再生水合粉煤灰评价作为可持续巷道基础材料的聚集体

摘要

本文总结了三角孔土工格栅稳定再生水化C级粉煤灰(HFA)的室内和现场性能试验结果。这一阶段的测试是在HFA实验室标本和现场测试部分进行的。室内测试结果提供了设计输入值的估计，而现场测试评估了性能特征，包括路基反应的施工模量、原位回弹模量和永久变形。对于实验室部分，所有结果都是在样品制备和7天固化后立即对样品进行的测试得出的。再生水化C级粉煤灰的抗压强度随养护龄期的增加而增加。在HFA材料中加入化学稳定剂可进一步提高材料的强度。对于这个项目来说，用石灰进行化学稳定是不可行的，因为石灰供应商离HFA来源和项目场地都太远。通过循环板载试验，确定了HFA层和土工格栅稳定HFA层的原位回弹模量。本文报告了实验室和现场板载试验的结果，并强调了土工格栅在稳定HFA方面的潜在用途。

1.介绍

在全球许多地方，一般来说，路基土不适合用作路面基础，而且在许多情况下很难找到合适的填方。因此，根据地区的不同，像高炉炉渣、燃烧和未燃烧的采矿废料(粘土页岩)等人为材料更常用于建筑，如海滨和镇陵报道的[1， Ebrahimi等[2]，rafalski和wilczek [3.]，Akbarnejad等[4和Hainin等[5］．成功的关键是由于Adamczyk等人报告的可能矿物学变化，这些材料的长期稳定性。[6]此外，再生水化C级粉煤灰（HFA和市场名称C-stone），由源头资源公司生产[7[已被用作道路基材或选择刚性和柔性路面的选择填充。回收水合类C粉煤灰具有Pozzolanic特性，因此能够在湿化和压实时随着时间的推移获得强度。通过Zabielska-Adamska报道，通过重新利用废物提供环境益处，提供了环境益处，如Zabielska-Adamska报道[8］．

伯格森和巴恩斯所做的研究[9[证明，在固化后7天内，再生水合C型粉煤灰碱的抗压强度可从零增加到多达50psi。此外，Bergeson和Barnes的研究[9]白色的[10]当与化学稳定剂（如生粉煤灰和熟石灰）混合时，再生水化粉煤灰的强度增加，并提高其长期耐久性。抗压强度试验结果表明，添加10%的生粉煤灰比未经处理的再生灰抗压强度提高80%，添加2.5%的熟石灰可使再生灰抗压强度提高8倍。根据实验室测试结果，Bergeson和Barnes[9]，确定了AASHTO柔性路面设计用再生水化C级粉煤灰基层的层系数作为层厚的函数。

Senadheera等人[11水合粉煤灰的研究强度特性和微观结构评价材料作为柔性基材的适用性。该研究发现，在压实期间，再生粉煤灰被压碎，但由于水合而在放置并形成刚性层后，它在放置后获得强度。为了防止水合过程中的水分损失，研究人员建议在压实后施加沥青乳液，因为固化水分对水合粉煤灰的微观结构形成至关重要。

由于石灰供应商距离项目现场太远，建议使用土工格栅对HFA进行机械稳定，而不是传统的化学稳定。在路面结构中加入土工格栅以改善骨料基层的性能早已被接受。本试验中采用的假设是，土工格栅在施工期间与HFA协同作用，从而使HFA获得其最佳工程特性，从而使HFA的性能最大化。使用HFA层时，由HFA和土工格栅组成的复合材料比原始主体材料具有更好的性能。

本研究的目的是评估机械稳定HFA的性能，并提供与设计相关的输入特性，如机械稳定HFA的强度或模量。未进行HFA弹性模量测试，因为未经处理的HFA未被视为碎石基层材料的合适替代品。使用再生HFA的路面设计指南基于用粉煤灰或熟石灰稳定的HFA的28天抗压强度。碎石骨料基层的典型弹性模量范围为100至200 兆帕。为了将未经处理的HFA用作骨料，机械稳定的HFA应达到高于100的弹性模量值 兆帕。

