低活性粉煤灰基层材料干缩和温缩性能试验研究及综合评定（可编辑）

低活性粉煤灰基层材料干缩和温缩性能试验研究及综合评定（可编辑） 低活性粉煤灰基层材料干缩和温缩性能试验研究及综 合评定 沈阳建筑大学 硕士学位论文 低活性粉煤灰基层材料干缩和温缩性能试验研究及综合评定 姓名:杜娟 申请学位级别:硕士 专业:道路与铁道工程 指导教师:张敏江 2008-01硕士研究生学位论文摘要 I 摘 要 半刚性基层材料在环境温度和相对湿度变化时容易产生收缩变形,当沥青面层较薄 时,易形成反射裂缝,进而严重影响路面的使用性能。因此研究半刚性材料的收缩规律, 科学地进行材料配合比,减少收缩裂缝,对提高半刚性基层材料的综合路用性能具有 重要的意义。 目前,利用低活性粉煤灰作为路面基层材料的收缩性能在国内还没有系统的研究,本 文依据室内试验和试验路铺筑,对低活性粉煤灰路面基层或底基层材料的温缩和干缩的性 能进行系统研究,从而对低活性粉煤灰基层材料的收缩性能进行综合评价,近而为低活性 粉煤灰在普通公路建设中的使用奠定基础。 本文首先对材料配合比及无侧限抗压强度进行试验研究,其次依据半刚性基层材料的 特点,进行收缩试验设备的研制和试验方法的确定,最终选择了电阻应变片收缩试验方法; 再次对不同配合比以及不同添加剂的低活性粉煤灰基层材料进行室内干缩和温缩试验研 究,分析其干缩系数、温缩系数等参数随时间、失水率和温度的变化规律;最后对低活性 粉煤灰基层材料缩裂性进行综合评价。 试验结果证明,在二灰材料中掺入适量碳酸钠,硫酸钠等添加剂情况下不仅保证了基 层混合材料的早期强度,而且具有较好的抗裂性能;石灰和粉煤灰的比为: 的二灰土 材料的干缩系数小于石灰和粉煤灰的比为: 的二灰土材料。工程应用中,应尽量选用 石灰与粉煤灰比例为: ;在混合料设计过程中,应兼顾混合料强度和收缩特性来确定水 泥剂量和混合料的配合比。混合料的温缩系数随温度降低基本呈波动变化,特别是在?~ - ?的负温区变化幅度明显平缓,可见本文采用的低活性粉煤灰的抗温缩性能明显优于 符合的粉煤灰。 实际工程中应结合地域和工程特点,将温缩和干缩评价指标、室内研究成果与实际工 程应用有机的联系起来。根据全国年平均温差 DT和潮湿系数均值 K,得到了相应与七个 一级公路自然区划的干缩权重系数x 和温缩权重系数x,并提出了以综合抗裂指标?抗缩 d t 裂因子 作为混合料抗裂设计的控制指标,同时给出了施工中防治干缩、温缩裂缝一些技 术措施。 研究表明:在合理选用配合比和添加剂剂量的条件下,本文采用的低活性粉煤灰材料 可以作为道路基层材料,且具有较好的抗裂性能。关键词:低活性粉煤灰;干缩;温缩;配合比;半刚性基层 硕士研究生学位论文Abstract III Abstract The semi-rigid base course material is easy to have the shrinkage strain when the environment temperature and relative humidity is changed. The reflection crack can be formed when asphalt pavement is thin, and which has serious influence on the pavement performanceTherefore, the study on the shrinkage law of the semi-rigid base course material is vitally important for enhancing the comprehensive pavement performance of semi-rigidity, so we must have a scientific mixture ratio design in order to reduce the shrinkage cracksAt present, the systematic study on shrinkage performance of low activity fly-ash as the base course of pavement has not been carried on in home and in abroad. In this paper, the dry shrinkage and temperature shrinkage performances of low activity fly-ash base course or the sub base material was studied systematically according to the indoor test and the spreading of the materials in experimental road. On this base the shrinkage performance of low activity fly-ash basic material was synthetically evaluated. The results in this paper lay the foundation for use of the low