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水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層的耐久性
摘要 為了研究水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的路用性能,將粉煤灰當(dāng)成細(xì)集料考慮,采用不同的配合比制備試件,對其抗沖刷性能、疲勞性能和抗凍性能進行了分析。研究結(jié)果表明:粉煤灰摻量不宜過多,盡量不超過10%;當(dāng)粉煤灰摻量為10%時,凍融前強度比較高,但是凍融后強度損失較大;考慮抗沖刷性能和抗凍性能,水泥摻量不宜小于5%。
關(guān)鍵詞 道路工程;水泥粉煤灰;耐久性;基層 中圖分類號:U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1000—033X(2012)07—0047—02 0 引言 水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石是一類具有較好路用性能的基層材料,目前已成為中國高等級公路廣泛采用的半剛性基層材料,在中國河南、河北等省份被廣泛使用。有很多學(xué)者針對水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的相關(guān)性能展開了大量試驗研究,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石存在諸如強度低、收縮大、開裂現(xiàn)象較為嚴(yán)重等問題。配合比優(yōu)化設(shè)計、合理的施工工藝與質(zhì)量控制可以減緩上述問題的發(fā)生。對此,本文考慮將粉煤灰當(dāng)成細(xì)集料,即水泥外摻、粉煤灰內(nèi)摻,通過配合比優(yōu)化對其耐久性進行試驗研究,分析水泥、粉煤灰的摻量對耐久性的影響。 1 原材料 1.1基本性質(zhì) ?。?)水泥。試驗選用的水泥為華新水泥廠32.5級普通硅酸鹽水泥,細(xì)度(0.08mm篩余)1.9%,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.7%,安定性合格。 ?。?)粉煤灰。試驗所用粉煤灰均產(chǎn)自伊川電廠,為濕排灰,氧化物含量大于70%。粉煤灰的物理性能見表1。 (3)碎石。滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范中關(guān)于碎石的質(zhì)量要求。試驗采用的5~10mm、10~20mm和10~30mm碎石均產(chǎn)自偃師石料場。 ?。?)細(xì)集料。建議采用含泥量小的中粗砂作細(xì)集料。 1.2水泥粉煤灰摻量設(shè)計 在進行試驗前,按照不同摻量配合比制作試件。將粉煤灰當(dāng)成細(xì)集料考慮,采用的比例見表2。 2 耐久性能分析 2.1抗沖刷性能 (1)試件制備。按照標(biāo)準(zhǔn)方法制備中φ15cm×15cm的試件,養(yǎng)生180d,然后浸水1d。 ?。?)試驗方法。采用振動臺和鋼容器作為基本試驗設(shè)備,鋼容器內(nèi)徑240mm,高200mm,將鋼容器置于振動臺上,加50mm高的水后將試件放入中間,并在試件上加荷2750g,振動頻率為50Hz,振動5min后,收集沖刷殘余物,烘干后稱其質(zhì)量進行比較。試驗結(jié)果如表3所示。 1號、2號、5號試件的水泥劑量固定在5%,粉煤灰的摻量分別為0%、5%、10%,試件抗沖刷性能試驗結(jié)果表明摻加粉煤灰可以影響到基層的抗沖刷性能。粉煤灰摻量為5%時,與不摻粉煤灰試件的(相當(dāng)于水泥穩(wěn)定碎石)試驗結(jié)果相差不大,但摻量不宜過多,盡量不要超過10%。 2號、3號、4號試件粉煤灰摻量固定在5%,水泥劑量分別為5%、4%、3%,其混合料單位時間沖刷量分別為3.29、2.91、4.55g•min—1??梢钥闯鏊鄤┝繉旌狭峡箾_刷性能的影響:水泥劑量為3%時,單位時間沖刷量最大;水泥劑量大于或等于4%時。單位時間沖刷量急劇減小。這是因為水泥的水化產(chǎn)物和水泥與粉煤灰的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物均為膠結(jié)物,它們有穩(wěn)定和牽制混合料中細(xì)料成分不被動水壓力沖掉的能力。當(dāng)水泥劑量較小時,膠結(jié)物含量不足,未反應(yīng)粉煤灰相對較多。且部分細(xì)料因擺脫了膠結(jié)物的牽制和穩(wěn)定作用而被沖掉,故單位時間沖刷量最大;當(dāng)水泥的劑量不斷增加,膠結(jié)物含量也逐漸增多,它們穩(wěn)定和牽制細(xì)料的能力也相應(yīng)增強,故單位時間沖刷量急劇減小。為了保證水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的抗沖刷性能,水泥劑量不宜小于4%。 2.2抗疲勞性能 ?。↖)試件制備。在最佳含水量和最大干密度的條件下,按98%的壓實度成型試件,養(yǎng)生180d后泡水1d。為減小誤差,在制備試件的過程中,用于抗彎拉強度的6個試件和用于疲勞試驗的13個試件同批成型和養(yǎng)生。 (2)試驗過程。試驗在MTS試驗機上進行,試驗時首先測出各組試件的抗彎拉強度,然后確定應(yīng)力比,根據(jù)抗彎拉強度和應(yīng)力比確定疲勞試驗時所加的荷載、波形、頻率,設(shè)置初始狀態(tài)。