水泥稳定碎石掺加粉煤灰技术探讨

2021-07-30聂云刚盛孝丽

山东交通科技 2021年3期

聂云刚，盛孝丽

（淄博市交通运输事业服务中心，山东淄博 255038）

引言

水泥稳定碎石以良好的力学强度、超群的抗疲劳性能和优异的水稳定性而著称，长期被广泛应用于高等级公路的基层。但是，由于其产生收缩裂缝较多，致使以水泥稳定碎石为基层的沥青路面普遍产生反射裂缝和唧浆病害，造成路面变形和破坏，严重影响路面的使用品质和汽车的正常行驶。

国道克黄线临淄段改建工程，设计标准为平原微丘区一级路，全长7.7 km，路面宽24 m，路面结构为4 cm SBS 改性沥青SMA+6 cm 沥青混凝土+下封层+3×18 cm 水泥稳定碎石。

1 强度形成原理

水泥加入土中并加水拌和后，水泥中的各个成分与土中的水分发生强烈的水解和水化反应，同时从溶液中分解出氢氧化钙，并形成其他水化物。将水加入水泥后，主要的水化产物是碱性的硅酸钙、铝酸钙和消石灰。前两种产物是主要的胶结成分，而石灰则沉淀成为分离的透明的固体。胶结使非黏性土具有明显的黏性，并使它能够抵抗交通荷载或温度应力所引起的形变。混合料中胶结面积增加，能够改善材料的强度。

将水泥加入碎石中时，胶结很像混凝土中的现象，只是水泥并没有填满碎石颗粒间的孔隙。胶结作用主要靠硅酸钙和铝酸钙与矿质颗粒表面的结合。

用水泥稳定细粒土时，胶结作用包括机械结合和化学结合两部分。化学结合包括水泥和土颗粒表面的相互作用。土中的细粒含量增加时，颗粒的表面积也大大增加，水化水泥和颗粒表面间的化学作用的机会也大大增加。水化过程中产生的石灰在此化学作用过程中起着明显的作用。首先它与颗粒表面附着的离子有交换作用；其次，石灰与硅土（铝土）作用，在硅土（铝土）颗粒表面形成辅助的含水硅酸钙（铝酸钙）。这种离子交换作用使土的塑性减小，并使土对水分变化的敏感性变小。辅助的含水硅酸钙（铝酸钙）是胶结物，它进一步使颗粒相互结合。土中细粒含量越多，辅助作用越重要。

缺乏细料的粗颗粒材料，可能需要过量的水泥，以保证形成一个满意的水泥稳定层。对这种材料，实际上应该添加其他较细材料以改善其级配组成。因此，在水泥碎石中掺加一定量的粉煤灰改善其级配组成，提高其强度及抗裂性能。

2 材料要求和配合比设计

2.1 水

凡是饮用水均可用于水泥稳定碎石施工。

2.2 水泥

《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034—2000）规定，用于水泥稳定碎石的水泥可以是普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥，其初凝时间应在3 h 以上，终凝时间宜在6 h 以上，水泥标号为32.5#。快硬水泥、早强水泥以及已受潮变质的水泥不应使用。P·O32.5 水泥各项指标见表1。

2.3 集料

《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034—2000）规定，水泥稳定碎石用作路面基层时，颗粒组成应满足表2 的规定。采用石灰岩碎石10～ 30 mm、5～10 mm、石灰岩石屑0～5 mm，配合比为45 ∶25 ∶30，合成级配见表2。

表2 水泥稳定碎石的合成级配

可以看出，细料含量明显偏少，必将大大影响水泥稳定碎石的强度和抗裂性能。

2.4 粉煤灰

《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034—2000）规定，在水泥稳定粒径较均匀的砂时，可以在砂中添加部分粉煤灰，但是对于粉煤灰的质量要求无明确规定。参照石灰工业废渣稳定土中关于粉煤灰的各项指标要求来对粉煤灰的质量进行控制。粉煤灰各项指标见表3。

表3 粉煤灰主要性能指标

2.5 配合比设计

按照用粉煤灰取代部分石屑、总量保持30%不变的原则，分别按粉煤灰含量0%、4%、5%、6%、7%、8%、10%做了7 组对比试验，水泥剂量为5%，各项指标见表4。

在取得7 d 抗压强度的数据以后，发现粉煤灰含量≤6%时，其强度与粉煤灰含量成正比；在粉煤灰含量≥6%时，其强度与粉煤灰含量成反比。因此，经对比论证，确定试验路段水泥稳定碎石中粉煤灰含量为6%。

3 施工及效果

基层施工采用集中拌和、机械摊铺，施工控制要点与水泥稳定碎石控制要点基本相同。

养生温度和延迟时间是影响水泥稳定碎石强度的关键因素。为保证水泥稳定碎石基层施工质量，施工应注意：（1）重点控制混合料的拌和质量，包括配合比、含水量等；（2）运输时应进行覆盖，以减少水分损失；（3）应尽量缩短延迟时间（从加水拌和到碾压终了的时间），最长不能超过水泥的终凝时间，按3 h 控制；（4）应采用重型振动压路机和光轮压路机进行碾压；（5）因养生湿度和温度对水泥稳定碎石的强度影响很大，所以水泥稳定碎石要求覆盖、保湿养生，养生期间封闭交通；（6）按规定频率进行试验检测以指导施工。

工程施工过程中制作了试件，并分别做了7 d、1 个月、3 个月、6 个月、1 a 的无侧限抗压强度试验，试验结果见表4。

表4 水泥稳定碎石掺加粉煤灰抗压强度比较

可以看出，掺加粉煤灰对于提高水泥稳定碎石的早期强度效果不明显，但后期强度比未掺加粉煤灰时提高20%以上，最高达60%。通过对该路段通车1 a 来的观察，未发现有纵向裂缝，横向裂缝平均间距在106 m，而用未掺加粉煤灰的水泥稳定碎石做基层的沥青路面通车1 a 后横向裂缝平均间距为 42 m，掺加粉煤灰使水泥稳定碎石基层的抗裂性能提高了1.5 倍。