1、水泥粉煤灰稳定碎石强嵌挤骨架密实级配研究摘要：为了优化水泥粉煤灰稳定碎石材料设计，基于数值试验方法提出强嵌挤粗集料骨架级配，并采用振动法研究水泥粉煤灰稳定碎石力学性能进行试验验证。在此基础上，进一步研究水泥与粉煤灰掺量对水泥粉煤灰稳定碎石力学性能的影响规律。结果表明：数值模拟粗集料级配具有强嵌挤力，且细集料含量 31%3对力学性能影响不显著，基于此提出水泥粉煤灰稳定碎石的强嵌挤骨架密实级配。此外，以 7d 抗压强度为考察指标，水泥粉煤灰比例 1:0.51:1 为最佳，以极限强度为考察指标，则水泥粉煤灰比例 1:11:1.5 为最佳，因此，建议水泥剂量为 34%，粉煤灰掺量为 45%。关键词：道
2、路工程；水泥粉煤灰稳定碎石；振动试验方法；力学性能 1 引言粉煤灰是一种空心结构的玻璃体，具有较小热胀冷缩性以及对水泥水化具有缓凝作用，掺加粉煤灰有利于提高水泥稳定碎石基层力学性能、缓解收缩裂缝问题，并有利于改善施工性能。然而，目前对水泥粉煤灰稳定碎石设计施工技术研究不够深入系统，研究手段是基于重型击实试验方法和静压法成型试件，而已有研究证明，重型击实试验方法和静压法成型试件与现场基层实际相关性不足 40%，显然已有对水泥粉煤灰稳定碎石力学特性的研究成果无法揭示材料组成与性能之间规律，难以达到优化材料设计目的。课题组提出的振动试验方法成型试件与现场基层实际相关性高达 93%，因此，开展本课题研
3、究，对于完善水泥粉煤灰稳定碎石设计施工技术具有现实意义，成果也必将提高道路基层工程质量，并促进水泥粉煤灰稳定碎石的推广应用。2 试验方案2.1 原材料山西柳林中交石料场的石灰岩、铜川声威 P.O42.5 缓凝水泥和神木锦界国华电厂粉煤灰，技术指标略。2.2 试件成型方式采用的振动法成型级配碎石试件。振动参数为：激振力 7.6kN、名义振幅 1.2mm、工作重量为 3kN、激振频率 30Hz，用于确定最大干密度和最佳含水量的振动击实时间 100s，用于成型试件的振动时间 80s。已有研究结果表明1，振动法成型水泥稳定碎石试件的强度平均为芯样的 1.13 倍；而静压法成型试件的强度平均为芯样的 0
4、.43 倍。因此，采用振动法成型试件研究级配碎石力学性能更具有代表性和真实性。3 强嵌挤骨架密实级配3.1 理论研究3.1.1 矿料 CBR 数值试验方法1） CBR 数值试验方法的构建基于 PFC2D 构建了级配碎石 CBR 数值试验方法，其构建思路见图 3-1。满足误差要求级配碎石矿料特性矿料级配颗粒模型化为圆形微 力 学 参 数颗粒流模型模拟试验模拟结果试件成型试验过程虚拟试件生成模拟加载过程室内试验实测结果模拟试验条件可靠性分析级配碎石 CBR 数值试验方法不满足误差要求数值模拟室内试验接触本构模型图 3-1 级配碎石 CBR 数值试验构建思路图 3-2 级配碎石 CBR 数值试验加载
5、过程的示意图2） CBR 数值试验方法的可靠性为了验证 CBR 数值试验的可靠性，按表 3-1 中级配进行 CBR 室内试验和数值模拟。通过反复试算，得到一组较理想的微力学参数：泊松比 =0.25、摩擦系数 =0.35、剪切模量 G=8.0GPa、计算时间步长 dt=1.0E-03s/step。室内试验实测结果与数值试验结果见表 3-1。标定5cm12cm15cm5cm 5cm模拟压头 模拟荷载板模拟荷载板表 3-1 CBR 的实测结果与模拟结果的对比通过下列筛孔（mm）的质量百分率（%）编号 31.5 19 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075实测值（ %）模拟值（%）误差（%）平
6、均误差（%）1 100 64 52 40 34 25 15 495 525 6.062 100 64 52 40 30 17 7 595 627 5.373 100 61 48 35 30 22 13 518 552 6.564 100 61 48 35 26 15 6 655 676 3.215 100 58 44 30 25 18 11 626 642 2.566 100 58 44 30 22 13 5 692 736 6.365.02由表 3-1 可知，各级配的 CBR 模拟值与实测值的误差均在 7%以内，平均误差仅为 5.02%，证明了 CBR 数值试验的可靠性。3.1.2 矿料 C
7、BR 变化规律1） 合成粗集料 CBR 规律单规格、两种规格及三种规格粗集料 CBR 规律，分别见表 3-2、图 3-3 及 3-4。 （为便于后续论述，1931.5mm 集料记为 D1 集料，9.519mm 集料记为 D2 集料，4.759.5mm 集料记为 D3 集料。 ）表 3-2 单规格粗集料的 CBR 变化规律集料规格 D1 集料 D2 集料 D3 集料CBR 67 33 313040506070800 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100D1-D2合 成 集 料D1-D3合 成 集 料D2-D3合 成 集 料30456075901051200 10 20 3