对未经处理和机械稳定的HFA试样进行了一系列实验室试验。此外，现场试验部分包含三个不同的试验项目。现场试验计划包括两个未经处理的对照试验项目和一个机械稳定HFA，用于性能比较。现场平板荷载试验证实，HFA机械稳定层的施工导致复合材料在较短时间内表现出更高的强度发展。

2.实验室测试程序

共有四个三轴试样使用HFA市场上的C-stone材料进行了测试，该材料由Headwaters Resources，Inc.生产。制造商网站上提供了材料成分，除表中所示的基本化学成分和工程特性外，本文未对其进行详细讨论1。值得注意的是，试验是在系列弹性模量和快速剪切强度试验中进行的，随后是永久变形试验。之前的试验是根据AASHTO T307协议进行的[12]，后者使用nchrp598中的程序。在独立重塑试件上进行了永久变形试验，以评估材料的长期车辙性能。

为研究土工格栅对c -石模量和永久变形行为的影响，将土工格栅放置在c -石试样的中深度，制备了2个试样。一个对照样品和一个土工格栅稳定样品在未养护的情况下进行测试，另外两个样品(一个对照样品和一个土工格栅稳定样品)养护7天，研究养护对强度的影响。本研究中所用土工格栅的力学性能如表所示2．

粒度分布曲线(图1)、Standard Proctor和实验室加利福尼亚承重比(CBR)值(图2)为本研究中使用的c石建立。根据概念化的施工规范，在最佳含水率(OMC)下，由ASTM D698确定的最大干密度(MDD)的预测试目标为98%，用于实验室中的重塑试样进行表征测试和评估。源材料中含有25%以上的细粒。三轴试件在一个150毫米直径的分裂模具中使用手动修改的Proctor锤进行重塑。一旦开始测试，该实验室报告称，由于在大规模测试中测试了完整的聚合样品，仅使用19.05毫米减号材料来开发普罗克特曲线，预期的98% MDD值无法实现。因此，最大努力产生的压实干密度为96% MDD，该密度值适用于所有测试，以便在测试和处理之间提供有用的比较。

2.1。弹性模量（AASHTO T307）

弹性模量测试是按照参考测试标准的程序进行的。试件在不同的轴向应力和围压下(15种不同的应力水平组合)承受一系列荷载脉冲，并记录由这些荷载脉冲产生的可恢复变形。这些数据用于拟合本构模型，在本构模型中，弹性模量可以预测路面设计师希望在其设计中考虑的任何应力水平。预测模量绘制在图中3.比较使用不同固化和增强条件制备的样本相关的值。图形地描绘的数据3.基于通用模型生成。

0天固化结果表明，土工格栅对刚度特性的影响最小。这很可能是因为C型石未开始与土工格栅啮合。相反，图3（b）说明固化时间确实有影响。允许的固化时间(7天)产生的材料强度约为10-25%(没有网格加固)和25-60%(有土工格栅)。这些改进表明C-stone材料具有胶凝粘结性能，而土工格栅的加入增强了这种粘结性能。据推测，这是由于包含土工格栅而产生的较高水平的锁固侧向应力所致。这种残余应力使粒子彼此保持接触，在火山灰反应中形成更强的化学键。最初由White等人报道了锁固侧向应力的产生[13]Wayne等人的工作证实了这一点[14］．

Bergeson及Barnes [9]提供了HFA结构层系数（A._我）用于设计柔性路面。结构层系数是表示1993 AASTHO程序中建筑材料的相对强度的抽象号[12］．在路面设计中，自胶凝材料和火山灰材料的设计强度随厚度的增加而增加。一般情况下，半刚性或刚性层的加利福尼亚承载比(CBR)值大于100%。因此，利用无侧限抗压强度与层间系数的相关性，可以估计半刚性或刚性层间的层间系数。未经处理的HFA的建议层系数范围为0.12 - 0.19，取决于层厚。对于150毫米厚的未经处理的HFA基底，层系数范围为0.13至0.13，而300毫米厚的未经处理的HFA层系数范围为0.18至0.19。

