捅要 我國對粉煤灰在公路建設中的運用研究 在技術上已比較成熟 粉煤灰在公路建設 中主要用于半剛性基層 半剛性基層是重慶乃至全國高速公路最常使用的基層 底基層 結構型式 具有強度高 剛度大的優點 但其收縮裂縫問題至今仍困擾著公路工程界 重慶地區粉煤灰活性較低 在公路建設中很少應用 這對當地環境造成極大得污染 論 文依托渝隧高速碎石研究項目 通過對比西安粉煤灰z 對重慶粉煤灰l 和重慶粉煤灰 y 在公路半剛性基層中的運用進行了研究 論文介紹了國內外粉煤灰在公路基層中的運用概況和研究現狀 通過對粉煤灰激活 原理進行分析 針對重慶地區粉煤灰活性普遍較低的特性 使用多種激活方法對粉煤灰 活性進行激發 主要通過石灰激發 石灰與激活劑a 復合激發 水泥激發 水泥石灰復 合激發 水泥與激活劑a 復合激發進行結合料強度試驗研究 選取有水泥摻加情況下合 適比例和石灰 激活劑a 情況下的最佳比例和最佳劑量 對幾種級配運用貝雷法進行評 價 選取合適的級配作為混合料路用性能驗證試驗的集料級配 對各比例和不同激活劑 劑量的結合料應用體積設計法進行混合料配合比設計 對于同一級配下的集料 二灰穩 定類采用結合料緊密填充集料空隙 水泥粉煤灰穩定類則采用不同的預留空隙率進行混 合料配合比設計 以力學特性 無側限抗壓 劈裂抗拉 剛度特性 抗沖刷特性 抗 裂性 溫縮 干縮 為技術指標 考察其諸項路用性能 綜合分析確定了粉煤灰在半剛 性基層中較好的應用方法 文中運用了灰色系統理論的基本方法 分別對同級配水泥粉 煤灰穩定類和二灰穩定類混合料的諸項路用性能進行了綜合評價 為重慶地區粉煤灰在 高等級路面中的運用提供了有力的依據 關鍵詞 半剛性基層 路用性能 試驗研究集料級配 灰色系統 ab s t r a c t t h e 印p l i c a t i o nr e s e a r c ho fn ya s hi nc h i n a sh i 曲w a yc o n s t l l j c t i o nh a v em a j l yy e a r s a n d t h et e c h n i q u eh a sm o r em a t u r e f l ya s hi nh i g h w a yc o n s t m c t i o nm a i n l yu s e df o rs e m i r i g i d b a s e s e m i r i g i db a s ei nh i 曲w a yc o n s t r u c t i o ni sm o s tc o m m o n l yu s e db yb a s eo rs u b b a s ei n n a t i o na n dc h o n g q i n g w i t hs t r e n g t ha n ds t i f m e s so ft h eb i ga d v a n t a g e s b u tt h ep r o b l e mi s t h a ts m n k a g ec r a c k ss t i l lt r o u b l e dt h ee n g i n e e r i n gi nh i h g w a y c h o n g q i n g sn ya s hi sl o w e r a c t i v i t y s oi ti sv e r af e w a p p l i c a t i o ni nh i 曲w a yc o n s t m c t i o n a n dt h er e s u l ti st h a tl o c a l e n v i r o n m e n tw a sp o l l u t e d t h ep a p e r sr e l y i n go ny r u s u i 黟a v e l p r o j e c t t h ea p p l i c a t i o n r e s e a r c hi ns e m i i i i g i db a s ef o rc h o n g q i n g l u o h u a j l gp o w e rp l a n ta n dc h o n g q i n gp o w e rp l a l l t b yc o n 昀s tx i a nb a q i a 0f l y a s h p a p e r sp r e s e n t e dt h eu s eo fn y a s hi 1 1b a s ea th o m ea n da b m a d t h r o u 曲t h ea n a l y s i sf o r t h ea c t i v a t i o np n c i p l eo fn ya s h b e c a u s et h ef l y a s ho fc h o n g q i n ga r e ah a s1 0 w e r a c t i v i t y g e n e r a l l y s ot os t i m u l a t et h ea c t i v i t yo f f l ya s hw i t hv a d e t yo fm e t h o d s t h e i ra r