張可強(qiáng)，韋武舉，韓　超，趙志強(qiáng)

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.新型道路材料國(guó)家工程試驗(yàn)，江蘇 南京 211112）

振動(dòng)成型法在水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層中的應(yīng)用

張可強(qiáng)1，2，韋武舉1，2，韓超1，2，趙志強(qiáng)1，2

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.新型道路材料國(guó)家工程試驗(yàn)，江蘇 南京 211112）

文章以強(qiáng)度和模量試驗(yàn)為依據(jù)，采用振動(dòng)成型法對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石進(jìn)行級(jí)配研究，并將研究成果成功應(yīng)用于連霍高速公路（G30）西安至寶雞段改擴(kuò)建工程。工程實(shí)踐表明，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層表現(xiàn)出良好的路用性能，可供類似工程設(shè)計(jì)參考。

道路工程；水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石；振動(dòng)成型；骨架密實(shí)；路用性能

我國(guó)絕大部分瀝青路面采用半剛性基層，半剛性基層的質(zhì)量好壞對(duì)路面的質(zhì)量和壽命起決定性的影響［1］。粉煤灰作為工業(yè)廢渣在工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從理論上講其可改善拌合物的和易性，提高后期強(qiáng)度，減少干縮性，但作為摻料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層在國(guó)內(nèi)公路界存在一些爭(zhēng)議，其最佳摻量和路用效果也缺乏明確的理論依據(jù)和長(zhǎng)期的工程實(shí)踐驗(yàn)證。國(guó)家規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，給水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了很大不便。本文采用振動(dòng)成型法對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行研究，通過(guò)大量試驗(yàn)，對(duì)其配合比進(jìn)行優(yōu)化，并成功應(yīng)用于連霍高速公路（G30）西安至寶雞段改擴(kuò)建工程基層和底基層，其應(yīng)用范圍（130 km）屬國(guó)內(nèi)首位。

1 原材料

水泥采用復(fù)合硅酸鹽水泥32.5，3 d抗壓強(qiáng)度為16.8 MPa，抗折強(qiáng)度為3.6 MPa； 28 d抗壓強(qiáng)度為40.1 MPa，抗折強(qiáng)度為7.1MPa；細(xì)度為4.6%，初凝時(shí)間190 min，終凝時(shí)間420 min，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。集料采用石灰?guī)r，其壓碎值、針片狀含量、小于0.075 mm的顆粒含量和塑性指數(shù)等指標(biāo)滿足規(guī)范要求。為保證級(jí)配穩(wěn)定且易調(diào)整，采用4檔集料，采用規(guī)范推薦骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，合成級(jí)配如表1所示。粉煤灰采用某電廠粉煤灰，其指標(biāo)如表2所示。

由于各火電廠脫硫工藝不同，出廠的粉煤灰含硫量有所差異，粉煤灰中含硫量過(guò)高會(huì)對(duì)路面基層產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其膨脹起拱開(kāi)裂、表面變形、凹凸不平。陜西地區(qū)以煤炭為燃料的電廠主要采用濕式石灰石（石灰）-石膏法脫硫，其平均含硫量在0.4%左右，用在三渣基層等道路工程中未出現(xiàn)膨脹起拱的案例；但江蘇部分地區(qū)粉煤灰中含硫量普遍較高，對(duì)基層產(chǎn)生影響，導(dǎo)致膨脹起拱破壞。我國(guó)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》中并沒(méi)有對(duì)應(yīng)用于路面基層的粉煤灰含硫量作具體規(guī)定，對(duì)粉煤灰原材料中硫的含量并沒(méi)有引起足夠的重視，但應(yīng)盡量采用含硫量低的粉煤灰。

表1 各檔集料級(jí)配

表2 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

2 級(jí)配設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)室試件成型方法

傳統(tǒng)的半剛性基層材料的設(shè)計(jì)方法為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定混合料的最大干密度及最佳含水量，采用靜壓成型試件測(cè)定7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；而現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)大多數(shù)采用大噸位振動(dòng)壓路機(jī)與膠輪壓路機(jī)組合碾壓，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)場(chǎng)碾壓工況匹配性較差，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確反映和控制現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量。振動(dòng)成型法利用表面振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀器在特定的振動(dòng)振幅、頻率、振動(dòng)時(shí)間及激振力下，最大限度地摸擬施工現(xiàn)場(chǎng)碾壓工藝，使試驗(yàn)室內(nèi)成型的混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及路用性能較好地反映現(xiàn)場(chǎng)工況。因此，本研究采用振動(dòng)成型法進(jìn)行配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮半剛性基層的優(yōu)勢(shì)，提高路面的使用性能。

研究確定水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層混合料成型參數(shù)為［2］：振動(dòng)頻率，30 Hz；靜壓力，140 kPa；激振力，7 612 N；偏心塊夾角，30°；振幅，1.4 mm；分2次裝料，總振動(dòng)時(shí)間為2 min。研究表明，振動(dòng)成型的試件骨架密實(shí)性更好，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度更大，變異系數(shù)較低，試件吸水率只有標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試件的1/10，同時(shí)表現(xiàn)出更優(yōu)秀的抗干縮性能。