activity fly-ash in common highway constructionFirstly, the material mixture ratio and unconfined compressive strength was given from the indoor experiment, then, the shrinkage test equipment and the testing method was determined based on the characteristic of the semi-rigid base course material, the electronics resistor strain slice was chosen. Third, the indoor test of dry shrinkage and temperature shrinkage were carried out for the low activity fly-ash base course materials with different mixture ratio and addictivesThe test results have showed the changing laws of the coefficient of dry shrinkage and temperature shrinkage with the time and the ratio of water evaporation and temperature. Finally, the synthetically evaluation was given for the anti-cracking performance of low activity fly-ash base course materialsThe test results indicated that not only the early strength of the mixture can be guaranteed, but the anti-cracking performance can be improved if reasonable amount of Na CO and Na SO 2 3 2 4 is added to the lime-fly ash materials. The coefficient of dry shrinkage of the mixture with proportion 1:4 of the lime and fly ash is smaller than that of the 1: 3. We should select 1:4 as the proportion in the project application. Both early strength and shrinkage performances should be considered when determining the constitution of mixture ratio. The coefficient of temperature shrinkage of the mixture has a fluctuate variations when the temperature is decreased, the variations scope of the coefficient of temperature shrinkage is not obvious in the range of 0?~ -30? specially, so low activity fly-ash has a better low-temperature anti-cracking performance than the that of the standard fly-ash In the actual project, the evaluating targets of the dry shrinkage and temperature shrinkage, the indoor research results and the actual project application should be related according to region condition and project characteristic. The importance coefficient of dry shrinkage and temperature shrinkage corresponds to the seven first-level climatic zoning for highway are given according to the national yearly average temperature difference DT and the average valuemoist coefficient K , in this paper it was proposed the synthesizes control target-anti-crack