es e v e r a l m e t h o d st oe x c i t em ea c t i v 毋o f f l y 嬲h s u c ha st h r o u 曲l i m e l i m ea n da t i v a t o ra c 鋤e n t c e m e n ta n dl i m e c e m e n ta n da t i v a t o rae t c s oa st 0d ob i n d e rm a t e a ls t r e n g m t e s t s e l e c taa p p r o p r i a t ep r o p o r t i o no fc a s e sw i t hc e m e n tm i x i n g a n ds e l e c tt h eb e s t p r o p o r t i o nw i t hl i m ea j l da t i v a t o ra t oe v a l u a t es e v e r a la g g r e g a t e 黟a d a t i o nb yb a i l e ym e t h o d s e l e c t 印p r o p r i a t e 黟a d a t i o n 嬲a g g r e g a t e 黟a d a t i o nf o rm i x t u r er o a dp e r f o r n l a i l c e i 1 1 v e r i f i c a t i o nt e s t b yv o i dd e s i g np r o c e d u r et od e s i g nd i f i e r e n tm i x t u r e f o rt h es a m e g r a d a t i o n o f a g g r e g a t e l i m ea n dn ya s hm i x t u r eu s e di nc l o s et h eg a pf 1 1 l e ra g g r e g a t e c e m e n ta i l df l y a s hm i x t u r ew i md i f f e r e n tr e s e e dv o i d a g et od e s i g nt h em i x t u r e a l s o b yt h ee x p e r i m e n t s o fm e c h a m c a lp e r f o m l a n c e u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n 百h t h ec l e a v a g es t r e n 舀h a n t i b m s h i n gp e r f o n n a n c e a n d a n t i c r a c k i n gp e r f o 肌a j l c e t h e m o c o n t r a c t i o n d r y n e s s c o n t r a c t i o n a n dt h r o u 曲c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h en ya s ht od e c i d et h ew a yo f n ya s hi ns e m i 一一g i da p p l i c a t i o n t h ep 印e rb yu s i n gt h em n 1 鋤e n t a lm e t h o do f 黟e ys y s t e m t h e o 叫 t oe v a l u a t et h em i x t u r eo ft h er o a dp e r f o m a n c e f o rt h en ya s ha p p l i c a t i o ni n 1 1 i 曲一伊a d er o a df o rc h o n g q i n ga r e ap r o v i d e sas t r o n gb a s i s k e y w o r d s e m i n g i db a s et e s t i n gr e s e a r c h a g g r e g a t eg r a d o n r o a dr e l a t e dp e r f o n n a n c e t h eg r a ys y s t e m 論文獨創性聲明 本人聲明 本人所呈交的學位論文是在導師的指導下 獨立進行研究 工作所取得的成果 除論文中已經注明引用的內容外 對論文的研究做出 重要貢獻的個人和集體 均己在文中以明確方式標明 本論文中不包含任 何未加明確注明的其他個人或集體已經公開發表的成果 本聲明的法律責任由本人承擔 論文作者簽名 鋤 弘 捕 月r 目 論文知識產權權屬聲明 本人在導師指導下所完成的論文及相關的職務作品 知識產權歸屬學 校 學校享有以任何方式發表 復制 公開閱覽 借閱以及申請專利等權 利 本人離校后發表或使用學位論文或與該論文直接相關的學術論文或成 果時 