěn)碎石次之，然后為單摻粉煤灰水穩(wěn)碎石和普通水穩(wěn)碎石。水泥穩(wěn)定碎石最大干密度增大，需水量增大。

表6 不同配合比水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of vibration compaction test on cement stabilized crushed stones

注：P為水泥，F(xiàn)為粉煤灰，S為?；郀t礦渣，C為粉煤灰與?；郀t礦渣復(fù)摻。

基于確定的最大干密度和最佳含水量，按照壓實(shí)度98 %，采用靜力壓實(shí)的方法成型試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)到齡期，分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及干、溫縮試驗(yàn)，試件尺寸分別為φ150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×400 mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 力學(xué)特性

活性粉末對(duì)水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示；活性粉末對(duì)水泥穩(wěn)定碎石間接抗拉強(qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。

圖2 活性粉末對(duì)水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響
Fig.2 Effect of reactive powder on unconfinedcompressive strength of cement stabilized crushed stone

圖3 活性粉末對(duì)水泥穩(wěn)定碎石間接抗拉強(qiáng)度的影響
Fig.3 Effect of reactive powder on indirect tensilestrength of cement stabilized crushed stone

由圖2可以看出，摻加活性粉末可以提高水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。其中單摻粒化高爐礦渣的水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，復(fù)摻活性粉末次之，單摻粉煤灰最小。由圖3可以看出，摻加活性粉末可以提高水泥穩(wěn)定碎石間接抗拉強(qiáng)度。28 d之前，單摻粒化高爐礦渣的水泥穩(wěn)定碎石的間接抗拉強(qiáng)度最大，但28 d之后被復(fù)摻活性粉末和單摻粉煤灰的水泥穩(wěn)定碎石反超。

綜上所述，摻加活性粉末能夠提高水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)特性。這是因?yàn)?，活性粉末能夠通過填充作用和二次火山灰反應(yīng)作用提高水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度。其中，粒化高爐礦渣的填充作用最明顯，且二次火山灰反應(yīng)較快，使得單摻粒化高爐礦渣的水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度提高最快；由于?；郀t礦渣比表面積大，導(dǎo)致結(jié)合料拌合時(shí)需水量增多，其中一部分水分吸附在集料表面，不利于膠凝材料與集料的粘結(jié)，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石間接抗拉強(qiáng)度存在不利影響；但單摻?；郀t礦渣的水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部較為密實(shí)，對(duì)其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響不明顯。粉煤灰顆粒較大，填充作用不及?；郀t礦渣，且二次火山灰反應(yīng)相對(duì)滯后，故摻有粉煤灰的水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度略低；28 d后，粉煤灰的火山灰效應(yīng)逐漸表現(xiàn)出來，顯著提高水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度；由于粉煤灰存在滾珠效應(yīng)，摻入后結(jié)合料在拌合過程中用水量增長不大，使其間接抗拉強(qiáng)度反超單摻?；郀t礦渣的水泥穩(wěn)定碎石。復(fù)摻活性粉末通過摻配粉煤灰和?；郀t礦渣，可集中二者優(yōu)點(diǎn)，在級(jí)配作用下更好的填充水穩(wěn)碎石孔隙，而且受益于?；郀t礦渣與粉煤灰的二次火山灰反應(yīng)，能夠兼顧水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度形成與后期強(qiáng)度發(fā)展，集料—膠凝材料界面強(qiáng)度好，使其水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度最佳。

3.2 干縮特性

圖4 水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù) Fig.4 Dry shrinkage coefficient of cement stabilized crushed stone

活性粉末對(duì)水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)影響試驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示。

由圖4可知，隨著齡期的增長，4 d～7 d水穩(wěn)碎石干縮系數(shù)增長，7 d～15 d干縮系數(shù)明顯下降，15 d后干縮系數(shù)趨于穩(wěn)定。摻加活性粉末能有效降低水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)，其中復(fù)摻活性粉末的水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)最小。

綜上所述，水泥穩(wěn)定碎石4 d～7 d失水現(xiàn)象明顯，產(chǎn)生的干縮應(yīng)力造成體積收縮，使得干縮系數(shù)增大；7 d～15 d水泥穩(wěn)定碎石失水減少，干縮應(yīng)力下降，且自身強(qiáng)度有所提高，能夠有效抵抗干縮應(yīng)力，使得干縮系數(shù)下降；15 d后水泥穩(wěn)定碎石失水現(xiàn)象微弱，且具有一定的強(qiáng)度，使得干縮系數(shù)呈平緩趨勢(shì)?；钚苑勰┠軌蛲ㄟ^填充作用和二次火山灰反應(yīng)作用，改善水泥穩(wěn)定碎石孔隙結(jié)構(gòu)以減少水分散失，提高其強(qiáng)度以抵抗干縮應(yīng)力，從而改善水泥穩(wěn)定碎石干縮特性。摻加?；郀t礦渣的水泥穩(wěn)定碎石需水量較大，硬化過程中易損失水分，且?；郀t礦渣二次水化反應(yīng)較快，水化熱釋放較為集中，使其干縮系數(shù)較大；摻加粉煤灰的水泥穩(wěn)定碎石能夠通過粉煤灰的填充作用和滾珠效應(yīng)，改善其失水現(xiàn)象，使其干縮系數(shù)較小；復(fù)摻活性粉末的水泥穩(wěn)定碎石密實(shí)程度高，拌合所需水量相對(duì)較小，水分散失少，并具有較高的早期強(qiáng)度，因此干縮系數(shù)最小。