8、0 40 50 60 70 80 90 1000 10 20 30 4050 60 70 80 90图 3-3 两种规格合成集料的 CBR 变化规律 图 3-4 三种规格合成集料的 CBR 变化规律由表 3-2、图 3-3、3-4 可看出，三种规格合成粗集料的 CBR 最大值两种规格合成粗集料的 CBR 最大值单规格粗集料的 CBR 最大值。表明连续级配合成集料嵌挤力强于间断级配。从图 3-4 可知，当 D1 集料的质量分数为 5070%时，D1 集料构成主骨架，D2 和 D3 集料恰好不干涉，充分填充于主骨架空隙中并形成次骨架结构；当 D3 质量分数为 1020%时，D3 较好的填充了主、次
9、骨架的空隙，结构稳定性增加，故 CBR 值较大。综上所述，以 CBR80%为标准确定 D1 集料、D2 集料和 D3 集料三种规格粗集料的最佳质量分数比例为70:20:10(A)、60:30:10(B)、60:20:20(C)、50:30:20(D)。2） 粗细混合集料 CBR 规律为了研究粗细集料比例对 CBR 的影响规律，选取 A、B、C、D 四组 CBR 值较大粗集料级配，分别与细集料混合，粗细混合集料 CBR 模拟结果见图 3-5。CBR(%)D2 或 D3 集料用量(%)CBR(%)D1 集料用量(%)43045047049051053055057020 25 30 35 40 45
10、细 集 料 比 例 (%)CBRA B C D 图 3-5 CBR 随细集料用量比例的变化规律从图 3-5 中可看出，粗细集料比例为 65:35 时，A、B、C 级配的粗细混合集料 CBR 达到最大值，为 540%以上。因此，确定粗细集料最佳比例为 65:35。3） 强嵌挤骨架密实级配初拟综上所述，初拟强嵌挤粗集料骨架级配见表 3-3。表 3-3 强嵌挤的粗集料骨架级配通过下列筛孔(mm) 的质量百分率(%)31.5 19 9.5 4.75100 5868 3848 30383.2 试验验证3.2.1 粗集料空隙率和细集料最大干密度插捣试验得到粗集料空隙率，见表 3-4。表 3-4 粗集料空隙
11、率粗集料级配 A（70:20:10） B（60:30:10） C（60:20:20） D（50:30:20）空隙率（% ） 35.95 36.50 34.69 35.38根据振动击实试验得到细集料石屑的最佳含水量为 7%，最大干密度为 2.264g/cm3。3.2.2 理论骨架密实级配及试验验证（1）水泥稳定碎石基于干涉理论，由粗集料空隙率和细集料振动击实干密度计算得到粗细集料比例，见表 3-5。表 3-5 粗细集料比例及相应配合比各规格材料配合比（% ）级配 粗集料含量 细集料含量1937.5mm 9.519 mm 4.759.5 mm 04.75 mmA 68.1 31.9 47 14 7
12、 32B 67.6 32.4 41 20 7 32C 69.3 30.7 41 14 14 31D 68.6 31.4 34 21 14 31表 3-5 表明，细集料含量 3132时，不会造成对粗集料骨架级配的干涉，形成理论上的骨架密实级配，称该细集料含量为临界干涉点。通过试验研究细集料临界干涉点、临界干涉点3对应的水泥稳定碎石的力学特性，结果见表 3-6，试验时水泥剂量 3.5。表 3-6 水泥稳定碎石力学特性粗集料级配 粗细集料比例 不同龄期的抗压强度 Rc/MPaCBR(%)细集料用量(%)3d 7d 14d65:35 8.3 9.2 9.7 68:32 8.4 9.1 9.6 70:2
13、0:1071:29 8.0 8.8 9.4 65:35 7.6 8.0 8.3 68:32 10.1 11.0 11.6 60:30:1071:29 8.7 9.1 9.5 66:34 9.6 10.4 11.1 69:31 8.8 9.7 10.1 60:20:2072:28 7.8 9.1 10.0 66:34 7.6 9.5 10.5 69:31 9.1 10.0 10.6 50:30:2072:28 7.2 8.7 9.6 （MPa）cR8.5 9.4 10.0Cv（） 10.7 8.9 9.0从表 3-6 数据可以看出，细集料含量在临界干涉点3对水泥稳定碎石力学特性影响并不显著，偏差