署名單位仍然為長安大學 保密的論文在解密后應遵守此規定 論文作者簽名 氣旁如 導師簽名 二荔弋 舛鄉月 日 年 月 日 j i k 安人學碩l j 學化論文 第一章緒論弟一早三石v 匕 1 1 問題的提出及研究意義 伴隨著我國國民經濟和社會建設的快速發展 公路建設事業也突飛猛進的發展 高 等級公路的里程不斷增加 1 9 8 9 年僅為2 7 1 公里 到1 9 9 9 年突破1 萬公里 2 0 0 0 年底 高速公路通車總里程己達到1 6 萬公罩 截至2 0 0 6 年底已經突破了4 6 萬公里 穩居世 界第二位 根據交通部國家高速公路網規劃方案 到2 0 3 0 年 我國高速公路通車總里 程將增至8 5 萬公里 經過改革開放短短十幾年的飛速發展 我國高速公路從無到有直 到世界第二 高速公路建設的巨大發展 對經濟建設起到了巨大的作用 然而我國高速公路目前存在較為嚴重的問題 國內已建高等級公路早則1 2 年 遲則3 6 年 均發生程度不同的早期破壞 提前設計壽命十年或者更多就進入大修 早期破壞有兩類 一類是高速公路在1 2 年就發生車轍 坑槽 剝離等破壞 一般與 設計 施工過程有關 通過有針對性的措施一般能得以解決 另一種具有很大普遍性的 病害是我國已建成高速公路能夠達到設計壽命的比例太低 路面大幅提前達到設計壽 命 產生疲勞破壞 在我國建成或正在建設的公路中 半剛性路面和剛性路面是目前高等級公路路面的 主要結構類型 其中高速公路以半剛性基層瀝青路面為主 城市道路以水泥混凝土剛性 路面結構為主 據統計 我國9 0 以上的高等級公路瀝青路面的基層和底基層均采用了 半剛性路面結構 由于國內已建成高速公路不同程度的發生早期破壞 早期破壞產生的 原因很復雜 涉及到施工質量 路面結構與材料設計 超載重載運輸以及養護策略 技 術 質量等方方面面的可控的因素 半剛性基層是重慶乃至全國高速公路最常使用的基 層 底基層結構型式 具有強度高 剛度大的優點 但其收縮裂縫問題至今仍困擾著公 路工程界 對長壽命 高耐久性的半剛性材料進行研究以解決目前高速公路早期破壞嚴 一重f 反射裂縫難以克服的問題 有很大的意義i 一 基層位于路面面層下路基土層上 間接承受路面荷載并傳遞應力的結構層 基層的 強弱和好壞對整個路面的強度 使用質量和使用壽命都有十分重要的影響 因此作為高 等級公路路面的基層必須具備以下六個技術要求 有足夠的強度和剛度 有足夠的水穩性和冰凍穩定性 有足夠的抗沖刷能力 第一章緒論 無論干縮還是溫縮要小 有足夠的平整度 與面層結合良好 無機結合料穩定類半剛性材料作為基層也正是適應了這六種技術要求 半剛性基層 突出具有如下優點 1 強度高 一般來說 半剛性基層材料具有較高的強度 且它們都具有隨齡期不 斷增長的特點 因此半剛性基層瀝青路面通常具有較小的彎沉和較強的荷載分布能力 從彎沉來看 國內大多數高速公路路面結構在使用期內不同時期代表彎沉值一般均在 o 2 l l u i l 以內 甚至在0 h n m 內 己有試驗路證明半剛性瀝青路面的承載能力完全可由 半剛性基層予以滿足 瀝青面層可僅起功能層的作用 因而可以減薄瀝青面層 降低工 程造價 2 穩定性好 半剛性基層材料具有較高的水穩性和冰凍穩定性 因此在水的作用 以及多次凍融反復作用下 而不影響半剛性材料基層的承載能力 3 剛性大 半剛性基層抗壓回彈模量值可高達1 8 0 0 m p a 因此其上瀝青面層彎拉 應力相對減小 從而提高了瀝青面層抵抗行車疲勞破壞能力 也就是說半剛性基層可以 達到減薄瀝青面層的目的 另外 半剛性基層材料整體性好 利于機械化施工且工程造 價低 能適應重交通發展需要 半剛性基層瀝青路面結構正是以其優良的工程性能和顯 著的經濟效益在我國公路建設中得到廣泛的應用 已成為高等級公路路面主要結構形 式 目前 我國高等級公路半剛性基層材料主要有水泥穩定粒料和二灰穩定粒料兩種 因其良好的物理力學性能強度高穩定性好等優點在國內外高速公路得到普遍采用 但研 究與實踐證明它們都有各自的缺陷和不足 水泥穩定粒料早期強度高 施工機動性好 但抗裂性差 造價高 施工延遲成型時間短 二灰類穩定粒料長期強度高 具有良好的 經濟效益 但早期強度低 施工性差 且石狄消解 運輸和堆放比較復雜 并會對環境 造成很大污染 此外 水泥新標準執行后 強度標準提高了一個等級 根據工程應用與 實踐經驗 應用新標準規定的3 2 5 級水泥穩定路面基層材料開裂現象比較嚴重 水泥粉煤灰穩定基層是近幾年發展起來的一種新型路面基層材料 它是在粒料中加 入 定量的粉煤灰后用水泥進行穩定 利用水泥水化硬化快和粉煤灰的火山灰活性 使 基層材料既具較高的強度 特別是早期強度 又有很好的抗裂性能同時還具有很好的經濟 效益 水泥粉煤灰穩定類基層材料的強度隨著水泥劑量的增大而增大 根據相關試驗結 2 長安人學碩 l 學位論義 果從基本強度要求和抗沖刷角度考慮水泥劑量不宜低于3 同水泥穩定類基層材料一 樣隨著水泥劑量的增大材料的收縮性增大脆性增大 雖然水泥粉煤灰穩定時收縮性要好 于單純水泥穩定類但從強度和收縮性綜合考慮水泥劑量不宜大于6 水泥粉煤灰穩定 基層具有早期強度高 抗裂性好 施工方便等優點而且能大量利用工業廢料 粉煤灰 經濟性好有很好的經濟效益和顯著的社會效益 該基層材料施工工藝與水泥穩定基層材 料類似易于操作是一種環保 經濟 便于普及推廣的高性能路面基層材料 