(論文)農村公路用硬化二灰土路面材料性能

收稿日期:2008202202 基金項目:陜西省交通科技項目 (01 233R) 作者簡介:袁春毅(19802 ) , 男,北京市人,交通運輸部規(guī)劃研究院工程師,長安大學工學博士研究生,E2mail :ycyshy 。 第29卷 第1期 2009年1月 長安大學學報(自然科學版) Journal of Changan University(Natural Science Edition) Vol. 29 No. 1 Jan. 2009 文章編號:167128879(2009)0120026205 農村公路用硬化二灰土路面材料性能 袁春毅1 ,2,趙樂易3,韓 森1 (1. 長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室,陜西 西安710064 ; 2.交通運輸部規(guī)劃研究院,北京100029 ; 3.國家開發(fā)銀行 營業(yè)部,北京100037) 摘 要:為了開發(fā)適用于廣大農村地區(qū)的經(jīng)濟型低交通量公路路面材料,采用固化劑硬化二灰土, 對硬化粉煤灰混合料進行了無側限抗壓強度、 水穩(wěn)定性和凍穩(wěn)定性等材料性能試驗。結果表明,加 入固化劑后,硬化二灰土路面材料的抗壓性能、 回彈模量、 水穩(wěn)定性和凍穩(wěn)定性均有大幅提高,可基 本滿足農村低交通量公路路面的使用要求。 關鍵詞:道路工程;農村公路;路面材料;二灰土;固化劑;材料性能 中圖分類號:U416. 212 文獻標志碼:A Material properties of hardened lime2flyash2soil for rural highway YUAN Chun2yi1 ,2, ZHAO Le2yi3, HAN Sen1 (1. Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education , Changan University , Xian 710064 , Shaanxi , China ; 2. Planning and Research Institute of Ministry of Transport , Beijing 100029 , China ; 3. Department of Operation , China Development Bank , Beijing 100037 , China) Abstract : In order to develop the pavement materials of the economic low2traffic2volume road in the rural areas , the lime2flyash2soil was hardened by adding solidified agent to form the hardened lime2flyash2soil for constructing the rural pavement.The material properties of the hardened lime2flyash2soil were tested for studying its unconfined compressive strength , water stability and freezing stability.The results show that after adding solidified agent , the performances anti2 stress resilient modulus , water stability and freezing stability of hardened lime2flyash2soil are increased evidently , it can meet the needs for constructing rural highway with low traffic volume. 