浅析二灰稳定碎石基层抗裂性能的研究与应用
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[摘要]：目前水泥粉煤灰稳定碎石作为道路基层已有应用，本文根据水泥稳定类基层的缩裂机理和规律，对水泥粉煤灰稳定碎石基层的级配组成和施工两个方面提高抗裂性能进行了研究。
[关键词]：水泥粉煤灰稳定碎石级配组成 施工方法 技术应用
中图分类号：TU522.3+5文献标识码： A 文章编号：
1、研究水泥粉煤灰稳定碎石基层抗裂性能的意义
近年来，我省公路建设及城市道路施工已采用水泥稳定碎石基层。水泥稳定碎石基层属于半刚性基层，其优点是：整体性能强、承载力高、水稳性好、刚度高、强度大；缺点是：水泥固有的热胀冷缩特性，抗裂性能低，易产生缩裂，最终导致反射裂缝的产生，进而影响道路外观和实体质量。
为了提高水泥稳定碎石基层的抗裂性能，近几年我省公路与城市道路已研究并应用水泥粉煤稳定碎石基层。粉煤灰是一种火山灰物质，含有大量SiO2、AI2O3等能反应产生的凝胶的活性物质，它们在粉煤灰中以球形玻璃体的形式存在，这种球形玻璃体比较稳定，表面又相当密致不易水化，与水泥产生反应后，形成连锁结构，填充混合料的孔隙，可提高稳定强度和抗裂性能。粉煤灰用于水泥稳定碎石中，能改善混合料的和易性，增加后期强度，提高极限抗拉值，水泥和粉煤灰掺合形成的胶结材料中，水泥可提高强度，粉煤灰可降低收缩紧致。水泥粉煤灰稳定碎石基层是一种新兴的用于高等级公路和城市道路基层的一种半刚性结构形式，因具有良好的板体性、水稳性、抗冻性。
相关研究资料及使用结果表明，水泥粉煤灰稳定碎石不仅稳定性好于水泥稳定碎石，其收缩性也好于水泥稳定碎石，有良好的推广应用前景。在国家和行业尚颁布发关于《水泥粉煤灰稳定碎石基层》相关技术标准和施工技术规范时，研究水泥粉煤灰稳定碎石的级配组成和施工方法，对于道路基层施工技术的不断创新、完美和发展，防治干缩和温缩裂缝的产生，其意义是明显的、积极的。
2、水泥粉煤灰稳定碎石基层的级配组成研究
2．1水泥粉煤灰稳定碎石基层强度形成的原理
水泥粉煤灰稳定碎石的强度形成，主要是胶结材料（水泥+粉煤灰）、水、细集料的相互作用，产生水化物，自行与其硬凝反应，形成水泥石骨架，随着水化反应的深入，生成不溶于水的稳定的基层结构，这是水泥的物理化学作用的结果。从这个反应机理看，水泥粉煤灰稳定碎石，实际上是水泥中的氢氧化钙与粉煤灰玻璃球体的反应，只不过水泥能够形成较高的早期强度，粉煤灰能提同抗裂性能。
2．2水泥粉煤灰稳定碎石级配组成的设计
水泥粉煤灰稳定碎石基层所要达到的目标是，所设计的混合料组成，在强度上满足设计要求，抗裂性能达到最优，且便于施工。级配组成设计的基本原则是无机结合料剂量合理，集料应有一定的级配。
2．2．1合理限制无机结合料剂量
影响水泥粉煤灰稳定碎石强度与稳定强度的重要因素是水泥成分与剂量，以及掺入粉煤灰的剂量。水泥、粉煤灰都是无机结合料，水泥粉煤灰稳定碎石的强度随水泥剂量的增加而增加，但考虑到水泥粉煤灰稳定碎石抗温缩与抗干缩以及经济性，应有一个合理的水泥用量和粉煤灰的掺量。再则，含水量对其强度有重大影响，国内外专家研究表明，应在最佳含水量的状态下，经试验确定水泥与粉煤灰用量。我公司试验室结果见表1：