通過水泥粉 煤灰穩定基層的對比應用 對提高高速公路建設質量拓展粉煤狄應用范圍 具有重要意 義 二灰穩定粒料具有后期強度高收縮系數小板體性好水穩性 抗凍性較好且能大量利 用工業廢料 粉煤灰 經濟性好 同時也存在 早期強度低施工進度受到限制 表面松散起灰不利于層間結合 耐沖刷性一般影響耐久性等缺點 據不完全統計在半剛性基層材料的應用過程中二灰穩定粒料正在逐步喪失其原有 的優勢根本原因就是早期強度低 為了提高其早期強度在以往的工程實踐過程中曾采用 添加堿的方法但終因造價過高或施工工藝太復雜而未獲成功 所以對于二灰穩定粒料而 言最重要的是提供一種既經濟而又能有效地提高二灰穩定粒料早期強度的方法 水泥粉煤灰穩定類材料和二灰穩定類材料是兩種典型和常用的半剛性基層材料 因 其良好的物理力學性能強度高穩定性好等優點在國內外高速公路得到普遍采用 作為瀝 青路面基層起承重作用是適合的 然而多年來的使用也發現水泥穩定類半剛性基層上的 瀝青路面出現反射裂縫的情況非常嚴重據裂縫調查資料顯示一些路段反射裂縫平均間 距僅1 0 m 左右 鑒于此對于水泥穩定類的抗裂性能進行一定的改善同時保留其良好的力 學性能對于降低瀝青面層的反射裂縫率 延長瀝青面層的開裂間距無疑是有益的 中國是世界上最大的煤資源國家之一 利用煤發電一向是我國的主要能源政策隨著 中國經濟的巨大發展火力發電事業也迅速發展粉煤灰的排放量和利用率也迅速增長 1 9 9 0 粉煤狄排放量6 7 0 0 萬t 利用量為1 9 0 0 萬t 利用率為2 8 3 1 9 9 5 年排放量為9 9 3 6 利用量為4 1 4 5 萬t 利用率為4 2 2 0 0 0 年排放量1 2 億噸利用量為7 0 0 0 萬噸利用率為 5 8 2 0 0 5 年全國燃煤電廠和低熱值電廠排放的粉煤灰高達3 3 億t 以上 居世界第一 位 占全國固體廢棄物的4 0 粉煤灰具有雙重性 即是廢棄污染物 堆放占壓土地污 染大氣環境和水體 同時又是可綜合利用的寶貴資源 2 0 0 5 年 煤炭 電力行業供應及 3 第一章緒論 部分利用2 1 億t 左右 利用率達6 6 創造了可觀的綜合效益 粉煤灰綜合利用的途 徑很多如建材 建工 筑路 回填 農業 環保治理 化工和提取等其中生產建筑材料 是最有效的途徑之一粉煤灰的排放量 利用量 利用率呈同步增長 就全國分類利用量 而言粉煤灰主要用于建材和道路工程而部分地區如上海等地道路工程為利用的首要方 面其次是混凝土漿再次是建材 為了能在工程建設中大力利用粉煤灰減少其堆放占用的 土地及水域面積 節約水泥 保護環境 使粉煤灰發揮其在半剛性基層中其他組分不可 替代的作用 就必須努力研究粉煤灰的活化技術 以解決粉煤灰材料早期活性低而造成 利用率低的問題 粉煤灰作為一種資源隨著人們對它認識的提高已逐漸被人們所接受 對它進行綜合利用的工作也越來越被重視 煤炭在鍋爐中燃燒后有兩種固念殘留物一灰和渣 隨煙氣從鍋爐頂部排出的 主要 經除塵器收集下來的固體顆粒即為粉煤狄簡稱灰或飛灰 顆粒較大或呈塊狀的 從爐膛 底部收集出來的稱為爐底渣簡稱渣或大渣 煤灰的性質具有較大的波動性 它不僅與煤 種 煤源有關同時亦取決于鍋爐的類型 運行條件 收塵及排灰方式 因此各電廠粉煤 灰的性質不同 同一電廠由于鍋爐類型及容量的差別或同一鍋爐由于運行條件不一其性 質亦可能有較大的差別 粉煤灰作為路面基層材料 在中國道路工程中的應用已有數十 年的歷史 相應路用研究工作也取得大量成果 然而由于火力發電廠高爐燃煤發電過程 或煙塵排放條件等多方面原因 一些電廠所堆放的粉煤灰性能很差 用于道路基層形成 的強度很低或根本無法形成強度 達不到相關規范對這類基層材料的基本要求 因此很 難在道路工程中使用這類性能較差的粉煤灰 就是所謂的低活性粉煤灰 目前我國對粉煤灰的利用率和利用量雖然比過去已有所提高 但利用率仍然較低綜 合利用就更差而且主要用于 建材行業約占利用總量的3 5 路面基層混合料和修 筑路堤約占利用量的2 5 建筑工程主要是在砂漿和混凝土中作摻合料約占1 1 r 工程回填約占1 5 但是粉煤灰據統計只有2 0 一3 0 左右得以利用其余大部分堆積 廢棄這不僅占用大量土地而且嚴重污染環境 粉煤灰的綜合利用和開發無論從環保 節 能或資源利用的角度看 都是十分有意義的 同時為公路建設提供一種分布廣泛的原材 料 通過對粉煤灰性能的研究 采用不同的方法對粉煤灰活性進行激發 改善半剛性基 層的路用性能 通過路用性能試驗對不同的粉煤灰激活方法進行評價 尋找適合重慶地 區低活性粉煤灰的最佳激活方法 使粉煤灰能夠大規模應用到當地的公路建設中去 綜上所述 本論文擬針對兩類典型半剛性基層瀝青路面存在的問題 結合渝隧高速 4 長安人學碩士學位論文 公路的具體情況 研究半剛性基層中對粉煤灰采用不同的激活手段時 水泥粉煤灰穩定 類和二灰穩定類存在的問題和路用性能重點研究解決以下的問題 1 二灰穩定粒料是一種典型和常用的半剛性基層材料 因二灰穩定粒料具有后 期強度高收縮系數小 板體性好水穩性 抗凍性較好 且能大量利用工業廢料 粉煤灰 經濟性好 在國內外高速公路得到普遍采用 但研究與實踐證明它也有它的缺陷和不足 早期強度低就是一個急需解決的問題 同時低活性粉煤灰在公路中的應用受到一定的限 制 必須對其性能進行一定的改善以滿足公路應用的條件 2 對于水泥粉煤灰的激活方法進行研究 