3 tabs , 6 figs , 8 refs. Key words : road engineering; rural highway ; pavement material ; lime2flyash2soil ; solidified2 agent ; material property 0 引 言 近年來,中國對于高等級公路路面結構及材料 的研究較多,但對適用于廣大農村地區(qū)的經(jīng)濟型低 交通量公路路面材料的研究則非常少。目前,農村 低等級公路的路面材料多為泥結碎石、 水結碎石和 級配碎石等,在許多地方甚至是無粒料路面。采用 這些路面材料,路面病害較多,舒適性差,對于一些 缺乏碎石及砂礫材料的地區(qū),反而增加了造價1。 國外農村道路的材料多采用瀝青和水泥混凝土路 面,雖然路用性能良好,但其造價偏高,且施工過程 復雜,不適合中國現(xiàn)有國情。從實際出發(fā),對一些經(jīng) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 濟不發(fā)達地區(qū)的農村公路,考慮其現(xiàn)有交通條件,可 就地取材,采用硬化二灰土路面作為這些地區(qū)的路 面結構。為此,本文對該類路面進行了深入研究,同 時考察了實際使用效果。 1 硬化二灰土路面強度形成機理 采用固化劑硬化二灰混合料是一種綜合加固土 的方法,既有物理作用又有化學反應。物理作用主 要表現(xiàn)為拌和與壓實;化學反應主要表現(xiàn)為石灰在 水中的解離反應,石灰、 粉煤灰和土之間的火山灰反 應以及固化劑與混合料之間的反應224。 固化劑主要為水溶性良好的高分子聚合物乳 液,它是混合料中主要的成膜物質。固化劑的作用 是將其他組分粘結成一體,并能附著在被涂基層表 面,形成堅韌的保護膜,具有較高的化學穩(wěn)定性526。 固化劑和混合料的作用表現(xiàn)為: 土體基本單元在 外力作用下彼此靠近,在界面上相互連接; 固化劑 水化或與土壤發(fā)生反應,形成具有膠凝性的水化產(chǎn) 物將土粒膠結,使土體在高分子聚合物的作用下形 成良好的整體。由于固化劑和混合料的共同作用, 使土體的強度、 水穩(wěn)定性、 凍穩(wěn)定性和抗彎拉強度等 均得到了不同程度的提高728,從而成為一種可以用 于農村低交通量道路的新型路面材料。 2 路用性能試驗設計 2. 1 原材料 2. 1. 1 土 本項研究用土來源于陜西省銅川市印臺區(qū)廣陽 鎮(zhèn)地區(qū)。該地區(qū)地處黃土高原南部溝壑區(qū),土壤屬 于粉性亞粘土。通過試驗,土的物理性質見表1。 表1 土的物理性質 顏色 最大干密度/ (g cm- 3) 液限 WL/ % 塑限 WP/ % 塑性指數(shù) IP/ % 土質分類 黃色1. 82932. 20019. 80012. 400粉性亞粘土 2. 1. 2 石 灰 本項研究所用熟石灰的活性物質(CaO + MgO) 含量(質量分數(shù))為63. 4 %。根據(jù) 公路路面基層施 工技術規(guī)范 中石灰的技術標準,該石灰品質達到 級,符合路用要求。 2. 1. 3 粉煤灰 本項研究選用粉煤灰的化學組分見表2。 表2 粉煤灰化學組分 組分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO燒失量 質量分數(shù)/ %49. 826. 95. 42. 41. 110. 5 2. 1. 4 固化劑 通過對11種固化產(chǎn)品的比較,最終確定3種效 果最好的固化劑應用于本項研究,分別記為1 # 固化 劑、2 # 固化劑、3 # 固化劑,見表3。 表3 不同固化劑混合料配合比結果 混合料類型 加固劑、 石灰、 粉煤灰與 土的質量配比 二灰土0.082270 1 #固化劑加二灰土(簡稱1#固化劑) 0.282270 2 #固化劑加二灰土(簡稱2#固化劑) 0.282270 3 #固化劑加二灰土(簡稱3#固化劑) 0.282270 2. 2 試驗設計 通過前期比較試驗,確定出適宜的基準二灰混 合料配合比;再通過路用性能試驗,對已摻固化劑的 硬化二灰土路面試件進行檢驗;對比基準試件,比較 其性能變化,最終確定出最優(yōu)組合。路用性能試驗 包括:抗壓強度、 抗壓回彈模量、 水穩(wěn)定性及凍穩(wěn)定 性試驗。 