水泥粉煤灰稳定碎石基层配合比设计和路用性能研究

摘要

近年来水泥粉煤灰稳定碎石基层在我国的一些省份获得了应用，实践表明它具有优良的路用性能和很好的使用前景。然而，目前《公路路面基层施工技术规范》中没有这种材料的技术规定，且已有的研究结论又缺乏系统性，因此设计和施工单位在具体应用时随意性很大。为了给今后的施工生产提供科学的依据，本文深入开展了以下五项研究工作：(1)水泥粉煤灰稳定碎石基层材料配合比研究(2)水泥粉煤灰化学反应机理研究；(3)水泥粉煤灰稳定碎石材料路用性能研究；(4)水泥粉煤灰稳定碎石基层力学分析；(5)水泥粉煤灰稳定碎石混合料配合比设计方法研究。 1.水泥粉煤灰稳定碎石基层材料配合比研究共包括集料级配范围的研究，结合料与集料比例研究，水泥与粉煤灰比例研究。(1)集料级配范围的研究中，首先开展了以最大密度曲线n幂公式为依据的连续级配范围研究；其次开展了以美国AASHTO中的25mmNMNS级配范围为基础的间断级配范围研究，并进一步指出在这种间断级配的骨架——密实类型混合料配合比设计中，应将水泥和粉煤灰计入2.36mm以下细料含量中，而且4.75mm以上粗集料的骨架间隙率VCAmix必须小于捣实状态下纯粗集料骨架间隙率VCADRC；在对几种骨架——密实结构配合比设计方法评价的基础上，提出了既能解决离析问题，又能保持传统骨架——密实结构特色的悬浮骨架——密实结构。 (2)在结合料与集料最优比例研究中，首先给出了最优结合料剂量的体积计算方法，其次在保持水泥粉煤灰比例不变的基础上，通过不同结合料含量的最大干密度试验，得到一张最大干密度与结合料含量的关系曲线图。此图的最大干密度峰值所对应的比例即为结合料与集料的最优比例，此时结合料剂量恰好填满集料空隙形成密实式结构，试验表明这种结构具有优良的路用性能。最后，确定出当集料级配在连续级配范围内变化时，结合料与集料的最优比例范围。 (3)水泥与粉煤灰最优比例的研究目的是在此比例下，水泥与粉煤灰的物理化学作用对路用性能的贡献均得到充分挖掘。鉴于粉煤灰火山灰反应慢，水泥水化速度快，因此可用强度后期的增幅来判断比例的优劣，增幅越大，比例越优。由于不同地区水泥与粉煤灰的品质存在一定的差异，故最优比例不是一成不变的，它受相关因素的影响。 2.水泥与粉煤灰化学反应机理研究包括五方面内容：(1)水泥——粉煤灰系统的特殊水化过程；(2)水泥与粉煤灰水化时的相互影响；(3)掺有粉煤灰的水泥与集料的特殊界面特征；(4)火山灰反应的热力学和动力学分析。 3.试验结果显示水泥稳定碎石90d龄期的力学特性指标达到180d龄期的80％，水泥粉煤灰稳定碎石120d龄期的力学特性指标也达到180d龄期的80％，而水泥稳定碎石的设计龄期为90d，故将水泥粉煤灰稳定碎石的设计龄期定为120d。在此基础上，通过变化集料级配和水泥剂量，研究了水泥粉煤灰稳定碎石的7d龄期抗压强度标准，设计龄期的劈裂强度和抗压模量范围。4.在水泥粉煤灰稳定碎石基层力学分析研究中，系统计算了以三种半刚性材料为基层的路面弯沉，各层层底拉应力，以及铺筑面层前后和基层开裂前后的温度应力。计算结果发现，水泥粉煤灰稳定碎石基层耐疲劳性最好。另外，无论是否铺筑面层，无论基层是否有裂缝，水泥稳定碎石基层的温度应力最大，水泥粉煤灰稳定碎石基层次之，石灰粉煤灰稳定碎石基层最小。 5.以系统工程的相关理论为基础，提出了一种水泥粉煤灰稳定碎石的配合比设计方法，它具有以下特点：(1)抗裂性好；(2)抗冲刷性好；(3)满足7d龄期抗压强度标准；(4)造价低。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1问题的提出

1.2国内外研究概况

第二章研究内容与技术路线

2.1研究内容

2.2技术路线

第三章水泥粉煤灰稳定碎石基层材料配合比研究

3.1原材料性质

3.2水泥粉煤灰稳定碎石的集料级配范围

3.2.1连续级配

3.2.2间断级配

3.2.3折断级配

3.2.4小结

3.3水泥与粉煤灰的比例研究

3.3.1水泥与粉煤灰最优比例的影响因素分析

3.3.2路用性能指标选择

3.3.3研究方法

3.3.4试验结果与分析

3.3.5小结

3.4结合料与集料的比例研究

3.4.1结合料、集料比例研究

3.4.2结成结构对混合料路用性能的影响

3.4.3结合料、集料最佳比例范围研究

3.4.4小结

第四章水泥粉煤灰化学反应机理研究

4.1粉煤灰对水泥水化的影响

4.1.1粉煤灰对单—水泥矿物水化的影响

4.1.2水泥粉煤灰水化速率的变化

4.2水泥对火山灰反应的影响

4.2.1火山灰反应机理

4.2.2水泥水化对火山灰反应的影响

4.3水泥—粉煤灰系统的水化

4.3.1水化过程

4.3.2水化产物

4.3.3水泥—粉煤灰系统的界面结构和耦和机制

4.3.4水泥—粉煤灰系统水化产物的变迁

4.4粉煤灰对集料界面结构和产物的影响

4.5水化反应和火山灰效应的数值化分析

4.6火山灰反应的热力学分析

4.6.1火山灰反应的方向和限度

4.6.2各种因素对火山灰反应的影响

4.7水泥粉煤灰间最优比例的动力学分析

4.7.1复合反应机理近似处理法

4.7.2多相反应动力学处理法

4.8本章小结

第五章水泥粉煤灰稳定碎石材料路用性能研究

5.1试验方法与方案

5.1.1路用性能指标选择

5.1.2试验方案

5.1.3试验方法

5.2强度与刚度

5.2.1强度指标

5.2.2结果分析

5.2.3延迟时间对混合料强度和干密度的影响

5.2.4养生条件对混合料强度的影响

5.3收缩特性

5.3.1试验结果

5.3.2结果分析

5.4冲刷特性

5.4.1试验结果

5.4.2结果分析

5.5疲劳特性

5.5.1试验结果

5.5.2结果分析

5.6设计参数

5.7本章小结

第六章水泥粉煤灰稳定碎石基层力学分析

6.1路面弯沉和层底拉应力

6.2温度应力

6.2.1基本假定

6.2.2温度应力计算模型

6.2.3温度应力计算

6.2.4计算结果分析

6.3本章小结

第七章水泥粉煤灰稳定碎石基层混合料配合比设计方法研究

7.1影响水泥粉煤灰稳定碎石混合料性质的因素

7.2混合料配合比设计思路

7.3混合料组成设计

7.3.1原材料质量要求

7.3.2混合料组成设计

第八章主要结论与进一步研究设想

8.1本文主要结论

8.2进一步研究的设想

参考文献

致谢

本人攻读博士学位期间发表的论文