尋找最佳的改善方法 使水泥粉煤灰 具有更高的強度和更好的路用性能 有效提高其抗裂性 使水泥粉煤灰穩定材料在公路 中的應用更加成熟化和實用化 重慶地區高溫多雨 對于基層的水穩定性要求較高 故 對各種措施下基層的水穩定性進行研究 本項研究將豐富和發展重慶地區高速公路材料 來源及其基層材料設計 對推動重慶地區公路建設和粉煤灰運用的發展起著積極的作 用 1 2 國內外研究現狀 1 2 1 國內研究現狀 石灰 粉煤灰穩定碎石混合料簡稱二灰碎石 是一種半剛性基層材料 具有強度高 整體性好的特點 在高等級公路建設中得到普遍應用 二灰碎石6 0 年代出現于美國 7 0 年代開始在我國公路建設中得到推廣應用 國內從 七五 期間開始對二灰碎石等二 灰穩定類材料的工程性質 成型工藝和試驗方法進行了大量研究工作 為二灰碎石的推 廣應用奠定了基礎 目前國內對二灰碎石的研究主要集中以下幾方面 1 二灰碎石配合比及集料級配的研究 黃衛 錢囤超在 南京機場高速公路半剛性基層特性研究 中通過詳細的正交設計 混合料的干縮 溫縮試驗 提出了各項指標比較優良的二灰碎石混合料配合比和集料級 配集料中4 7 5 姍通過率為2 0 3 0 同濟大學林繡賢老師在 嵌擠式二灰碎石混合料 中 提出了二灰碎石最大粒徑小 于3 1 5 m m 的指標和便于攤鋪機施工的二灰碎石配合比和集料級配 2 二灰碎石成型方法和施工工藝的研究 周曉龍在 二灰碎石混合料振動壓實技術 中論述了振動液化的理論及二灰碎石混 合料振動壓實強度形成機理及二灰碎石組成結構中懸浮密實 松排骨架 緊排骨架的工 程性能 5 第一章緒論 孫美麗在 振碾工藝二灰碎石的組成設計方法 中論述了二灰碎石振動壓實下的混 合料配合比設計 3 二狄碎石早強及抗凍性能的研究 邱云峰 錢春香在 二灰碎石基層材料抗凍性和早強技術的試驗研究 中 論述了 提高二灰碎石早期強度的措施和增強抗凍性的措施 孫德棟 秦玉層于 提高二灰碎石早期強度試驗研究 中簡介了早強的機理和方法 但在近二十年的使用過程中也發現二灰碎石仍存在著以下幾個方面的不足 1 同抗壓強度比材料抗拉強度較低 混合料的劈裂強度約為抗壓強度的1 8 1 1 0 結構設計中為滿足彎拉的要求往往設置較厚的基層 2 凍融后強度低 二灰碎石2 8 天齡期1 0 次凍融循環后 殘留強度為凍前的1 5 2 5 3 易縮裂 半剛性基層材料屬脆性體 干縮和溫縮系數大 工程中常出現典型的 干 溫縮裂縫 4 耐疲勞性能差 國內已有的經驗表明o 6 m p a 彎拉應力水平時 重復荷載次數 n e 在1 0 4 1 0 5 范圍內 5 早期強度較低給施工和通車運行造成諸多不便 二灰碎石7 天無側限抗壓強度 只有1 m p a 左右 當施工車輛運行時非常容易造成碎裂等病害 正是上述一些不足造成了二灰碎石基層瀝青路面在使用期內出現了開裂 凍融破 壞 沉陷 網裂等病害 嚴重影響路面的使用質量 國家每年要拿出大量的養護費用進 行維護 如何解決上述半剛性材料所帶來的問題 提高二狄碎石的路用性能 是道路工 作者一直在研究的課題 試驗證明 二灰碎石的抗收縮性能和后期的抗凍性要好于水泥 穩定砂礫 如何提高二灰碎石的性能才是解決問題的關鍵 二灰碎石混合料可以通過對 原材料提出指標要求達到提高性能的目的 通過調整混合料的配合比和集料級配 改善 和提高混合料的抗疲勞性能和抗凍性能 使得二狄碎石本身所具有的優良性能得以充分 體現出來 通過本課題的研究 可以提高二灰碎石的穩定性能 抗凍性能改善二灰碎石的韌性 解決二灰碎石施工中存在的一些具體問題 提高路面使用性能 減少養護維修費用 提 高路網的通行能力 因此 該項目的研究具有顯著的經濟效益和社會效益 也是當前公 路建沒的迫切需要 目前 對于水泥粉煤灰穩定類基層材料的研究主要集中于配合比與其強度性能的關 長安人學碩l 學位論文 系上 對于水泥摻量一般認為材料強度隨著摻量的增加而逐漸增加 長安大學的研究就 表明 水泥粉煤灰混合料中水泥劑量增大早期強度和模量都有所增大 但是早期強度和 模量增加的幅度則和材料中的粉煤灰摻量成反比 即粉煤灰摻量越大則幅度越小 反之 亦然 但是重慶交通學院通過研究則發現 水泥粉煤灰穩定材料的強度并不是隨水泥劑 量的增加而單純增加的 其中水泥劑量存在一個最佳值 在這個最佳值下材料的強度達 到最大 他們認為水泥最佳劑量為7 粉煤灰的最佳摻量一直是水泥粉煤狄穩定類基 層材料配合比研究中最重要也是最有爭議的問題 對于粉煤灰的摻入是否能夠提高材料 的強度以及摻入的多少國內外做了很多研究 重慶交通學院等單位研究了配合比為4 9 6 的水泥碎石和4 1 1 8 5 的水泥粉煤灰穩定碎石的7 d 強度 發現采用1 1 的粉煤灰 替代碎石后 材料的強度提高1 5 0 長安大學 交通部科研所等單位的研究則表明 粉煤灰的摻入對該種材料的強度有很大影響 當摻入粉煤灰劑量小于5 時 材料的早 期強度與模量均有所提高 但繼續摻入粉煤灰則會降低材料的早期強度與摸量 而材料 的后期強度則會隨著粉煤灰摻量的增加而增加 長安大學以抗壓強度為控制指標 對水泥粉煤灰穩定碎石基層的級配范圍進行了研 究 通過研究發現 水泥粉煤灰穩定碎石的級配應該偏粗 上限為規范中水泥穩定碎石 的級配范圍的上限 下限則為i f o 7 時的n 冪公式計算值 體積法設計的基本思路是測 定集料壓實狀態下的空隙率 