3.3 溫縮特性

活性粉末對(duì)水泥穩(wěn)定碎石7 d、28 d和90 d溫縮系數(shù)影響試驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。

由圖5可知，水泥穩(wěn)定碎石7 d、28 d和90 d的溫縮系數(shù)隨著齡期的增大而減??；隨著試驗(yàn)溫度的下降，水泥穩(wěn)定碎石在50 ℃～25 ℃區(qū)間范圍內(nèi)溫縮系數(shù)減小，在25 ℃～-10 ℃區(qū)間范圍內(nèi)溫縮系數(shù)增大；摻加活性粉末能夠降低水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)，其中，復(fù)摻活性粉末的水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)最小。

綜上所述，由于溫度降低，水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)產(chǎn)生溫縮應(yīng)力，造成體積收縮，從而出現(xiàn)溫縮現(xiàn)象；在50 ℃～25 ℃區(qū)間范圍內(nèi)，隨著水泥穩(wěn)定碎石體積收縮，其內(nèi)部顆粒相互擠壓，孔隙縮小，密實(shí)程度提高，對(duì)溫縮應(yīng)力的抵抗能力提高，溫縮系數(shù)減?。辉?5 ℃～-10 ℃區(qū)間范圍內(nèi)，隨著溫度進(jìn)一步降低，水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)溫縮應(yīng)力增大，溫縮系數(shù)增大。水泥穩(wěn)定碎石7 d、28 d和90 d強(qiáng)度逐漸提高，能夠更好的抵抗溫縮應(yīng)力，使得溫縮系數(shù)減小。活性粉末能夠通過提高水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度來抵抗溫縮應(yīng)力，從而改善其溫縮特性；由于?；郀t礦渣的填充作用好，且二次火山灰反應(yīng)較快，使得單摻粒化高爐礦渣的水泥穩(wěn)定碎石7 d強(qiáng)度最好，溫縮系數(shù)最小；28 d后，粉煤灰的火山灰效應(yīng)逐漸表現(xiàn)出來，提高了復(fù)摻活性粉末和單摻粉煤灰水穩(wěn)碎石的強(qiáng)度，使其溫縮系數(shù)顯著減??；其中復(fù)摻活性粉末在?；郀t礦渣與粉煤灰的綜合作用下，抵抗溫縮應(yīng)力的能力最高，因此溫縮系數(shù)最小。

(a) 7 d溫縮系數(shù)

(b) 28 d溫縮系數(shù)

(c) 90 d溫縮系數(shù)

4 結(jié)論

本文通過研究活性粉末對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度及收縮特性的影響規(guī)律，主要得出如下結(jié)論：

①摻加活性粉末對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度有明顯改善。摻加?；郀t礦渣的水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度提高明顯；復(fù)摻活性粉末和單摻粉煤灰的水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度較低，但隨著齡期增長，后期強(qiáng)度增大，其間接抗拉強(qiáng)度超過單摻?；郀t礦渣的水泥穩(wěn)定碎石。

②摻加活性粉末對(duì)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石干縮特性有明顯改善；隨著齡期增長，水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)先增大后減小，并逐漸趨于平緩；其中復(fù)摻活性粉末的水泥穩(wěn)定碎石干縮特性最佳。

③水泥穩(wěn)定碎石7 d、28 d和90 d的溫縮系數(shù)依次減小；隨著測(cè)試溫度的下降，在50 ℃～25 ℃區(qū)間內(nèi)溫縮系數(shù)減小，在25 ℃～-10 ℃區(qū)間內(nèi)溫縮系數(shù)增大；復(fù)摻活性粉末的水泥穩(wěn)定碎石溫縮特性最佳。

④復(fù)摻活性粉末能夠集中?；郀t礦渣和粉煤灰的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮其填充作用、滾珠效應(yīng)和二次火山灰效應(yīng)，有利于水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度形成與后期強(qiáng)度發(fā)展，使其強(qiáng)度和收縮性能最佳。