factor K, and some technology measures should be taken in the construction of pavement IV Abstract硕士研究生学位论文 structureIn conclusion, the research indicated: the low activity fly-ash can be used in the base course of asphalt pavements, its anti-cracking performance is usually better Key words: low activity fly-ash; dry shrinkage; temperature shrinkage; mixture ratio; Semi-rigidity base course 声 明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下独立完成的。论文 中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人已经 发表或 撰写过的研究成果,也不包括本人为获得其它学位而使用过的材 料。与 我共同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 日 期: 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解沈阳建筑大学有关保留、使用 学位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳建筑大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。(如作者和 导师同意网上交流,请在下方签名;否则视为不同意。) 学位论文作者签名:导师签名: 日 期:日 期: 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 研究的目的和意义 粉煤灰是热电厂燃煤发电而排出的炉灰,它对周围环境、水源都有较严重的污染,所 以,对粉煤灰的处理和综合利用在国内外很受重视。据来自沈阳市环保局调查数据显示: 沈阳目前废弃的 万吨的粉煤灰大部分为湿排灰(俗称水灰),以池灰的形式存在,是 在工程上有良好表现粉煤灰(俗称高灰)的底渣,其工程性质尚需系统的研究,但由于其 价格低廉,一旦在试验研究方面获得成功,将有巨大的应用价值,同时很好地解决粉煤灰 废气物环境污染问,从真正意义上实现“废物利用,变废为宝”,由此必将产生巨大的 经济和社会效益。 由于粉煤灰中其含有大量的活性物质在适量的类似石灰的活性激发剂的作用下可以 发生一系列的化学反应 生成胶凝物质 这一过程十分缓慢据有关资料介绍 其强度增长 可延续十年之久;粉煤灰对加固和稳定道路的结构层有利 其使用可以使路基在力学、抗 冻害及水稳性诸方面性能上得到改善;另外,在粉煤灰中掺加少量水泥可以提高早期强 度。利用粉煤灰修筑道路结构层不仅可以实现就地取材变废为宝减少对环境污染的目的 而且可以提高道路的质量 降低工程造价。因此在沈阳地区率先开展粉煤灰用于公路建设 的专向研究是辽宁交通部门为实现公路建设走经济、技术、环保 综合发展之路的积极探索。 本论文的研究目标在于针对沈阳地区特有的粉煤灰原材料的组成特性并结合当地的 气候环境和交通状况,为粉煤灰在沈阳地区公路工程中的推广应用提供充分的理论和实践 依据。二灰稳定粒料材料正是基于其较高的强度、板体性能、比其他基层材料更好的抗裂 性能及使用二灰粒料可以变废为宝,减少工业废渣对环境的危害、降低工程造价等优点, 在高等级公路基层的修筑中得到了越来越普遍的采用。近二十年来,我国华北、东北、华 中、华东、西南等有粉煤灰的地区高等级公路修建过程中大都应用二灰稳定粒料基层,尽 管如此,也并非所有的二灰稳定粒料基层修筑的路面都获得了预期的效果。究其原因主要 是 年 月 日实施的《公路沥青路面》( )和 年 月 日 实施的《公路路面基层施工技术规范》( )两本规范中关于二灰稳定集料的级配 标准与要求均存在很多不合理的地方,导致二灰稳定粒料的低温抗裂性能、抗冲刷性能和 耐久性能均受到了很大的影响,使有些二灰稳定粒料基层沥青路面上的裂缝多,抗冲刷能 力差,并多发生早期破坏;另外,二灰稳定粒料集料在混和料中的含量确定时无量化的技 术标准;实际设计、施工中只是依据基层规范( )中“集料含量应在 %以上” 一条规定,范围难于掌握;还有二灰稳定粒料的技术标准在施工时仅用 天的饱水无侧限 抗压强度的一个指标,这就难于设计出抗压、抗拉强度、耐疲劳性能、抗冲刷性能、抗裂 性能等诸方面均具有良好路用性能的基层材料。 以上问题的存在使得二灰稳定粒料这种优良、经济的基层材料在以前很多的高等级公 路工程中使用时,由于材料设计不为最优,没有发挥其优良的路用性能,有些路段甚至出 现相反的情况。为此,有必要对二灰稳定粒料这种材料的路用性能及其影响因素进行深入2 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 研究,设计出抗压、抗拉强度、耐疲劳性能、抗冲刷性能、抗裂性能等诸方面均具有良好 路用性能的基层材料,并为交通部设计和施工规范的修订提供一定的理论和实践依据。 