14、系数不超 11。力学强度试验结果验证了表 3-3 级配具有强嵌挤力。同时，结合试验结果，对表 3-3 级配进行微调，结果见表 3-7。表 3-7 水泥稳定碎石强嵌挤骨架密实级配通过下列筛孔(mm) 的质量百分率(%)31.5 19 9.5 4.75100 5868 3848 2836（2）水泥粉煤灰稳定碎石粉煤灰由于质轻，若等质量替换细集料掺入水泥稳定碎石中，则有可能破坏骨架密实级配。同理，基于干涉理论，由粗集料空隙率和细集料与粉煤灰振动击实干密度计算得到粗细集料粉煤灰三者之间比例，结果见表3-8，水泥剂量 3.5%。表 3-8 水泥粉煤灰稳定碎石力学性能试验结果不同龄期的抗压强度 Rc/MP
15、a 不同龄期的劈裂强度 Rc/MPaD1:D2:D3:细集料:粉煤灰 3d 7d 14d 3d 7d 14d41:20:7:29:3 8.25 9.64 10.64 0.59 0.8 0.9341:21:7:27:4 8.43 9.80 10.98 0.66 0.91 1.0842:21:7:25:5 8.47 9.47 10.35 0.63 0.85 1.0043:21:7:23:6 7.97 8.84 9.74 0.55 0.65 0.7343:22:7:21:7 7.69 8.62 9.56 0.4 0.56 0.6840:13:13:31:3 8.23 9.05 9.98 0.49 0
16、.76 0.9340:14:13:29:4 8.64 9.32 10.13 0.55 0.77 0.9541:14:13:27:5 8.65 9.61 10.36 0.63 0.93 1.0541:14:13:26:6 8.48 9.21 10.05 0.41 0.64 0.8241:14:14:24:7 8.01 8.85 9.79 0.4 0.58 0.73根据表 3-8 中强度最大为原则，结合表 3-7 水泥稳定碎石强嵌挤骨架密实级配，水泥粉煤灰稳定碎石强嵌挤骨架密实级配见表 3-9。表 2-9 水泥稳定碎石强嵌挤骨架密实级配通过下列筛孔(mm) 的质量百分率(%)31.5 19 9.5
17、 4.75 2.36 0.6 0.075100 5666 3747 2432 1525 816 264 水泥剂量与粉煤灰掺量4.1 水泥粉煤灰的力学强度图 4-1 绘制出水泥粉煤灰比值对水泥粉煤灰抗压强度的影响。051015202530350.22.1The ratio of the cement and fly ashRc（MPa）3d 7d 14d28d 60d 90d120d1:1.5 1： 0.7 1:1 1:3 :0.5图 4-1 水泥粉煤灰比例与抗压强度的关系从图 4-1 可知，水泥粉煤灰比值 1:0.51:1，粉煤灰掺量对其抗压强度影响不显著；当水泥粉煤灰比值小于 1:1 时，粉
18、煤灰掺量越大，其抗压强度越小。4.2 水泥粉煤灰稳定碎石力学强度图 4-2图 4-3 绘制出粉煤灰掺量对水泥稳定碎石力学强度的影响规律。77.588.599.51010.51111.5120 2 4 6 8 10 12The ratio of the cement and fly ash7d Rc（MPa）GM-3 GM-3.5GM-4 GF-3GF-3.5 GF-41:0 1:0.5 1:1 1:1.5 1:2 1:2.5 1:3 111213141516171819200 2 4 6 8 10 12The ratio of the cement and fly ashThe maximum
19、 Rc（MPa）GM-3 GM-3.5GM-4 GF-3GF-3.5 GF-41:0 1:0.5 1:1 1:1.5 1:2 1:2.5 1:3图 4-2 粉煤灰掺量对 7d 抗压强度的影响 图 4-3 粉煤灰掺量对极限抗压强度的影响图 4-2图 4-3 可知，粉煤灰掺量对水泥稳定碎石早期强度和极限强度影响规律不同。以 7d 抗压强度为考察指标，水泥粉煤灰比例 1:0.51:1 为最佳，水泥剂量为 3.0%、3.5%、4.0%时，粉煤灰掺量分别在3.0%、3.5%、2.0%时强度较高。这一规律与水泥粉煤灰力学强度规律一致。但以极限强度为考察指标，则水泥粉煤灰比例 1:11:1.5 为最佳，水泥
20、剂量为 3.0%、3.5%、4.0%时，粉煤灰掺量分别在 4.5%、5.0%、4.0%时强度较高。因此，建议水泥剂量 34%，粉煤灰掺量 45%。5 结论（1）基于振动法的水泥粉煤灰稳定碎石力学性能试验验证了数值模拟粗集料级配具有强嵌挤力，细集料临界干涉点3时力学性能稳定，结合试验结果对模拟级配进行微调，从而提出水泥粉煤灰稳定碎石的强嵌挤骨架密实级配，见表 3-7。（2）以 7d 抗压强度为考察指标，水泥粉煤灰比例 1:0.51:1 为最佳，以极限强度为考察指标，则水泥粉煤灰比例 1:11:1.5 为最佳，因此，建议水泥剂量为 34%，粉煤灰掺量为 45%。参考文献(References)：1
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