計算其空隙體積 集料形成的空隙全部由達到最大干密度 狀態的結合料填充 使結合料的體積等于集料的空隙體積 體積法設計混合料所需解掰 的關鍵問題是確定混合料體系中膠凝材料與集料的比例 膠集比 由于膠集比的不同 混合料會呈現懸浮式 密實式 骨架式等三種不同的結構形式 混合料所處的結構狀態 直接影響到材的施工性能 強度以及路用性能 如果膠集比較高 則混合料為一種懸浮 式結構 則其施工拌和性能很好 但強度以及動穩定性能較差 而當膠集比較低時 混 合料為一種骨架空隙式結構 雖然具有較好的動穩定性能 但由于結合料過少 在施工 過程中容易離析且勻質性很差 所以合理的膠集比是體積法設計的關鍵 而確定材料膠集比的關鍵因素是集料的空隙率 具體到體積法設計實際就是要確定 到底采用集料的哪一種松方密度或采用處于哪種堆積狀態時集料的密度作為設計指標 進行設計 在松方密度這一關鍵指標的選取上 國內很多單位做了相應的研究 同濟大 學林繡賢研究認為 使結合料的膠結作用和集料的嵌擠作用共同發揮一實方的混合料最 多只能用一松方的集料 并認為 這樣集料剛剛靠攏而不密實剩余的空隙部分才有可能 全被結合料所填充 但在其隨后地研究又認為 由于現在高等級公路施工水平的提高 7 第一章緒論 重型壓路機的普遍使用 集料占有量可較堆積密度更多一些 但集料的占有量任何情況 下都不得超過振實密度狀態 并應控制結合料的占有體積率須 3 0 以利拌和均勻和 充分發揮其膠結作用 一般集料占有量以處于堆積與振實狀態平均值為宜 楊錫武等人的研究結果認為 集料的最佳含量是7 0 一8 0 最佳值是7 5 其 7 d 齡期的抗壓強度隨集料含量的增大而減小 但3 0 d9 0 d1 8 0 d 齡期的抗壓強度隨集料含 量的增大會呈先增大后減小的拋物線關系 武漢理工大學沈衛國等人通過假定 以松堆密度計算的結合料集料比配制的混合料 為密實結構 以振實密度計算的集料結合料比為骨架結構 以松堆密度計算的膠集比增 加8 配置的混合料為懸浮結構 對磷石膏改性二灰進行研究 結果認為 懸浮式磷 石膏改性二灰的強度比密實式的要高 但在懸浮式結構中集料不能有效嵌鎖 對動穩性 不利以采取密實式為好 用振實密度計算的集結比太大 結構密實具有較高的強度 用 松堆密實度計算的集結比最合適 通常集料含量在7 5 一8 0 較合理 公路瀝青路面設計規范 j t gd 5 0 一2 0 0 6 中規定 水泥粉煤灰穩定類材料的水泥 劑量為3 6 水泥粉煤灰與集料的質量比宜為 1 3 1 7 8 7 8 3 集料級配要 求與石灰粉煤灰穩定類混合料相同 l 水泥粉煤灰穩定類基層材料是兼俱了水泥穩定類以及二灰穩定類路面基層材料優 點 并同時克服兩者缺點的一種新型的半剛性基層材料 對于它的研究 在國內外剛剛 起步 因此有許多問題需要解決 這些問題的解決對基層材料與工程技術的進步將起到 有力的推動作用 1 瀝青路面設計規范中規定特重 重 中交通時7 天無側限抗壓強度為1 5 3 5 m p a 強度范圍過大 路面基層材料強度標準的制定需要兼顧材料的早期強度與后期強度特 別是對于水泥粉煤灰穩定類路面基層材料 由于具有潛在火山狄活性的物質一煤灰的存 在 其后期強度具有很強的增長性能 因此 不能用水泥穩定類材料的早期強度標準來 要求水泥粉煤灰穩定類材料 有必要結合材料的早期強度以及后期強度的增長性能 合 理制定該種材料的早期強度標準 并進一步確定合理的粉煤灰摻量 2 針對基層材料的體積法設計目前研究的還不是很充分 主要分歧在于集料空隙率 計算時到底選擇哪種松方密度 同時 在國內外體積法主要應用于二灰穩定類基層材料 的配合比設計 而采用體積法對水泥粉煤灰穩定碎石這一基層材料進行配合比設計還少 有人涉及 3 隨著社會對環保的同益關注 路面基層材料對社會環境的影響也應是材料設計研 8 長安大學碩十學位論文 究中值得重點考慮的一個方面 但目前有關半剛性基層材料制備過程中對環境的影響研 究還很少得到關注 系統對比研究水泥粉煤灰穩定碎石 水泥穩定碎石和二灰穩定碎石 等三種基層材料的環境負荷值 對于進一步研究環保型路面基層材料具有很強的理論指 導作用 4 目前 對于水泥粉煤灰穩定碎石材料的應用研究還不完善 不全面 不系統無法 很好的指導施工 有針對性的研究該種材料在施工中所出現問題及其產生原因 危害以 及防治方法 對于日后包括水泥粉煤灰穩定碎石材料在內的所有半剛性基層材料的應用 都具有很強的實際指導作用 1 2 2 國外研究現狀 國外對道路用半剛性基層材料路用性能的研究較早 1 9 6 4 年 美國a h c r z o g r b o c k 研究了影響二灰穩定土強度的一些因素 1 9 7 6 年 r s a n d r e s 研究了影響石灰 粉煤 灰碎石混合料穩定性和耐久性的因素 1 9 8 3 年 第1 7 屆世界道路會議正式命名 半剛 性路面 1 9 8 7 年第1 8 屆世界道路會議專門設立了 半剛性路面 這一議題 美國交通 運輸研究所提出了基層材料的級配要求 要求從膠體到粗顆粒均勻級配良好 1 9 8 8 年 b r a a k o f ob a l k a n g o s h e n 通過對二灰穩定土無側限抗壓強度的室內試驗 得出最佳的 石灰和粉煤灰含量 對二灰穩定土進行短期高溫養護和低溫長期養護的試驗 得出兩者 之間的關系 用短期高溫養護的條件的實測結果來預測設計值 