本文主要就低活性粉煤灰作为沥青路面结构基层或底基层条件下,依据室内试验和试 验路段的路面结构,对试验路段粉煤灰基层或底基层路面结构的 温缩和干缩的性能进行系 统研究,从而对总体性能进行理论上的分析评价,近而为确定沈阳地区县乡道路的典型路 面结构设计和施工奠定基础。 近年来在高等级公路建设中 各类半刚性材料以其优良的力学性能及显著的经济效 益被广泛用作路面基层或底基层。但是在温、湿度等自然因素综合作用下收缩大、易开 裂是各类半刚性材料的固有缺点。由于基层开裂致使路面出现反射裂缝从而影响了路面 的水稳性及使用品质。半刚性基层收缩开裂是温度收缩、干燥收缩及其与面层间相互作用 的结果。已有的研究表明 半刚性沥青路面在重、轻冰冻地区产生裂缝的主要原因是温度 收缩而温缩又与半刚性材料的类型、含水量等因素有关 。 经过从“七五”开始至今的长期研究工作,人们对道路面层的裂缝机理有了深入的认 识。半刚性基层材料的温、干缩系数与材料的类型、集料级配组成以及含水量等有密切的 关系,合理地选择基层材料及级配组成使半刚性基层材料的温缩系数尽可能地小于面层的 温缩系数,对沥青路面结构受力状况是很有利的。通过应用和实 践表明,通过调整混合料 各种材料的配比,能够有效地改变半刚性材料的强度、模量、抗裂性及抗冲刷性等路用性 能。 现行规范中对于半刚性基层材料应用于高等级公路的唯一指标是混合料 天浸水抗压 强度。就其作为基层的受力特性来说是必要的,而且是必须的。但导致了有些施工单位单 纯地追求抗压强度,而忽视诸如模量、温缩及干缩性能方面的要求。这样设计和施工出来 的材料,在温度条件变化、干燥失水以及行车荷载等外部因素的单独或综合作用下,势必 造成混合料的温缩、干缩裂缝和混合料的松散。从而破坏了半刚性材料的板体性能,大大 降低了其承重能力。如果引入半刚性基层的抗裂性能指标对半刚性基层材料设计进行多方 面的控制,在各项指标中进行平衡,有利于选择出适合条件的混合料配比,对提高路面的 使用性能有重要意义。因此,若能准确地测出半刚性材料的收缩系数,对基层抗裂性能的 研究是至关重要的。对此,国内外都已经认识到了,但由于实验装置存在缺陷,尚没有一 种大家普遍认可的收缩试验方法和设备,各单位在具体的试验方法上不完全相同,资料可 比性较差,不同单位对同样的材料测试结果差别也是较大的,使得大量的试验数据无法有 机地统一起来。 半刚性基层材料的收缩分为干缩和温缩两种。干缩主要发生在竣工后初期阶段水泥 与各种细集料和水经拌和、压实后由于蒸发和混合料内部发生水化作用混合料的水分会 不断减少由于水的减少而发生毛细作用、吸附作用、分子间的作用、材料矿物晶体或凝 胶体间层间水的作用和炭化收缩作用等会引起半刚性基层材料毛细孔隙中的自由水失去 而产生体积收缩。当基层上铺筑沥青面层后基层的含水量一般变化不大此时半刚性基层 的收缩转化为温缩为主温度收缩是由于组成半刚性基层材料的三相在降温过程中相互作硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 用的结果使半刚性基层材料产生体积的温度收缩 。半刚性基层的缺点是抗变形能力差 在温度和湿度变化时发生收缩易产生开裂 当沥青面层较薄时易形成反射裂缝进而严 重影响路面的使用性能。因此应该科学地进行材料配合比设计从 而把裂缝减少到最低程 度。 在国内外 对半刚性路面的裂缝通常认为是由半刚性基层由底向上开裂后引起的反 射裂缝研究的重点着眼于分析在荷载作用下下层裂缝如何向上扩展和传播。由于我国的 沥青质量不好绝大多数道路的沥青路面又都是薄沥青面层 也由于半刚性基层所用的都 是收缩性较大的材料所以我国道路上沥青路面的裂缝特别严重。长期以来国外对半刚性 路面裂缝的研究只认为半刚性基层在铺筑沥青面层之前或之后必然要产生裂缝并造成反 射裂缝。而这既没有研究反射裂缝在沥青面层的裂缝中占多大比例也没有研究沥青质量 和不同半刚性基层材料对半刚性路面裂缝的影响只是经常采用加厚沥青面层来减轻“反 射裂缝”。 裂缝的存在不仅使车辆行驶质量下降,而且也破坏了路面结构整体性和连续性并在一 定程度上导致结构强度的削弱,加速沥青路面的破坏。但在国内外的半刚性基层材料的研 究中,尚没有一种大家普遍认可的收缩方法和设备,大家各行其 是,使得大量的试验数据 无法有机的统一起来,鉴于此,深入开展对于半刚性基层材料收缩试验方法和收缩性能规 律的研究,提出合理而实用的适合半刚性基层材料的试验方法和装置,并在此基础上对半 刚性基层材料进行力学性能和收缩性能研究,对于防治半刚性基层沥青路面裂缝的措施, 最大限度地减少收缩裂缝、延长道路使用寿命,具有十分重要的现实意义 。 本文针对以上存在的问题,通过设计一种合理的试验装置,准确的试验方法,通过试 验数据分析得出材料的抗裂、变形特性,得出切实可行的控制指标,在混合料组成设计中 要通过抗压强度试验和干缩试验综合考虑水泥剂量的选择 既要保证半刚性基层整体材料 满足强度要求 又要考虑其干缩和温缩特性与抗压强度指标一起考虑诸多方面的影响因 素进行平衡选择出合理的基层材料的配比,合适的结构类型,为路面基层的设计和施工 规范的修订提供一定的理论和实践依据,对最大限度地减少收缩裂缝延长道路的使用寿命 具有十分重要的意义。 