刘淑艳,张春昱,张 珺,张振玮

(天津市市政工程研究院)

1 设计基本原则

材料的组成结构决定其性能,而性能又是材料内部组成结构的外在反映。一般情况下,采用强度来综合反映材料的性能。作为松散颗粒复合材料,二灰碎石的强度来源于集料颗粒的内摩擦阻力和填充料的粘结力两个方面。为了使二灰碎石获得优良的性能,其前提就是它必须具有良好的组成结构。根据二灰碎石基层的力学性能、水稳定性能、耐久性能和抗收缩性能的要求,它应该具有这样的理想结构,在经压实成型后的二灰碎石中,粗集料紧密排列,形成良好的骨架结构,密实的二灰砂浆(包括二灰胶结料、细集料)填满骨架空隙,并将骨架粘结成为稳定的整体。

以理想结构模式为指导,将二灰碎石分成二个组成结构层次。第一层次,由石灰、粉煤灰、水和细集料组成的二灰砂浆,它是二灰碎石中的主要粘结成分,必须具有足够的强度和粘结力,起填充、粘结作用。第二层次,粗集料颗粒紧密排列形成良好的骨架结构,砂浆填充骨架的空隙,并将骨架粘结成一个稳定的整体。既充分发挥了粗集料的骨架作用,又利用了砂浆的粘结力。这样形成的二灰碎石具有较好的力学性能、水稳定性能、耐久性和抗收缩性能。

2 原材料性能

试验所用粉煤灰、石灰取自石家庄市,按照《公路工程无机结合料稳定材料的试验规程》的测定方法,石灰、粉煤灰检测结果见表 1。

试验所用石灰粉煤灰符合规范质量要求。

碎石采用石灰岩,集料的压碎值为 16.8%,各档粗集料分别为 31.5～19.0mm、19.0～9.5mm、9.5～4.75mm。

表 1 石灰粉煤灰检测结果表

3 二灰砂浆配合比的确定

影响二灰砂浆路用性能的因素主要有细集料级配形式、细集料与二灰胶结料重量比及二灰中石灰粉煤灰重量比。

3.1 骨架密实型二灰稳定碎石细集料级配选择

对于二灰稳定碎石而言,石灰、粉煤灰用量很大,且密度较小,占的体积大,所需要的细集料相对要少。细集料级配选择时采用采用 k法计算,分别取 k值为 0.55、0.60、0.65、0.70,按照下式计算细集料级配形式,计算结果如表 2。

3.2 石灰、粉煤灰掺配比例的确定

进行二灰配比设计时,按 m石灰∶m粉煤灰为 1∶2、1∶2.5、1∶3、1∶4的比例根据重型标准击实确定最佳含水量及最大干密度,并成型标准试件,测定 7d无侧限抗压强度,试验结果见表 3。

由表 3,当 m石灰∶m粉煤灰=1∶2.5时,二灰胶结料强度最大。由重型击实试验测得此配比下,二灰最大干密度为1.224g/cm3,最佳含水量为 27%。

表 2 细集料计算筛余百分率

3.3 二灰砂浆配合比的确定

二灰砂浆配合比根据正交试验结果确定,正交试验结果及极差分析结果如表 4、表 5。

表3 二灰强度实验结果

表 4 正交试验方案表

表 5 极差分析结果表

根据极差分析结果可知,第二列极差较大,第一列和第三列极差较小,这说明当因素B水平变动时,指标波动最大,因此可根据极差大小顺序排出因素的主次:B＞A＞E,由此可以看出二灰与细集料比例是影响二灰砂浆无侧限抗压强度最重要的因素。其次是石灰与粉煤灰比例,对强度贡献最小的是细集料级配类型。