本研究利用三轴试验得到的弹性模量值，采用1993年AASHTO路面结构设计指南[12对于颗粒基层，A.₂．未处理的7天固化HFA样本的预测结构层系数范围为0.08至0.16。地理稳定的7天固化HFA样本的预测结构层系数值范围为0.09至0.19。值得注意的是，本研究中的标本未固化28天。据信，样品的低结构层系数是由火山醇反应的早期阶段产生的。

2.2。快速剪切测试

从快速剪切试验的结果可以很容易地看出一个有趣的现象。AASHTO T307规定的快速剪切试验是由轴向变形率(1% /分钟至5%应变)控制的简单剪切试验，遵循重复加载试验的15个应力序列。试验在围压为34.47 kPa的条件下进行。数字4以图形方式描述了该试验的结果，并证明了土工格栅的积极影响。土工格栅使强度增加了23%（730%） 千帕对592 （千帕）。同样值得注意的是，土工格栅将应变承载能力提高了25%或更好。固化时间对结果影响不大，尽管在这两种情况下（稳定和不稳定），7天固化试样的结果是在稍低的破坏应变下产生稍高的最大应力（因此，中等硬度）。

2．3.重复载荷永久变形(NCHRP 598)

永久变形试验是按照NCHRP第1号报告中记录的程序进行的。598.nchrp598测试的结果如图所示5．NCHRP 598测试规定了在轴向应力（69,138,276,413,551,689,827,965,1100,827,965,1100和1240kPa的阶梯序列中施加的轴向载荷的1,000个循环，所有这些都是恒定的限制103 kPa的压力。这转化为10,000个装载周期以完成测试。在每个测试中监测轴向菌株。如果在完成10,000个循环方案之前达到10％的轴向应变，则认为样本失效，并且停止了测试。该测试旨在作为聚集基层的“酷刑”测试。

由于骨料材料的水分密度曲线，控制几乎可以随时造成测试的折磨，随着轴向应力接近1240kPa而几乎瞬间搅拌。在测试期间，地理稳定的样品超过10％的菌株。因此，测试在最高轴向应力（1240kPa）处继续，直至达到10％菌株，或者另外10,000个循环，以先成为该循环。

如图所示5，未处理的样本在标本达到2％轴向菌株后表现出快速突发发生故障，而地质格栅稳定性可防止脆性失效。结果表明，随着应变水平的增加，HFA的水泥键被破坏。益处是对长期永久变形或车辙的抵抗力。稳定的样品在这种最高轴向应力水平下，稳定的7,140个负载循环，表明土工格栅的积极影响。

2.4。探讨实验室测试

这些结果突出表明，弹性模量测试可用于表征HFA作为人工基层骨料的特性。尽管机械稳定和未结合破碎石灰石试样的弹性模量曲线相似，但重复荷载永久变形试验表明，三角形孔径土工格栅的加入对永久变形行为有积极影响。实验室试验证实，HFA的AASHTO层系数与结构层系数之间没有直接相关性，需要调整结构层系数，以通过现场性能试验说明长期性能。

3.现场性能测试

现场性能测试方案包括静态和循环板载荷测试。数字6说明了爱荷华州项目现场试验段的现场条件和材料。

静态平板荷载试验用于确定竣工单位荷载-挠度关系，而循环平板荷载试验用于确定场强值。静态板荷载试验一般按照AASHTO T-222进行。据报道，地下水面比现有地面低6至7英尺。根据目视分类，地表天然路基材料为砂质粉土。7天固化HFA切片的CBR值约为24%，而4至6小时固化HFA切片的CBR值为7至16%。与实验室CBR值相比（图2)，实地的CBR值约低50%，这在将实验室与实地联系起来时并不罕见。

对于该研究，选择300毫米直径的平板作为性能验证的基础。基于重型设备在部位的某些部分上加载，选择循环加载制度在0到689 kPa之间。板占地面积和压力制度模拟建筑设备装载。选择此加载制度​​以帮助展示土工格栅最小化动态偏转的能力。实验室检测表明，这些负载条件导致未稳定的HFA C-STOL的颗粒分解和过早剪切失效。现场性能测试的结果比早前提出的实验室测试所识别的性能差异更具区别。