m i l l i c k l i r h 得出了二灰 碎石結構上提出改善的方法 到2 0 世紀9 0 年代 進一步明確了二灰碎石半剛性基層各 組成成分對其力學性能的影響 但沒有在二灰碎石混合料和二狄碎石結構上提出改善的 方法 2 0 世紀9 0 年代進一步明確了二灰碎石半剛性基層各組成成分對其力學性能的影 響 對變形性能做了一些研究并且提出在工程上減少裂縫的措施 對于材料抗凍性能的研究國外研究較早 較深入的課題是關于土木工程領域中的水 泥混凝土材料 從2 0 世紀4 0 年代以后美國 原蘇聯 歐洲 同本等均開展過混凝土凍 融破壞機理的研究 在道路工程領域 一些國家混合料設計方法都包括強度和耐久性兩 個指標 美國曾考慮循環凍融作用對石灰 粉煤灰集料混合料強度的影響 循環凍融作 用的程度取決于材料在路面結構中的位置 路段的地理位置 氣候變異性和路面體系的 特性 廣泛采用凍融循環加速試驗來評價石灰 粉煤灰穩定集料的耐久性 據美國煤灰 研究學會推薦 采用無側限抗壓強度來測量在不同凍融循環條件下柔性路面體系中的火 山灰質穩定混合料的耐久性 1 9 7 3 年d e m p s e y 和t h 0 0 m p s o n 的研究表明 養生后穩定 材料的真空飽水后抗壓強度可以較好地表示5 次或1 0 次凍融循環后的抗壓強度 真空 第一章緒論 飽和狀態下測定試件的無測限抗壓強度是評價火山狄質穩定材料的凍融耐久性快速而 經濟的方法 美國伊利諾斯州運輸部和聯邦航空管理局規定 試件在3 8 下養生7 d 并 經過真空飽水后的最小抗壓強度應為2 7 6 m p a 1 2 次凍融循環后的最大質量損失為 1 0 1 4 同時發現殘留抗壓強度與凍融耐久性密切相關 如果殘留強度能夠保證要求 的路面結構強度以及材料強度隨時間發展的情況符合設計要求 則能保證野外強度將經 常大于要求的最小強度路面 也就能夠達到滿意的使用性能 1 3 本課題主要研究內容 論文對重慶粉煤灰性質進行研究 通過各種激活手段對其活性進行激發 通過結合 料試驗和混合料路用性能對激活效果進行評價 通過評價得出其在公路建設中較佳的激 活方法 彌補重慶粉煤灰由于活性較差在公路中較少得到應用的缺陷 論文選定五種激 活方法 對粉煤灰活性進行激發通過強度試驗 得出各種方法下最佳比例和強度值 選 定一標準級配采 用貝雷法對級配進行評價 在不同的預留孔隙率下 進行混合料配合 比設計 最后通過混合料路用性能試驗驗證各種激活方法激活效果 采用灰色系統理論 對混合料路用性能進行評價得出最佳路用方法 本文的研究內容如下 1 粉煤灰激活研究 1 粉煤灰激活原理和措施分析 2 粉煤灰激活試驗研究 2 混合料性路用性能研究 1 力學性能研究 2 剛度性能研究 3 抗沖刷性能研究 4 抗縮裂性能研究 3 混合料多指標研究 1 混合料路用性能評價指標 2 混合料綜合評價決策 i o 長安大學顧十學位論文 第二章研究方法和原材料試驗 2 1 總體研究方案 1 原材料性能研究 1 粉煤灰性質研究 論文采用重慶粉煤灰 西安粉煤灰 粉煤灰進行各種原材 料檢測指標試驗 2 水泥性質研究 采用普通硅酸鹽水泥標號 3 2 5 m p a 對水泥進行原材料檢測 試驗 3 集料性質研究 重慶渝隧高速公路使用集料對集料進行原材料檢測試驗 4 石灰性質研究 使用西安市售普通石灰并對石灰進行原材料檢測試驗 5 外加激活劑 2 粉煤灰改性措施研究 1 石灰的激發作用研究 2 激活劑對石灰粉煤灰的影響研究 激活劑a 對用于石灰粉煤灰結合料激活 進行強度試驗 觀察激活效果 選擇最佳激活效果的激活劑劑量 3 水泥的激發作用研究 4 激活劑對水泥粉煤灰的影響研究 激活劑a 對用于水泥粉煤灰結合料激活 進行強度試驗 觀察激活效果 選擇合理激活劑劑量 5 石灰對水泥粉煤灰強度影響研究 石灰為激活劑 進行強度試驗研究 研究 石灰對水泥粉煤灰強度影響規律 3 混合料配合比設計 1 采用級配理論設計骨架密實型級配 2 應用貝雷法對本級配骨架性進行評價 3 對級配進行松裝密度 振實密度 空隙率等試驗 4 通過上述試驗數據對混合料進行配合比設計 確定結合料和集料在混合料中 所占比例 4 混合料路用性能研究 1 以混合料強度特性 剛度特性為研究對象 綜合對比不同激活情況下粉煤灰 的路用性能 明確不同激活方法對無機結合料穩定粒料基層路用性能的影響 2 收縮性能研究 不同激活方法時混合料干縮機理及干縮試驗研究 溫縮機理 第一二章研究方法和原材料試驗 以及溫縮試驗研究 3 抗沖刷性能研究 2 2 試驗方法 2 2 1 材料性質試驗方法 本次試驗按照 公路工程無機結合料穩定材料試驗規程 j t j 0 5 7 9 4 和 公路 工程集料試驗規程 j t j 0 5 8 2 0 0 0 中有關規定進行 采用重型擊實標準確定混合料 的最大干密度和最佳含水量 水泥指標按照 公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程 j t j e 3 0 一2 0 0 5 中有關對丁進行 1 石灰等級試驗 按照 公路工程無機結合料穩定材料試驗規程 j t j 0 5 7 9 4 中方法 t 0 8 0 1 3 9 4 規定測定有效氧化鈣和氧化鎂含量 2 粗集料松方密度 振實密度及空隙率試驗 根據 公路工程集料試驗規程 