3 材料性能試驗分析 3. 1 抗壓試驗 抗壓強度反映了路面在外力作用下抵抗破壞的 能力,它是硬化二灰土路面最重要的力學指標之一。 通過對3種不同固化劑硬化二灰混合料與普通二灰 土材料的抗壓強度對比,考察了固化劑的改性效果。 在固化劑的摻配上,試用了高、 低2種摻配濃度,同 時考察固化劑濃度對二灰混合料的無側限飽水抗壓 強度的影響,見圖1、 圖 2( 見下頁)。 圖1 低濃度固化劑硬化混合料的抗壓強度對比 由圖1、 圖2可以看出,加入固化劑的二灰混合 料,無側限飽水抗壓強度均得到不同程度的提高。 其中,7 d無側限飽水抗壓強度平均提高了184 %; 28 d無側限飽水抗壓強度平均提高了40 %。由圖1 可知,3種低濃度固化劑加入后,均使二灰土的抗壓 強度得到明顯的提高。其中,低濃度2 # 固化劑對混 合料7 d抗壓強度的提高幅度最大,增幅達到 72第1期 袁春毅,等:農村公路用硬化二灰土路面材料性能 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 圖2 高濃度固化劑硬化混合料的抗壓強度對比 212 %;對28 d抗壓強度也有提高,增幅達到49 %。 這表明,2 # 固化劑在提高抗壓強度方面有最為顯著 的效果。 對比圖1、 圖2可知,固化劑濃度提高時,二灰 混合料的無側限飽水抗壓強度亦有所提高。其中, 1 # 固化劑使二灰混合料7 d抗壓強度增幅最大,并 且隨著濃度的增加,抗壓強度提高較明顯;2 # 固化 劑使二灰混合料28 d抗壓強度增幅最大,但隨濃度 的增加而引起的抗壓強度增加幅度不大?？傮w看 來,固化劑濃度的增加并沒有使混合料強度有明顯 提高。由此說明,3種固化劑在低濃度時,已使二灰 土強度達到了較理想的提高,若繼續(xù)增加濃度并不 能大幅度提高強度,還會使產(chǎn)品的成本成倍增加。 從圖1、 圖2也可看出,固化劑硬化二灰土與普 通二灰土相比,7 d抗壓強度的提高幅度大于28 d 抗壓強度的提高幅度。這主要是因為石灰與粉煤灰 中的活性物質(SiO2,Al2O3)發(fā)生火山灰反應的速 度較慢,二灰土自身7 d抗壓強度較低,此時固化劑 對總體抗壓強度的貢獻比例相對較大,使得混合料 的早期強度大大提高。這就很好地改善了二灰穩(wěn)定 材料強度形成比較慢的缺陷,也為二灰土后期強度 的形成打下了良好的基礎。 3. 2 抗壓回彈模量 回彈模量表征了材料在外力作用下抵抗變形的 能力?；貜椖Ａ恐荡蟮牟牧?在相同外力作用下會 產(chǎn)生較小的變形。具有較好的力學性能的混合料室 內回彈模量的對比見圖3。 由圖3可以看出,加入固化劑后二灰混合料的 回彈模量均有所提高。其中,3 # 固化劑的增幅最 大,達到46 %。這是由于固化劑在混合料中起膠結 劑作用,使二灰材料更好的粘結,并且形成整體結 構。因此,經(jīng)過硬化的二灰混合料比普通二灰土具 有更好的抗變形能力。 3. 3 水穩(wěn)定性 水穩(wěn)定性是材料穩(wěn)定性的一個重要方面。由于 圖3 混合料室內回彈模量的對比 硬化二灰混合料被使用在道路的表面,所以,此種材 料的水穩(wěn)定性就顯得更為重要。 試件的水穩(wěn)定系數(shù)Kw的計算公式為 Kw= R0 Rw 式中:R0為試件的無側限飽水抗壓強度(MPa ) ; R w 為試件的無側限非飽水抗壓強度(MPa)。 從圖4、 圖5可看出: (1)加入固化劑后,二灰穩(wěn)定材料水穩(wěn)定系數(shù)均 有不同程度的提高。其中,7 d水穩(wěn)定系數(shù)平均增 加了65 %;28 d水穩(wěn)定系數(shù)平均增加了56 %。這說 明,固化劑的加入使二灰土顆粒之間的連結更為緊 密,并且有效阻止了水對土顆?；鶊F的浸潤,從而增 強了硬化二灰土的強度和穩(wěn)定性。 (2)3 種固化劑在低濃度時,對混合料7 d及28 d水穩(wěn)定系數(shù)提高的幅度差別較小;而在高濃度時, 1 # 固化劑對混合料7 d及28 d水穩(wěn)定系數(shù)的提高 圖4 低濃度固化劑硬化混合料的水穩(wěn)定系數(shù)比較 圖5 高濃度固化劑硬化混合料的水穩(wěn)定系數(shù)比較 82長安大學學報(自然科學版) 2009年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 均表現(xiàn)出較大的增幅,分別達到97 %和83 %。