本项目测试了三个不同的部分，包括：试验项目1：试验前4-6小时在天然路基上铺设200毫米HFA试验项目2：200毫米的HFA稳定，三角形光圈土工格栅在测试前约7天放置约7天测试项目3：200毫米HFA在测试前28天放置28天

3.1.循环板荷载试验

除了静态平板载荷试验外，还对所有路段进行了循环试验。循环试验旨在模拟装有689的载重卡车40或100次通过 kPa轮胎压力。结果显示了循环次数与表面永久和可恢复挠度之间的关系。该试验得出的关键参数包括40或100个循环后的总永久挠度和原位弹性模量。原位弹性模量使用以下公式计算： 哪里ν是泊松比（假设为0.3），σ_o是循环应力，A.为平板半径，F板刚度系数(为均匀应力分布假设为2)，和是弹性变形（在卸载期间）。

数字7比较每个项目的循环平板载荷测试结果。应该注意的是，将第2项固化7天，但用土工格栅稳定，物品3固化28天。结果表明，在10个负载循环后，第1项具有17mm的初始平均位移，而28天固化物品3在相同的载荷周期中仅具有7.2mm的初始位移。结果表明了固化期对HFA C-石刚度的影响。

第2项和第3项的结果显示7天固化的地理格栅稳定的项目2具有比28天固化物品的更大的强度。循环偏转（作为轮子发生的变形通过该部分）的第2项100次负载周期约为6毫米，而第3项在40个负载循环中展现出9毫米的偏转。这证明了土工格栅的使用将允许更快的结构，同时在28天固化的HFA上实现更高的刚度。

3.2.静态板载荷试验

在测试项目1和第2项上进行静态板载荷测试，以确定路基反应的原位模量（也称为“弹簧”常数或K值）在单位负载范围为0至689 kPa。这K这里报告的值不调整为板的尺寸修正或弯曲。这些修正可以通过现场额外的测试来确定，但一般只在涉及人行道的应用中需要。图中的应力-挠度响应8表明，控制部分比C-Stone + TX160部分产生了大约6倍的永久性偏转。

需要注意的是，测试项目2已经治愈了7天，而项目1在测试时没有治愈。

基于循环平板负载测试确定原位弹性模量值，结果总结在表中3.和K从静态板载荷试验中获得的值。结果表明，7天固化土工格栅段的回弹模量最高，零天固化无土工格栅段的回弹模量最低。该现场性能测试最终证明，对于选定的加载顺序，土工格栅稳定HFA将表现良好，并且在弹性性能和永久挠度指标方面明显优于控制段。

4.结论

进行了一系列实验室和现场板载荷试验以表征HFA并评估HFA的原位性能。实验室测试用作非传统路面材料性能的初步评估，然后用于预测该材料如何随时间执行。实验室测试结果对HFA C-STOL的行为提供了根本的理解。目前用于表征未结合骨料材料的测试可用于表征HFA C-STOL。这些测试也可用于评估土工格栅对HFA C-STOL性能的影响。非传统基材的评估可以通过本文提出的实验室和现场板载荷试验进行。

本文所述的实验室和现场板载试验的结论如下:在实验室和现场板载荷试验中证明了由于波佐反应引起的长期强度收益。三角形孔径土工格栅的使用被证明是化学稳定的一个合适的替代方法。原位弹性模量可提高30%以上。使用未经处理的HFA C-stone时要小心，因为它在低应变水平下会表现出脆性破坏。未处理的HFA C-STOL可能不合适作为未覆盖的砾石道的表面层，因为未处理的HFA在小轴向应变水平下表现出脆性失效模式。结果，在使用该系统以进行停车场和施工裁员围场之前，在现场使用压碎的石英岩综合磨损表面。应进行附加试验，以更好地说明土工格栅和HFA火山灰反应之间的相互作用。此外，应评估春季解冻期间的长期强度增加效应和条件。现场试验也可针对其他选定的应力水平，以模拟各种设备荷载条件ons和加载事件数。

数据可用性

用于支持本研究结果的实验室和现场数据包含在本文中。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

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