国内外研究现状及发展趋势 国外研究现状 国外路面基层种类比较多,但是半刚性基层的应用相对来说不如我国广泛,因此,半 刚性基层材料的研究也没有国内做的多。在半刚性基层方面,国外长期以来的看法与我国 有所不同,通常国外认为,半刚性基层在铺筑沥青面层之前或之后必然要产生裂缝,并且 必然要造成反射裂缝。处理方式及相关的研究工作多集中在如何改善沥青混合料的性能, 增加沥青路面的厚度,以及采取中间过渡层的方法来改善或减少反射裂缝。 半刚性基层沥青路面中,基层的温度和干燥收缩应力导致产生张开型和拉伸型裂纹, 该类型的裂纹张开位移对称且垂直于断裂面;行车荷载导致产生滑移型和面内剪切裂纹,4 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 该类型的裂纹面切向位移分别垂直或平行于裂缝尖端。基层的温度翘曲面应力对裂缝的长 生有一定的贡献。 等人的研究表明,温度和干燥收缩应力作用下的反射裂缝的扩展路 径几乎是垂直扩展;在偏荷载作用时,裂缝是垂直向上扩展;在行车荷载和收缩应力共同 作用时,则介于上述两者之间。同时, 和 等人的室内试验表明,正荷 载作用时,裂缝是垂直向上扩展。综上所述,认为路面中反射裂缝的断裂型式是收缩裂缝 和荷载裂缝的复合 。 国外在干缩特性方面做了大量的工作,具有代表性的是美国 乔治等人对水泥稳定土和水泥稳定粒料土的干缩特性进行了系统地研究。 得出了粒料土的塑性、小于 的粘粒含量、制件含水量和水泥剂量等因素对水泥稳 定土收缩应变的影响规律。 澳大利亚 洛伦斯研究了水泥稳定四种粒料土的干缩特性。等 描述了温度型表面裂缝形成的力学机理。 由于国外通常认为柔性基层沥青路面的温缩裂缝一般是沥青面层本身的温缩裂缝,而 半刚性基层沥青路面的非荷载型裂缝通常看作是反射裂缝,且认为这种反射裂缝是由表及 里半刚性基层材料的干缩裂缝引起的。因此,国外文献中很少能看到有关半刚性基层材料 温度收缩特性的资料。 国内研究现状 国内对半刚性基层材料的收缩研究比较早,很多部门、单位做了 不少半刚性材料的收 缩试验,通过测定半刚性材料的温缩系数和干缩系数,积累了不少有益的资料干缩特性研究现状 同济大学和上海沪杭高速公路指挥部对不同级配的二灰碎石材料力学性能和干缩 性能试验得出了如下结论: )混和料中石灰和细集料含量的减少会导致早期抗压强度的降低。 )石灰用量的增加,最大干缩应变和干缩系数均增大。 )龄期对干缩特性的影响随着龄期的增大,干缩应变和干缩系数均减小。 国家“七五”攻关等许多研究结果,对于稳定粒料土(中粒土和粗粒土),三类半 刚性材料的收缩性大小顺序为,石灰稳定类石灰粉煤灰稳定类水泥稳定类。 表几种半刚性基层材料的干缩特性 干缩系数(× %) 材料类型 最大失水量 最大失水量 石灰土 ~~ 水泥土 ~~ 石灰土粒料 ?? ~ 二灰粒料(悬浮式) 二灰粒料(密实式) ~~ 水泥粒料 ~ ~东南大学在对南京机场高速公路半刚性基层的研究中得到几种半刚性材料干缩试 硕士研究生学位论文 第一章 绪论 5 验得到的干缩系数,见表。 温缩特性研究现状国内一些单位分别做了部分不同半刚性基层材料的温缩试验。 东南大学在对南京机场高速公路半刚性基层的研究中得到表 的结果,它是半刚 性基层材料在自由状态下的试验结果,其中封闭最大温缩系数是最佳含水量下的试验结 果。 表 不同半刚性基层材料的温缩特性 温缩应变 平均温缩系数 最大混合收缩系数 封闭最大收缩系数 材料名称 (× ) (× ) (× ) ×石灰土 - - -石灰粉煤灰二灰砂砾石灰土砂砾水泥砂砾根据已往的试验结果表明,三种稳定粒料的温缩性大小依次排列为( ?): 石灰土砂砾悬浮式石灰粉煤灰粒料密实式石灰粉煤灰粒料水泥砂砾%和%水泥 剂量。 长安大学张登良教授等对几种半刚性基层材料分别在饱水状态、最佳含水量状态、 半风干状态、风干状态和烘干状态五种不同状态做了电测试验。在试验过程中不同含水量 试件都受封闭,保持含水量不变的条件下,得到几点关于温缩的规律: ()水泥稳定材料基层中掺加集料,可以明显降低混合料的温缩性: ( )水泥稳定粒料类的温缩性小于石灰粉煤灰稳定粒料的温缩性,也小于石灰稳定类 的温缩性。 ()有一对于最小温缩系数的最佳水泥含水量。 他们还导出了对干燥状态下固相半刚性材料的温缩系数a的近似计算公式: t a F + a F V +.+ a FV t1 1 12 2 2 ti i i a () t F V + F V ++ FV 1 1 2 2 i i该公式表明半刚性材料的温缩系数 a 主要由各组材料的体积弹性模量 t E i F , m为泊松比,所含各组成单元的比例V和温缩系数a 决定。 F i i i ti i 31- 2 m i 国内张洪华通过对水泥稳定细粒土、水泥稳定中粒土和粗粒土的温缩性进行了系统 的研究,得到了几点结论: ()稳定粒料土的温缩系数明显小于稳定细粒土的温缩系数; ()影响稳定粒料土温缩系数的主要因素有粒料土中粒料或土的含量; ()水泥剂量对水泥稳定粒料土的温缩系数影响显著; 6 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 ()在 种半刚性基层材料即石灰土砂砾,悬浮式石灰粉煤灰粒料、密实式石灰粉 煤灰粒料和水泥砂砾中,水泥砂砾的温缩性最小。 河北省交通规划设计院做了二灰土及石灰土温缩试验,得出一些结论: ()温缩应变值随温度下降而上升; ()对于二灰土,随石灰粉煤灰比例增加二灰土温缩系数减小; ()石灰土温缩性能随石灰剂量增加而减小; ()二灰土混合料温缩系数多数a 在( )??