2.2 粉煤灰用量的確定

由于缺少國(guó)家規(guī)范和行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，粉煤灰在水泥穩(wěn)定碎石中的摻量一直存在爭(zhēng)議?，F(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D50—2006）建議水泥粉煤灰與集料的質(zhì)量比宜為（13～17）：（87～83）［3］，類似于石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石。長(zhǎng)安大學(xué)、交通運(yùn)輸部公路科研所等單位的研究表明粉煤灰的摻入對(duì)該混合料的強(qiáng)度影響很大，當(dāng)摻入量小于5%時(shí)，混合料的早期強(qiáng)度和模量均有提高，但隨著粉煤灰繼續(xù)摻入，早期強(qiáng)度和模量會(huì)降低，后期強(qiáng)度會(huì)增加［4］。蕭庚等人提出混合料的早期強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而降低，但后期性能則隨粉煤灰摻量的增加而提高［5］。重慶交通大學(xué)等單位研究表明采用11%的粉煤灰替代碎石后材料的早期強(qiáng)度提高150%［6］。

為兼顧水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度及抗裂性能，根據(jù)多年工程經(jīng)驗(yàn)，選取水泥劑量為3.8%（外摻），粉煤灰摻量按0%、3%、6%、10%、15%，按振動(dòng)成型法成型150 mm×150 mm試件，由試驗(yàn)得出最大干密度和最大含水量。試驗(yàn)級(jí)配與參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)級(jí)配與參數(shù)

對(duì)振動(dòng)成型法試件進(jìn)行不同齡期（7 d、28 d、90 d、180 d、360 d）的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量和劈裂強(qiáng)度的檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系

圖2 劈裂強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，（1）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和模量基本上隨著齡期的增長(zhǎng)而增加，原因是粉煤灰具有活性，隨著齡期的增長(zhǎng)，逐漸產(chǎn)生具有凝膠性能的產(chǎn)物，從而提高混合料的強(qiáng)度；（2）振動(dòng)成型法成型的試件骨架密實(shí)性好，整體強(qiáng)度較高；隨著粉煤灰摻量的增加，不同齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度呈先增后減的趨勢(shì)，早期強(qiáng)度更為明顯。分析原因?yàn)榉勖夯覔搅可贂r(shí)，起到填充礦料骨架空隙的作用，使試件密實(shí)性增加，且粉煤灰與水泥水化物反應(yīng)生成具有膠凝性能的物質(zhì)，增加了顆粒間的黏聚力。隨著摻量的增加，粉料對(duì)骨架產(chǎn)生干涉，混合料由骨架結(jié)構(gòu)向懸浮結(jié)構(gòu)發(fā)展，強(qiáng)度增加的幅度有所下降；（3）在粉煤灰摻量很小時(shí)（3%左右），混合料模量稍微增加，但增幅不明顯，原因?yàn)樯倭糠勖夯业膿郊邮够旌狭细鼮槊軐?shí)；此后，隨著粉煤灰摻量的增加模量開(kāi)始下降，分析其原因?yàn)榉勖夯易鳛榛钚圆牧嫌绊懥嘶旌狭系膭傂浴?/p>

圖3 回彈模量與粉煤灰摻量的關(guān)系

對(duì)比圖1與圖2可知，粉煤灰摻量的增加對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響更大（劈裂強(qiáng)度增幅大），因?yàn)榕c抗壓性能相比，粉煤灰與水泥水化物反應(yīng)生成具有膠凝性能的物質(zhì)，對(duì)混合料的劈裂（間接抗拉性能）有更大的貢獻(xiàn)［7］。

綜合國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果及上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為粉煤灰的用量在5%～10%是合理的。綜合考慮，連霍高速（G30）西安至寶雞段改擴(kuò)建工程基層與底基層的粉煤灰用量采用6%（內(nèi)摻）。

2.3 工程級(jí)配確定

依據(jù)施工技術(shù)規(guī)范及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分別按2.8%、3.3%、3.8%、4.3% 4種水泥劑量制備試件，分別采用振動(dòng)擊實(shí)成型法和重型擊實(shí)成型法確定各組水穩(wěn)試件的最佳含水量和最大干密度。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

由表4可知，振動(dòng)擊實(shí)成型法、重型擊實(shí)成型法得到的最大干密度之間存在一定相關(guān)性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室配合比多組水泥劑量對(duì)比試驗(yàn)，ρ振動(dòng)擊實(shí)=1.03ρ重型擊實(shí)。根據(jù)試驗(yàn)確定的最佳含水量和最大干密度，按要求的壓實(shí)度（98%）分別采用振動(dòng)擊實(shí)法和靜壓法成型無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件。成型混合料試件在（20±2）℃，相對(duì)濕度≥95%的條件下養(yǎng)護(hù)6 d，浸水1 d后取出，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。靜壓法成型與振動(dòng)擊實(shí)法成型試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 不同水泥用量的混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表5 7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表