j t j 0 5 8 2 0 0 0 中方法 t 0 3 0 9 2 0 0 0 規定 取 試樣一份 置于平整干凈的水泥地上 用平頭鐵鍬鏟起試樣 讓其以不同狀態落入容量 筒中 分別測集料的堆積密度 振實密度 以及搗實密度 同時可根據粗集料的毛體積 密度來算出空隙率 3 集料密度試驗 根據 公路工程集料試驗規程 j t j 0 5 8 2 0 0 0 上規定 對于粗集料密度采用網 籃法 t 0 3 0 4 2 0 0 0 對于細集料密度采用容量瓶法 t 0 3 2 8 2 0 0 0 和比重瓶法 t 0 3 2 9 2 0 0 0 4 粗集料針片狀顆粒含量和壓碎值試驗 根據 公路工程集料試驗規程 j t j 0 5 8 2 0 0 0 上規定 針片狀含量是采用 t 0 3 1 2 2 0 0 0 此法用游標卡尺測定的粗集料顆粒的最小厚度方向與最大長度方向的尺寸之 比小于1 3 的顆粒 此法測定的針片狀含量可用于評價集料的形狀和抗壓碎的能力 以評定其在工程中的適用性 根據 公路工程集料試驗規程 j t j 0 5 8 2 0 0 0 上規定 壓碎值是采用 t 0 3 1 6 2 0 0 0 此法是用于衡量石料在逐漸增加的荷載下抵抗壓碎的能力 是衡量石料力學性 質的指標 1 2 長安大學碩f 學位論文 2 2 2 路用性能試驗方法 路用性能試件均按照重型擊實所得的最佳含水量拌合 最大干密度控制 采用靜力 壓實法制備 在養生室內養生 養生溫度在北方地區應控制在2 0 士2 養生濕度9 0 即試件從試模內脫出并稱量后 應立即放到養生室內進行保溫保濕養生 采用塑料薄膜 包覆 在養生期的最后一天 應該將試件浸泡在水中 水的深度應該使水面在試件頂上 約2 5 c m 在浸泡水中之前 應再次稱試件的質量 在養生期間 試件的質量損失應符 合一定的質量標準 質量損失超過此標準時應視為作廢 無側限抗壓強度試驗 抗壓回 彈模量試驗 劈裂強度試驗以及抗沖刷試驗均采用 15 c m h l5 c m 試件 結合料抗壓強 度試驗采用 p 5 h 5 c m 試件 抗縮裂性能試驗采用1 0 c m l o c m 4 0 c m 的梁式試件 1 結合料無側限抗壓強度試驗 無側限抗壓強度測試試件均按最佳含水量拌和最大干密度控制采用靜力壓實法制 備在養生室養生養生溫度2 0 士2 養生濕度9 0 試驗采用 p 5 0 i i l m h 5 0 i 砌試件 將試 件達到養生齡期前一天泡水飽水2 4 h 后的試件放到路面材料強度試驗儀的升降臺上 使 試件的形變以約1 m m m i n 的等速率增加進行抗壓強度試驗 抗壓強度r 按下式計算 r p 彳 o o 0 0 5 l 戶 脅 2 1 式中 p 試件破壞時的最大壓力 k n 彳 試件的截面積彳 刀 d2 4j 為試件的直徑 1 m 2 混合料無側限抗壓強度試驗 將養生至規定齡期且飽水2 4 h 后的試件放到路面材料強度試驗儀的升降臺上 使試 件的形變以約l m m m i l l 的等速率增加進行抗壓強度試驗 抗壓強度尺c 按下式計算 r c 刪 a 6 6 p m p a 2 2 式中 卜試件破壞時的最大壓力 k n 彳 試件的截面積 c m 2 彳 黝脅 d 為試件的直徑 c m 3 劈裂強度試驗 將養生至規定齡期且飽水2 4 h 后的試件放到路面材料強度試驗儀升降臺上 使試件 的形變以1 刪州m i n 的等速率增加進行劈裂試驗 劈裂強度尺 按下式計算 足 竺 o 0 0 4 1 7 8 旦 o 0 2 7 8 5 3 3 p 2 3 1 3 第一二章研究方法和原材料試驗 式中 p 試件破壞時的最大壓力 1 浸水后試件高度 m d 為試件直徑 c m 試驗中d j 5 c m 4 抗壓回彈模量試驗 本試驗按照 公路工程無機結合料穩定材料試驗規程 j t j 0 5 7 9 4 中有關頂面 法規定進行試件抗壓回彈模量測試 試驗采用儀器設備為路面材料強度試驗儀 抗壓回彈模量e 按下式計算 e p e 阮 2 4 式中 卜單位壓力 m p a 阡 式件高度 m m 卜試件回彈變形 m m 每級荷載下的回彈變形 l 加荷時讀數一卸荷時 讀數 5 沖刷試驗 1 沖刷儀的構造 沖刷儀由電動機 沖刷桶 帶橡膠板 傳動機械裝置 應力傳感器 變頻器 框 架等幾個大部分組成 具體構造圖見下 滾動軸 圖2 1 沖刷儀構造圖 1 4 長安人學碩上學位論文 2 沖刷儀工作原理 整個機械系統的動力由異步電動機產生 為了能夠較真實地模擬實際碾壓過程 需要隨時改變電機的轉速 從而可以方便地調節加壓頻率 試驗中選擇了變頻調速方式 使用變頻器來控制電機的轉速 具有調速迅速 調節范圍寬的特點 能夠較好的滿足試 驗要求 電動機帶動凸輪 轉動壓力通過凸輪下面的桿和彈簧系統傳遞給試件 在桿2 和 桿3 之間接有傳感器 可以及時將壓力信號轉換為電信號 傳遞給數據采集系統進行處 理和顯示 試驗中沖刷桶放置可調節的轉動板上 在沖刷桶的上表面的橡膠板與壓頭的壓板 接觸后 通過繼續調節轉動板可調節壓板對于沖刷桶垂直壓力 這樣就可以模擬在不同 的車輛荷載下水流對材料的沖刷作用 d 用彈性模量e 1 0 0 1 5 0 m p a 的圓形橡膠板模擬瀝青路面 橡膠板直徑為1 5 0 i 塒 厚度為2 5 3o i l m 并在橡膠板中間開一個寬2 4 m m 長5