根据试验结果，应采用425#水泥，在集料不变的情况下，水泥用量宜选5%，粉煤灰宜选用15%。从抗裂性能角度考虑水泥含量4~6%时，水泥粉煤灰稳定碎石抗裂性能最好；试验表明水泥用量>6%，抗裂性反而降低，水泥用量
2．2．2根据填充理论确定集料级配
在水泥粉煤灰稳定碎石中，粒径4.75MM以下称为细集料，4.75MM以上的称为粗集料。为使半刚性混合料中的结合料胶结材料和集料嵌挤共同发挥作用，首先是骨料之间相互嵌挤形成稳定的框架，而分布其空隙内的结合料和细集料则以独立形式存在，当它们发生收缩时，仅限于在骨料空隙内产生收缩应力，其收缩受粗骨料稳定框架的限制，使各部分独立的结合料和细集料的收缩不会产生叠加。根据这一机理分析和填充理论，一实方体中最多中能用一松方集料，剩余空隙全为结合料填充，经充分密实后，可得到强度大、收缩小的半刚性基层材料。集料太多，结合料填不满空隙，导致强度不足；集料少，温缩系数增大，容易开裂。而水泥粉煤灰稳定碎石的集料级配应满足最大干密度的原则，并以结合料（水泥掺粉煤灰）胶结凝聚为准。但在水泥粉煤灰稳定碎石中，其骨料之间很难做到相互紧密接触，其无机结合料和细集料一部分存在于骨料的空隙内，另一部分存在于骨料空隙之外，其收缩不受骨料框架的限制和约束，所产生的收缩变形必然叠加。由此可见，要减少收缩变形，必须然控制细集料含量和无机结合料含量。因此，集料应具有一定的级配，集料数量以达到靠拢而不紧密为宜其空隙让无机结合料填充。
从半刚性基层的缩裂机理分析，其稳定强度和抗裂性能，不仅与无机结合料剂量有关，而且与集料的范围有关。在水泥粉煤灰稳定碎石的集料级配设计时，要降低4.75MM以下细集料含量适当增加19.0MM以上粗集料含量，使结合料和细集料在混合中的密实状态下充满骨料空隙，特别是大于19MM的粗集和小于4.75MM的细集料，都要加以控制。集料分为：碎石（26-37.5MM）；瓜子片（19-26MM）；米砂（4.75-19MM）；石屑（0.075-4.75MM），采用石灰岩轧制而成的材料，满足公路工程集料技术指标。其级配范围应通过筛分的结果，在试验室进行级配设计。根据选择的水泥和设计的集料级配，进行混合料强度试验，是选择原材料及确定混合料级配组成设计关键。
试验室集料筛分一的颗粒组成范围表2
注：1#，最大筛孔尺寸37.5；2#，最大筛孔尺寸31.5。
根据试验，水泥、粉煤灰质量≤20%、≥15%，石料最大颗粒含量不应超过31.5MM，最小粒径0.075MM，且颗粒含量宜接近。但此颗粒含量可做改变，但改变后的混合料强度的稳定性和电测法测定的抗裂性要优于上表2数据。
试验室根据以上集料筛分进行集料级配（见表3）
水泥粉煤灰稳定碎石配合比试验表3
我公司在龙门港堆场道路工程中选择了1#配合比进行基层施工，经检测：压实度98.5%，无侧限抗村强度1.0，无裂缝，达到了设计要求。自竣工两年来，未见反射裂缝，该工程综合评定为优良工程。
总之，水泥粉煤灰稳定碎石的优化及配组成设计，其关键是要根据原材料的物理化学性能试验及施工的地理、气候、环境特点，选择好原材料。水泥宜选用425#矿渣硅酸盐水泥；集料要选用机轧石灰岩碎石，采用骨架实型，必须严格限制4.25MM以下细集料及粉料用量，适当增加19.0~3.15粗集料含理。水泥用量4~6%，粉煤灰14~16%；无机结合料和集料比20%~25%、75%~80%。在此基础上，进行配合比级配组成设计，采取多组成设计，采取多组试验，分别取试件，进行无测限抗压强度和温缩试验，选择最佳配合比。