這說 明,高濃度的1 # 固化劑在提高二灰混合料水穩(wěn)定性 上具有較好的效果。對比發(fā)現(xiàn),混合料的水穩(wěn)定系 數(shù)會隨固化劑濃度的增加有所增加,但增加的幅度 并不太大。這說明,在固化劑濃度達到一定程度時, 二灰混合料的水穩(wěn)定系數(shù)也趨于穩(wěn)定。 (3)對比7 d與28 d齡期的混合料水穩(wěn)定系數(shù) 可以看出,隨著齡期的延長,混合料水穩(wěn)定系數(shù)也有 較大增長。 3. 4 凍穩(wěn)定性 凍穩(wěn)定性試驗是為了測定硬化二灰混合料在水 和負溫共同反復作用下的強度變化,這對于硬化二 灰路面在較寒冷地區(qū)應用有著重要的意義。 將試件經(jīng)過一定次數(shù)的凍融循環(huán)后,測其無側 限飽水抗壓強度,并與未經(jīng)凍融循環(huán)試件的無側限 飽水抗壓強度進行比較,其比值稱為凍穩(wěn)定系數(shù),即 Dn= Rn R0 式中:Dn為凍融n次后的凍穩(wěn)定系數(shù); R0 為對比試 件的無側限飽水抗壓強度(MPa ) ; R n為凍融n次后 的無側限飽水抗壓強度(MPa)。 一般來講,材料的抗凍性能與材料中的空隙率、 顆粒間的連結強度和液相中離子濃度等諸多因素有 關。其中,顆粒間的連結強度對抗凍性能起主要的 作用。如果顆粒間的連結強度很高,同時又比較密 實,就能有效降低水的浸入,足以抵抗因凍脹作用引 起的內應力,材料就不容易破壞,抗凍性能就越好, 凍穩(wěn)定系數(shù)也就越高。 從圖6可以看出,加入固化劑的二灰混合料凍 穩(wěn)定系數(shù)均有一定程度的提高。其中,2 # 固化劑使 混合料的凍穩(wěn)定系數(shù)提高最大,28 d與90 d凍穩(wěn)定 系數(shù)增幅分別達到26 %和24 %。由此可以看出, 2 # 固化劑在改善二灰土抗凍性方面比其他兩種固 化劑效果更好。 圖6 凍穩(wěn)定系數(shù)的比較 另外,抗壓強度在一定程度上反映了材料顆粒 間的連結強度。一般情況下,抗壓強度越高,抗凍性 能就會越好。由于固化劑的加入,提高了二灰土的 抗壓強度,因此抗凍性能也得到一定程度的提高。 4 試驗路應用 2005年9月,在陜西省銅川市坡頭鎮(zhèn)馮蘭村分 別鋪筑了4段硬化二灰土路面的試驗路段,分別為 3種不同固化劑種類的硬化二灰土路面及不摻固化 劑的普通二灰土路面,在實際路用條件下,考察固化 劑改性路面的使用效果。 4. 1 試驗路施工 考慮到硬化二灰土路面主要面向農村低交通量 路面,因此,在原材料的選擇及施工機具的選取上都 從農村公路建設的現(xiàn)狀出發(fā),使該種路面具有在農 村推廣的可行性。 原材料包括石灰、 粉煤灰、 土、 石屑及固化劑,采 用路拌法施工。對于石灰,應在使用前7 d澆水,使 生石灰充分消解,并篩除所含灰團和生石灰塊;為防 止粉煤灰飛揚造成污染,應使粉煤灰料堆表面保持 潮濕,粉煤灰含水量(質量分數(shù))保持在15 % 20 %;試驗路的工程用土應在拌和前去除其中大石 塊及樹枝、 草根等雜物;為保證路面具有一定的耐磨 耗性,在混合料鋪筑壓實后,在路面加入了少量的粒 徑為1020 mm的碎石。施工機具利用當?shù)噩F(xiàn)有 設備,采用農用車、 旋耕機及振動式壓路機等。 4. 2 試驗路觀測 試驗路鋪筑完成后,進行了3次觀測(30 d、90 d、180 d) ,分別對試驗路的整體效果和具體情況進 行了調查與觀測,并與普通二灰土路面進行了對比, 結果發(fā)現(xiàn): (1)與普通二灰土路面相比,硬化粉煤灰路面具 有更好的整體強度,故其平整度較好,行駛的舒適性 也較好。 (2)由于固化劑的加入,使得二灰混合料的水穩(wěn) 定性能得到了很大程度的提高,基本沒有出現(xiàn)車轍; 而普通二灰土路面在第1次觀測時就已出現(xiàn)較嚴重 的車轍問題,第3次觀測時由于不能夠正常使用已 進行了翻修;另外,硬化粉煤灰路面在雨天行車時也 不會出現(xiàn)泥濘狀況,晴天行車時其揚塵量也大大小 于普通二灰土路面。 (3)由于硬化粉煤灰路面的使用性能良好,使當 地村民的出行條件得到很大程度的改善,因此,受到 了廣大村民的一致好評。 92第1期 袁春毅,等:農村公路用硬化二灰土路面材料性能 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5 經(jīng)濟性比較 對普通石灰土路面、 二灰土路面與硬化粉煤灰 路面的經(jīng)濟性進行比較,以分析硬化粉煤灰路面在 農村地區(qū)的實用性。 以本次試驗路鋪筑的路面形式為例,路面寬度 為4. 5 m ,鋪筑厚度為15 cm ,硬化粉煤灰路面所增 加的原材料費用只有固化劑的費用。根據(jù)實驗室設 計驗算的配合比,用3. 5 kg固化劑可以處理1 m3 二灰土,那么,每平方米原材料增加的費用就為4 7元 (3 種固化劑價格不同 ) , 每公里硬化粉煤灰路面 所需花費的固化劑費用為1. 6萬元2. 7萬元。另 外,需要增加的人工和機械費用則非常少,與普通二 灰土路面鋪筑所需費用差別不大。 單純從花費上講,硬化二灰土路面使農村公路 的整體費用有所增加;但硬化二灰土路面具有很好 的水穩(wěn)定性和強度,即使在雨天或一定的重荷載作 用下也不會產(chǎn)生車轍,這就使道路的整體使用水平 得到了很大提高,又加之固化劑的固結作用,使得道 路在晴天使用時揚塵現(xiàn)象大大降低。將其與同時鋪 筑的普通二灰土路面相比,在同樣的使用條件下,普 通二灰土路面出現(xiàn)了嚴重的變形和車轍,車轍最深 可達1015 cm ,并且在雨天行駛時相當困難,必須 經(jīng)過維修和養(yǎng)護才能正常使用;但硬化二灰土路面 則不需要這部分開支。因此,從長期的使用情況來 看,硬化二灰土路面實際上降低了農村道路的總體 使用費用。 另外,由于硬化粉煤灰路面的鋪筑過程非常簡 單,使用機械很容易得到,需要增加的人工也不多, 因此,非常適合陜西銅川地區(qū)及類似地區(qū)的廣大農 村推廣使用。 6 結 語 (1)由于固化劑產(chǎn)生的硬化作用及粉煤灰與石 灰自身的水化反應,從而提高了二灰土路面的強度。 (2)通過室內材料試驗證明,加入固化劑后,硬 化二灰土路面材料的各項性能比普通二灰土都有顯 著的提高,可基本滿足農村低交通量公路路面的使 用要求,此種材料也可用于具有類似原材料地區(qū)的 一般公路施工。 (3)通過試驗路的鋪筑可看出,硬化二灰土路面 的施工工藝簡單可靠,并且經(jīng)濟合理,適合在具有類 似原材料及施工條件的廣大農村地區(qū)推廣使用。 (4)通過對試驗路后期的跟蹤觀測可以看出,硬 化二灰土路面比普通二灰土路面具有良好的平整 度、 水穩(wěn)定性及凍穩(wěn)定性,并且具有很好的抗車轍能 力,其路用性能明顯優(yōu)于普通二灰土路面;在不使用 水泥、 瀝青結合料的情況下,實現(xiàn)了農村公路 “晴天 無塵土,雨天無泥漿” 的愿望。 參考文獻: References : 1 中國公路建設行業(yè)協(xié)會.農村公路建設與管理必讀 M.北京:人民交通出版社,2004. 2 張登良.加固土原理 M .北京:人民交通出版社, 1990. 3 松尾新一郎.土質加固方法手冊 M.孫明漳,梁清 彥,譯.北京:中國鐵道出版社,1983. 4 吳少鵬,沈衛(wèi)國,周明凱,等.磷石膏粉煤灰石灰固結 材料的研究J .中國公路學報,2001 ,14 (增刊 ) :13 2 15. WU Shao2peng ,SHEN Wei2guo ,ZHOU Ming2kai ,et al. Study of phosphogypsum2fly ash2lime solidified materialJ . China Journal of Highway and Trans2 port ,2001 ,14(S) :13215. 5 張洪亮,胡長順,劉保健,等.壓實石灰黃土力學特性 試驗J .交通運輸工程學報,2003 ,3(4) :13216. ZHANG Hong2liang ,HU Chang2shun , LIU Bao2 jian ,et al. Mechanical properties experiment of com2 pacted loess2limeJ .Journal of