( )?温度区间很快增长,少数 t ???温度区间增长很快。 另外对室内试验研究同样表明:稳定粒料土的温缩系数明显小于稳定细粒土的温缩系 数。影响稳定粒料土的温缩系数的主要因素有粒料土中土的含量、粒料含量、水泥种类及 剂量等。 以上研究结论无疑对今后的研究和当前公路中半刚性基层材料设计具有积极指导作 用和一定实用意义。 目前存在的主要问题 目前,半刚性基层材料收缩特性研究所存在的主要问题有以下几点: 定性研究多,定量分析少从目前大多数文献来看,其对收缩性的研究大多局限于定性研究,而缺乏有说服力、 更有科学依据的定量分析。它们一般从定性的角度分析路面基层施工、使用过程中的基层 收缩问题。据此从组成设计、材料选择、施工控制等角度提出各 种解决或防治收缩裂缝的 措施。但它们大多是多年施工、设计经验的积累,具有很好的参考价值,可作为进一步定 量分析研究的评判依据。 缺乏深入的开裂机理的研究,工程措施缺乏理论指导低活性粉煤灰包括固相、液相和气相三相,具有较大的变异性。现有的开裂机理基本 上围绕收缩应力或应变大于极限收缩应力或应变进行分析,缺乏对收缩裂缝产生和发展规 律分析的理论。缺乏完善的试验方法和试验设备由于我国不同地区、不同研究机构、部门所采用的试验方法和条件不同,即便是对同 一种材料进行的收缩性能测试,得出的材料温度收缩系数、干燥收缩系数数值也不同,这 种情况不利于对大量试验数据的比较和规律的总结,为半刚性基层材料抗裂设计指标的进 一步实际应用带来了很大困难。因此,有必要对半刚性基层材料的收缩测定方法进行研究。 为了对半刚性基层材料的收缩系数进行深入研究,建立收缩系数同基层材料的性质、 粒料级配组成及混合料的配比之间的关系,同时,深入研究低活性粉煤灰基层材料收缩规 律,必须建立可靠的试验方法。鉴于以往的试验装置存在的缺陷,分析认为理想的试验装 置尽可能地使试验条件与道路实际使用情况相吻合,对于收缩试验装置而言,为了能够准 确地测试基层材料的收缩系数,试验装置必须使得测量的灵敏度、精度高,能够在高温、硕士研究生学位论文 第一章 绪论 7 低温的环境下进行测量,且能使人为和机械设备方面的影响降低,同材料的应变相差至少 一个数量级。从而得出材料收缩性能这一指标,对设计、施工提供依据。缺乏对低活性粉煤灰这种材料的干缩、温缩性能的研究。以往研究采用的粉煤灰为符合规范的粉煤灰,本文试验用粉煤灰的有效成份含量和烧 失量数值分别满足规范中大于 70%和小于 20%要求,但比表面积和规范中的要求的数值 2 ( 2500/ cmg)相差很大,因此,我们把沈海电厂生产的粉煤灰“水灰”称为低活性粉 煤灰。在以后各个章节介绍中,我们把沈海电厂排放的粉煤灰统一称为低活性粉煤灰。而 其温缩和干缩性能需要进行试验研究及分析。本文的主要研究内容 本文主要就低活性粉煤灰作为沥青路面结构基层或底基层条件下,依据室内试验和试 验路段的路面结构,对试验路段粉煤灰基层或底基层路面结构的 干缩和温缩的性能进行系 统研究,主要研究内容包括以下几个方面: 材料配合比及无侧限抗压强度试验研究; 1 试验用材料成分分析; 2 试验材料的物理力学性质试验; 3 材料的配合比试验; 4 无侧限抗压强度试验及变化规律。收缩试验设备的研制和试验方法的确定; 对现有测试仪器的缺陷,依据半刚性基层材料的特点,研制开发能够精确测量材料收 缩系数的仪器。低活性粉煤灰基层材料干缩和温缩性能研究; 本文试验用粉煤灰的有效成份含量和烧失量数值分别满足规范中大于 70%和小于 20% 2 要求,但比表面积和规范中的要求的数值( 2500/ cmg)相差很大。经试验验证本文采 用的低活性粉煤灰的其它路用性能较好,而其温缩和干缩性能未得到验证,因此,欲将该 种低活性粉煤灰应用于高等级路面的半刚性基层或底基层中,分析其干缩和温缩特性成为 研究重点。 本文对不同配合比结合料、不同龄期及不同添加剂时材料的收缩 性能进行试验研究, 分析基层材料干缩系数,温缩系数随失水率、时间、温度等参数的变化规律。 4低活性粉煤灰基层材料缩裂性综合评价。 实际工程中应结合地域和工程特点,给出干缩和温缩的权重系数,提出了以综合抗裂 指标?抗缩裂因子 作为混合料抗裂设计的控制指标,并给出了施工中防治干缩、温缩裂 缝一些技术措施。 8 第一章 绪论 硕士研究生学位论文 本章小结 在这一章里,主要就本文的研究目的、意义、主要研究内容进行了叙述,对国内外在 此领域里的研究工作及应用情况作了简要的介绍,针对目前存在的主要问题,提出了论文 要进行的主要工作。 硕士研究生学位论文 第二章 低活性粉煤灰基层材料强度及配合比试验研究 9 第二章 低活性粉煤灰基层材料强度及配合比试验研究 由石灰和粉煤灰组成的二灰混合料作为路面基层具有良好的力学性能,板体性强和水 稳性好,后期强度高,收缩裂缝少的技术优点,因而是良好的高等 级道路路面基层材料。 但这种混合料基层在通常条件下强度增长较慢,早期强度偏低,影响到其结构形成和疲劳 寿命。显然要想正确认识和把握低活性粉煤灰基层材料的收缩指标,就必须充分掌握道路 基层的力学和收缩性能。然而,低活性粉煤灰基层混合料的力学及收缩性能与它的材料类 型、配合比有着非常密切的关系。低活性粉煤灰基层材料采用不同配合比,混合料的各项 力学特性和路用性能也将随之发生变化。