試驗都采用三分點加載方式,以保證試件底面能有一段彎矩相等的均勻受拉區(qū),兩支點距離15cm。將試件放在支架上后,三分點受力下開動試驗機,直至試件被破壞。為了更好地模擬混合料在隨機動載下的撓曲狀態(tài),采用交變荷載。試驗施加荷載為正弦荷載,荷載作用的頻率為10Hz,大致相當(dāng)于60km•h—1的行車速度,加載波形為連續(xù)式正弦波無間歇時間,試驗溫度為常溫,循環(huán)特征值為0.02,應(yīng)力比取0.75。疲勞試驗結(jié)果見表4。 1號采用沒有摻加粉煤灰的混合料,與相同級配的粉煤灰摻加量為5%的2號試件相比,其抗疲勞性能明顯較差,疲勞壽命低出33%。這是因為疲勞破壞與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)混合料在重復(fù)荷載的作用下,材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷,而損傷是材料結(jié)構(gòu)組織在外界因素作用下發(fā)生的力學(xué)性能劣化,并導(dǎo)致體積單元破壞的現(xiàn)象,水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石是由水泥、粉煤灰、骨料等加水后組成的復(fù)合材料。在自然狀態(tài)下是一種疏松介質(zhì)。這類材料在受力后,會在體內(nèi)產(chǎn)生彌散裂隙。這些表現(xiàn)為裂隙或空洞形式的材料損傷,將在荷載、環(huán)境等因素的持續(xù)作用下進一步增長、擴展,逐漸并集、聚合,形成一定尺度的宏觀裂紋,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度、剛度的下降。也就是說,材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是決定材料疲勞性能的主要因素。空隙率小,在養(yǎng)生條件較好時,其內(nèi)部微細(xì)裂紋或孔洞少、而水泥穩(wěn)定類材料由于其結(jié)合料少,空隙率較大,內(nèi)部微細(xì)裂紋或孔洞相應(yīng)較多。致使其疲勞性能較差。但是在水泥穩(wěn)定類材料中摻入粉煤灰后,粉煤灰一方面起到“填隙”的作用,另一方面與水泥發(fā)生“二次反應(yīng)”,生成的膠凝物質(zhì)增多,總體上使水泥類穩(wěn)定材料的空隙率減小,內(nèi)部微細(xì)裂紋或孔洞減少,進而使其抗疲勞性能得到提高??梢?,粉煤灰對提高混合料的抗疲勞性能有明顯的作用。 4號、3號和2號試件的水泥劑量分別為3%、4%和5%,粉煤灰摻量均為5%,結(jié)果可以看出,隨著水泥劑量的增加,水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命呈線形增長??梢娫黾铀嗟膭┝?,可以提高水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料的抗疲勞特性。 2.3抗凍性能 (1)試件制備。在最大干容重和最佳含水量下,采用靜壓法將不同配合比的水泥粉煤灰碎石制成φ15cm×15cm的圓柱形試件,養(yǎng)生180d后,浸水24h。 ?。?)試驗方法。采用直接凍融法,將養(yǎng)生好的試件置于—15℃的冰箱中凍結(jié)12h后,在常溫條件下融解12h,這作為一個凍融循環(huán)。經(jīng)過5個循環(huán)后,測其抗壓強度,計算耐凍系數(shù),抗凍性能試驗結(jié)果見表5。 從2號和5號試件的凍融前強度試驗結(jié)果可以得出,摻加粉煤灰對提高混合料的強度有很大幫助,分別比不摻加粉煤灰的1號試件提高了42%和70%。通過凍融試驗,得到凍融后各不同水泥粉煤灰摻配混合料的強度,用耐凍系數(shù)進行評價。1號試件的耐凍系數(shù)僅為0.73,而2號和5號試件的耐凍系數(shù)達(dá)到0.92和0.89,所以說摻加粉煤灰可以提高混合料的抗凍性能,但是摻量不能過多,5號試件比2號試件多摻加了5%的粉煤灰,結(jié)果其凍融后強度損失比較大。 4號、3號和2號是粉煤灰摻量保持在5%,水泥劑量按照1%遞加,集料級配相同的水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石配合比。分析可知,水泥劑量不能太小,因為水泥水化產(chǎn)物會相應(yīng)減少,內(nèi)部空隙較大,水結(jié)冰后引起體積膨脹所產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力增加,會導(dǎo)致混合料的抗凍性能降低。所以,為了使水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石具有較好的抗凍性能,水泥劑量不宜小于5%。 3 結(jié)語 從水泥粉煤灰的抗沖刷性能可以看出,粉煤灰摻量不宜過多,盡量不超過10%;另一方面,雖然粉煤灰摻量為10%時,凍融前強度(即180d強度)比較高,但是凍融后強度損失較大,所以從抗凍性能考慮,粉煤灰摻量也不宜過高。綜合考慮抗沖刷性能和抗凍性能,水泥劑量外摻不宜小于5%。 [責(zé)任編輯:王玉玲]- 1一級建造師復(fù)習(xí)資料:分片到貨塔器的現(xiàn)場組焊程序
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