比較強(qiáng)度概率保證值Rc0.95和設(shè)計(jì)強(qiáng)度值Rd的大小，滿足95%的保證率下7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的要求?？紤]到水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的拌和及現(xiàn)場(chǎng)攤鋪施工控制存在一定程度的變異性，從工程經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工條件考慮，確定連霍高速（G30）西安至寶雞段改擴(kuò)建工程水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層水泥用量為3.8%。

3 工程應(yīng)用

3.1 碾壓方案

實(shí)體工程選擇在連霍高速（G30）西安至寶雞段改擴(kuò)建工程，共130 km，雙向8車道，擴(kuò)建路段底基層與基層采用水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石。此種半剛性材料的施工重點(diǎn)在于碾壓，課題組特制定碾壓工藝如下：22 t以上單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)不掛振穩(wěn)壓1遍，振動(dòng)碾壓4～5遍， 26 t以上的輪胎壓路機(jī)碾壓2遍。以振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度作為現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，壓實(shí)度要求大于98%。

碾壓后的底基層與基層表面粗糙、均勻，碾壓完成后鋪土工布灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)7 d后現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行取芯試驗(yàn)，均能取出完整芯樣，將現(xiàn)場(chǎng)芯樣鋸成Φ150 mm× 150 mm的試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。路面五個(gè)標(biāo)基層芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值平均為7.6 MPa，實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)擊實(shí)成型強(qiáng)度為7.8 MPa，表明振動(dòng)成型方式與現(xiàn)場(chǎng)碾壓工況更為吻合。

3.2 裂縫觀測(cè)

連霍高速公路（G30）西安至寶雞段改擴(kuò)建工程基層于2011-06完工，基層養(yǎng)護(hù)結(jié)束后對(duì)基層裂縫進(jìn)行觀測(cè)，平均裂縫間距為200 m。2012-06對(duì)全線進(jìn)行基層反射裂縫調(diào)查，平均裂縫間距為120 m，2013-12再次對(duì)全線進(jìn)行基層反射裂縫調(diào)查，平均裂縫間距仍為100 m左右，較之重型擊實(shí)法成型的普通水泥穩(wěn)定碎石基層平均裂縫間距20 m有了

［1］ CJJ 129—2009 城市快速路設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.

［2］ GB 50220—95城市道路交通規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］鄭建湖，伍雄斌，文子娟.快速路入口匝道控制對(duì)交通系統(tǒng)的影響分析［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） ，2008，25（2）：17-20.

［4］鐘連德.快速路交織區(qū)通行能力研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院.2005.很大改善。調(diào)查結(jié)果表明，基于振動(dòng)成型法的水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石抗裂性能優(yōu)良，具有較好的路用性能。

4 結(jié)論

（1）振動(dòng)成型法成型的試件骨架密實(shí)性好，整體強(qiáng)度高，與現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)碾壓工況相吻合；

（2）水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加呈先增后減趨勢(shì)，早期強(qiáng)度更為明顯；隨著粉煤灰摻量的增加，試件的彈性模量下降；

（3）推薦水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石中粉煤灰的用量在5%～10%，實(shí)體工程采用6%的粉煤灰用量，路用性能較好。

參考文獻(xiàn)

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［2］趙可.城市快速路高性能瀝青路面研究［R］.天津市市政工程研究院，2007.

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［4］ 張嘎吱，沙愛(ài)民.水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層的齡期和強(qiáng)度［J］.公路交通科技，2005，22（6）：27-29.

［5］蕭賡，梁乃興，楊超杰，等.水泥粉煤灰級(jí)配碎石基層混合料的路用性能研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，20（S1）：101-104.

［6］楊錫武，梁富權(quán).水泥粉煤灰穩(wěn)定混合料修筑高等級(jí)、道路路面基層的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1994，7（S1）：80-86.

［7］袁潤(rùn)章，膠凝材料學(xué)［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，1998.

（收稿日期：2015-03-05）

Application of Vibratory Compaction in Cement and Fly-ash Stabilized Macadam Base

Zhang Keqiang1，2， Wei Wuju1，2， Han Chao1，2， Zhao Zhiqiang1，2
（1. JSTI Group， Nanjing 211112， China；2. National Engineering Laboratory for Advanced Road Materials， Nanjing 211112， China）

On the basis of strength and modulus tests， the gradation of cement and fly-ash stabilized crushed-stones using vibratory compaction is analyed. And the test results are successfully applied in renovation and expansion project of Xi'an to Baoji section Lianhuo highway （G30）. Practice shows that the the road performance of optimized cement and flyash stabilized crushed-stones is good，which can provide reference for similar projects.

road engineering； cement and fly-ash stabilized macadam； vibratory compaction； dense framework structure； road performance

U414

A

1672-9889（2016）01-0021-03

江蘇省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：07Y18）

張可強(qiáng)（1982-），男，山東菏澤人，高級(jí)工程師，主要從事道路材料、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。

2015-05-27）