因此,合理确定低活性粉煤灰基层材料的配合比, 是研究其干缩和温缩性能的前提和基础。 本章将对低活性粉煤灰用作基层材料的材料成分分析、配合比、强度指标等进行室内 试验研究。室内试验是从路面材料的角度了解其性能的重要方法之一。本次室内试验的目 的是确定试验用粉煤灰与其它不同材料:土、石灰、砂砾、碎石、砂、石屑等的参配比例 和添加早强剂的类型及剂量大小,全面了解沈海电厂所储存的粉煤灰作为路面基层或底基 层材料的力学性能。为研究低活性粉煤灰基层材料的收缩性能提供基础试验数据。 具体来说,本章研究的室内试验部分主要就如下四个方面开展试验研究: 试验用材料的基本成分分析; 试验材料的物理力学性质试验; 材料的配合比试验; 无侧限抗压强度试验研究。 试验用材料基本成分 低活性粉煤灰 粉煤灰材料成分分析是一项最为基础的工作,主要包括现行规范中所规定的粉煤灰的 有效成份( 、 、 )的含量、烧失量、比表面积和含水量等。现对我们所使用 的沈海电厂粉煤灰的材料成分进行分析,其结果如下表。 表 沈海电厂粉煤灰主要材料成分分析表 有效成分含量 烧失量 比表面积 含水量 粉煤灰样品 () () ( ) () 沈海电厂粗粉煤灰沈海电厂细粉煤灰规范规定范围对沈海电厂粉煤灰材料分析的结果表明,我们所使用的沈海电厂粉煤灰材料的有效成 分含量、烧失量及含水量都基本满足规范要求。然而,其比表面积却远远小于规范规定的 要求。比表面积小必然导致单位体积内粉煤灰颗粒与石灰接触的面积不足,进而降低两者 相互作用的程度,降低两者之间各种化学反应的速度,尤其是火山灰反应的程度,降低粉 煤灰材料活性的激发,进而影响了二灰稳定材料强度的形成。 可见,要想有效的将低活性粉煤灰运用于路面基层或底基层当中,关键是研究提高粉 10 第二章 低活性粉煤灰基层材料强度及配合比试验研究 硕士研究生学位论文 煤灰活性的技术措施,因此进行早强剂类型和剂量研究是本章试验研究的重点内容之一。石灰 石灰采用辽宁省辽阳市小屯的熟石灰,其中氧化钙和氧化镁含量为 ,各项指标 均满足规范要求。砂砾 试验采用的砂砾取自于东陵区浑河,对砂砾进行级配分析,筛分结果见表。 表 砂砾级配筛分表 筛孔尺寸 通过率 碎石 试验所用碎石取自于苏家屯区白清寨康家山石场,对碎石进行级配分析,筛分结果见 表。 表 碎石级配筛分表 筛孔尺寸 通过率 土 试验用土取自于试验路(大台子李相),对土进行颗粒分析试验。 试验结果见表。 表 试验路基层用土颗粒分析试验结果 粒径大于 的累计百分含量() 粒径( ) 土样A 土样B 土样C 对 筛下土进行了界限含水量测定,测定结果为:W ;W ; L P I 。按塑性土分类应定名为粘土质砂。 P砂 试验采用的砂取自于抚顺市浑河干河子砂场,筛分结果见表。 表 砂级配筛分表 筛孔尺寸 通过率 石屑 石屑取自于抚顺哈达石场,筛分结果见表。 硕士研究生学位论文 第二章 低活性粉煤灰基层材料强度及配 合比试验研究 11 表 石屑级配筛分表 筛孔尺寸 通过率 试验材料的物理力学性质试验低活性粉煤灰材料的物理力学性 质 低活性粉煤灰材料粒度组成分析 沈海电厂排放的粉煤灰“水灰”的粒度成分较为复杂,现场观察 认为可以分析粒度较 细和较粗的两个部分。 对于细颗粒粉煤灰级配试验得到的级配曲线见图 。 颗粒大小分配曲线 颗粒组成 土的分类:粉砂 c u cc d60 d50 d 图 细颗粒粉煤灰级配曲线图 分析图 可知: ()从级配曲线上分析,颗粒分布均匀,级配一般,大部分颗粒的分 布范围集中在 - 之间; ()小于 的通过率为 ;小于 的通过率为 ; ()按照根据粒度成分的土的工程分类,可以定为粉砂。 对于粗颗粒粉煤灰级配试验得到的级配曲线见图 。 颗粒大小分配曲线 颗粒组成 土的分类:中砂 d60 d 50 d c u cc 图 粗颗粒粉煤灰级配曲线图 分析图 可知: 小于某粒径之百分数 小于某粒径之百分数 12 第二章 低活性粉煤灰基层材料强度及配合比试验研究 硕士研究生学位论文 ()级配良好,大部分颗粒的分布范围集中在 ; ()小于 的通过率为 ; ()按照根据粒度成分的土的工程分类,可以定为中砂。低活性粉煤灰材料的压缩性试验 将低活性粉煤灰在接近最佳含水量和最大干密度状态下进行的压缩实验,结果见表 和图。 表粉煤灰材料压缩试验结果 压力 稳定变形 试样高度 压缩模量 压缩系数 孔隙比 压力 图 粉煤灰材料压缩曲线 分析压缩试验结果可知,粉煤灰材料的压缩系数a 0.209 根据该数值大小,认为 1~2 试验用粉煤灰属于中等压缩性材料。具有一定的可压缩性。低活性粉煤灰材料的强度 将低活性粉煤灰材料进行三轴压缩实验,结果见图,图中可知,低活性粉煤灰材 料的内摩擦角j,粘聚力 c ?。从数值上看,试验用粉煤灰材料 的强度指 标较高,但试验是在最佳含水量和最大干密度下进行的,因此强度指标较高。在天然松散 状态下,颗粒之间并没有粘聚力,因此粘聚力应为零,可见只有将试验用粉煤灰在最佳含 - 水量下充分压实,才能发挥其抗变形和强度较高的特点 。 孔隙比硕士研究生学位论文 第二章 低活性粉煤灰基层材料强度及配合比试验研究 13 ψ σ 图 粉煤灰材料抗剪强度曲线图土的物理力学性质土的颗粒分析试验 试验路基层用土的颗粒分析实验结果见表。 对 筛下土进行了界限含水量测定,测定结果为:W ;W ; L P I 。按塑性土分类应定名为粘土质砂。 