与极差分析结果相同,方差分析结果见表 6,表明对二灰砂浆强度影响最显著的因素为二灰与细集料的比值。

表6 正交试验方差分析结果表

综合以上分析结果,最终确定优选的二灰砂浆为m石灰∶m粉煤灰=1∶3、m二灰∶m细集料 =70∶30、细集料级配形式为 k=0.65。

3.4 粗骨料级配的确定

(1)试验方法

依据《公路路面基层施工技术规范》的规定,二灰稳定碎石混合料用作基层时,石料颗粒最大粒径不应超过31.5mm,因此研究采用的碎石最大粒径 D0为 31.5mm。

以 D0(19～31.5mm)的用量为 100%,下一级粒径 D1(9.5～19mm)以 D0重量的 5%为步长,均匀混和后装入容量桶中,置于振动台上振实 3min,计算其振实密度,建立填充数量与振实密度的关系曲线。

以振实密度最大为判据取相应的 D1掺量作为最佳掺量,计算其比例。

重复上述方法进行二级(D2、4.75～9.5mm)填充,根据结果计算出振实密度最大的粗集料最佳级配形式,作为研究最终采用的粗集料级配。

(2)试验结果

取 19～31.5mm粒径的集料 15kg,以 15kg的 5%的9.5～19mm的集料进行填充振动试验,测定振实密度及计算空隙率,按照上述方法再以 15kg的 10%的重量进行的二次填充试验,以此类推,直到找出振实密度最大的集料组成,试验结果见表 7。

表 7 粗集料级配表(筛孔通过率)

3.5 粗骨料与二灰砂浆比例的确定

二灰碎石中,以主骨料形成骨架嵌挤,使其空隙率最小,二灰砂浆以最大密实度填充于主骨料空隙中,从而形成骨架密实结构的二灰碎石混合料。因此按照体积法进行骨料与砂浆配比的计算。

二灰砂浆用量=单位体积×主骨料空隙率 ×二灰砂浆最大干密度

为便于比较,研究中确定二灰砂浆与主骨料比例时,分别采用粗骨料松装密度、捣实密度及振实密度计算的空隙率,并应用体积法计算结合料含量。计算结果见表 8。

表 8 二灰碎石混合料配比计算表

不同密度下计算的集料级配见表 9。

为比较在松装密度、插捣密度及振实密度下确定的二灰碎石混合料性能的优劣,对三种混合料进行了抗压强度试验,试验结果见表 10。

表 9 不同密度下集料级配表

表 10 二灰碎石混合料无侧限抗压强度

根据无侧限抗压强度试验结果,以强度最大为判据,根据插捣密度计算所得的二灰碎石混合料配比为最优,二灰碎石优化配合比为

m石灰∶m粉煤灰∶m集料=5.7∶14.3∶80,集料级配为表 9中根据插捣计算的级配 B。

4 结 论

在大量室内试验及理论分析的基础上,确定了基于抗裂性能的骨架密实型二灰稳定碎石的合理组成,得出以下结论。

(1)考虑影响二灰砂浆路用性能的因素,研究中安排了3因素 4水平的 L16(45)正交表,通过重型击实试验,确定混合料最佳含水量及最大干密度,静压成型试件,根据强度优选出了二灰砂浆的最佳配比。

(2)粗集料级配的确定采用振动试验方法,分别进行了一级和二级填充,以粗集料在振实状态下最密实为判据,确定了粗集料最佳级配形式。

(3)分别采用粗骨料松装密度、捣实密度及振实密度计算的空隙率,并应用体积法计算结合料含量,对三种混合料进行了无侧限抗压强度试验,以强度最大为判据,确定了插捣密度计算所得的二灰碎石混合料配比为粗骨料与二灰砂浆的组成比例。

[1]公路路面基层施工技术规范(JTJ034-2000)[M].北京:人民交通出版社,2000.

[2]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京:人民交通出版社,1998.

[3]同济大学道路与交通工程研究所.半刚性基层沥青路面[M].北京:人民交通出版社,1991.

[4]刘海英.二灰碎石的性能影响因素及设计方法的研究[J].东北公路,2000,23(1):33-36.

[5]姜爱锋等.二灰碎石组成配合比设计[J].同济大学学报,1999,27(3):309-313.

[6]李炜光,申爱琴.二灰砂砾级配参数研究[J].公路交通科技,2006,23(07):23-26.