P土的击实特性 对土样进行轻型击实实验,锤重 ,落高 ,试样Φ × ,分 层击实, 每层 击。实验结果见表 和图。可见,试验路基层用土的最大干密度 r ;最优含水量w 。 op 表试验路基层用土击实试验结果 湿密度 含水量干密度ρ ω % ω % 图试验路基层用土击实试验结果土的压缩性 根据击实实验的结果,土在最优含水量和最大干密度状态下的压 缩实验结果见表 ρ( ) τ() 14 第二章 低活性粉煤灰基层材料强度及配合比试验研 究 硕士研究生学位论文 和图。 表土的压缩试验结果 压力 稳定变形 试样高度 压缩模量 压缩系数 孔隙比 压力图土的压缩试验曲线 结果表明:试验路基层用土属于中等压缩性土。 土的强度特性 根据击实实验的结果,土样在最优含水量和最大干密度状态下土 样含水量w , ρ 的进行的不固结不排水三轴实验结果见图 和图。可见土的强 度在指 标在不固结不排水条件下内摩擦角为j ?,粘聚力为 c 。 σψσ σε% σ 图 试验路基层用土抗剪强度曲线 图试验路基层用土应力应变曲线 结论: 对比低活性粉煤灰和土的颗粒分析成果可知,粉煤灰颗粒均匀,粒度普遍高于土; 土的塑性高于粉煤灰材料。 τ() 孔隙比 σσ ()硕士研究生学位论文 第二章 低活性粉煤灰基层材料强度及配合比试验研究 15 ()压缩试验表明:相同密实度(重型 )的土与粉煤灰对比,土的压缩系数a,粉煤灰的压缩系数a ,可见两种基层材料都属于中等压缩 1~2 1~2 性材料,且几乎相同。 ()三轴试验表明:土的抗剪强度指标 ? c 要低于粉煤灰的抗剪 j 强度指标(j ?, c)。 材料的配合比试验 众所周知,沥青路面基层材料各个部分的组成比例,对基层材料的强度及其各项路用 性能都有着重要的影响,因此基层材料的配合比设计是一项基础的试验研究工作。本项研 究以沈海电厂的低活性粉煤灰为研究对象,研究其它不同材料与粉煤灰组合后合理的组 成,具体研究的基层材料有:二灰、二灰土、二灰砂砾、二灰碎石、灰土稳定粉煤灰、二 灰砂、二灰石屑,共七种以低活性粉煤灰和石灰(二灰)组成的基层材料。 对拟定的各种不同配合比的二灰材料,采用重型击实试验法,确定其最佳含水量和最 大干密度,试验结果见表。 表 材料最佳含水量和最大干密度一览表 二灰稳定材料 最佳含水量 最大干密度 早强剂 形式及配合比 (%)无早强剂水泥 二 灰 水泥 (石灰:粉煤灰 碳酸钠 = ) 碳酸钠硫酸钠硫酸钠 无早强剂水泥水泥二 灰 (石灰:粉煤灰 碳酸钠 = ) 碳酸钠硫酸钠硫酸钠 无早强剂水泥 二 灰 水泥 (石灰:粉煤灰 碳酸钠碳酸钠 = ) 硫酸钠硫酸钠 16 第二章 低活性粉煤灰基层材料强度及配合 比试验研究 硕士研究生学位论文 二灰土 无早强剂 (石灰:粉煤灰:土 水泥 = ) 水泥 二灰土 无早强剂 (石灰:粉煤灰:土 水泥 = ) 水泥 二灰土 无早强剂 (石灰:粉煤灰:土 水泥 = ) 水泥 二灰砂砾 (石灰:粉煤灰:砂砾 无早强剂 = ) 二灰砂砾 (石灰:粉煤灰:砂砾 无早强剂 = ) 二灰砂砾 (石灰:粉煤灰:砂砾 无早强剂 = ) 二灰石屑 无早强剂 (石灰:粉煤灰:石屑 水泥 = ) 水泥 二灰石屑 无早强剂 (石灰:粉煤灰:石屑 水泥 = ) 水泥 二灰石屑 无早强剂 (石灰:粉煤灰:石屑 水泥 = ) 水泥 二灰砂 无早强剂 (石灰:粉煤灰:砂 水泥 = ) 水泥 二灰砂 无早强剂 (石灰:粉煤灰:砂 水泥 = ) 水泥 二灰砂 无早强剂 (石灰:粉煤灰:砂 水泥 = ) 水泥 二灰碎石 无早强剂 (石灰:粉煤灰:碎石 = ) 二灰碎石 无早强剂 (石灰:粉煤灰:碎石 = )硕士研究生学位论文 第二章 低活性粉煤灰基层材料强度及 配合比试验研究 17 二灰碎石 (石灰:粉煤灰:碎石 无早强剂 = 灰土稳定粉煤灰 无早强剂 (石灰:土:粉煤灰 = ) 灰土稳定粉煤灰 水泥 (石灰:土:粉煤灰:水泥 = ) 七天无侧限抗压强度试验 对每种配合比的混合料,按最佳含水量和最大干密度要求制作试件,在温度为 ? ?,相对湿度为 的标准养生室内养生后,进行七天无侧限抗压强度试验。通过七天 - 无侧限抗压强度试验对拟定的配合比进行分析比较,进而给出试验路推荐配合比 。 ()二灰 对于二灰材料,我们进行了三种配合比设计(三种早强剂,不同剂量),同时进行了 七天无侧限抗压强度试验,试验结果见表~表 和图~图 。 表 二灰( : )七天无侧限平均抗压强度 % % % % % % 早强剂 无早强剂 水泥 水泥 碳酸钠 碳酸钠 硫酸钠 硫酸钠 抗压强度 表二灰( : )七天无侧限平均抗压强度 % % % % % % 早强剂 无早强剂 水泥 水泥 碳酸钠 碳酸钠 硫酸钠 硫酸钠 抗压强度 不同添加剂的七种二灰材料 不同添加剂的七种二灰材料 图 二灰 : 不同早强剂七天无侧限抗压强度 图 二灰 : 不同早强剂七天无侧限抗压强度 空白 %水泥 %水泥 %碳酸钠 %碳酸钠 %硫酸钠 %硫酸钠 空白 %水泥 %水泥 碳酸钠 % %碳酸钠 %硫酸钠 %硫酸钠 天无侧限抗压强度() 天无侧限抗压强度( ) 18 第二章 低活性粉煤灰基层材料强度 及配合比试验研究 硕士研究生学位论文 表 二灰( : )七天无侧限平均抗压强度 % % % % % % 早强剂 无早强剂 水泥 水泥 碳酸钠 碳酸钠 硫酸钠 硫酸钠 抗压强 ?? 度 不同添加剂的六种二灰材料 图 二灰