0 引言

软土地区高速公路高填方路段、公路拓宽改建及桥涵台背回填等工程建设中，受地基附加应力较大、施工工作面狭小、路基难以压实等因素的影响，易导致路基工后及差异沉降量过大，从而引发桥头跳车等工程问题的多次发生，严重影响高速公路运营的舒适性和安全性。因此，控制路基工后及差异沉降量，提高路基施工的便捷性，是保障高速公路建设及安全运营的重要前提和基础。

粉煤灰是我国当前排放量较大的工业废渣之一。作为原材料制备的液态粉煤灰由于具有无需振捣、可自密实、容重低、价格低廉等优势，为控制路基工后及差异沉降提供了有效手段。目前，国内外学者对以粉煤灰为主要原材料研发的系列轻质填料在路基工程中的初步应用开展了研究。雷钰^[1]将粉煤灰、PO425水泥、气泡群、早强剂和水作为原材料制成轻质水泥粉煤灰路基填料，经试验验证具有良好的耐盐蚀及保温性能。孙吉书等^[2]采用粉煤灰、水泥、发泡剂等材料制备泡沫流态粉煤灰，通过室内试验分析了该材料的密度、抗压强度、水稳定性、冻融稳定性等指标，并推荐了该材料的施工配合比。杨春风等^[3]、郭丽丽^[4]、闫利强等^[5]采用Ⅱ级粉煤灰、PO325水泥、萘系减水剂或早强减水剂，通过正交试验明确了流态粉煤灰的配合比。陆成龙^[6]通过室内试验研究了流态粉煤灰中水和外加剂对其流动度的影响规律，并分析了水泥含量对流态粉煤灰的干缩性能及抗压强度的影响，对优化材料配合比起到了积极作用。可以看出，现有粉煤灰轻质填料研发中，多采用PO425或PO325水泥与Ⅱ级粉煤灰开展试验研究，这导致了大规模工程应用中材料成本的高昂，在一定程度上限制了流态粉煤灰在路基工程中的应用规模。同时，现有关于流态粉煤灰的配合比及影响因素的研究还不系统，更缺少对其耐久性等路用性能的相关评价，无法科学预测流态粉煤灰的工程应用效果。

基于此，本研究通过室内试验方式，利用价格低廉的F类Ⅲ级粉煤灰及2种类型和标号的水泥(PSA325和PO425)，通过其流动度、抗压强度、泌水率及密度确定其初始配合比，并以此为基础开展流态粉煤灰CBR值、水稳定性及冻融稳定性等路用性能的研究，最终得到F类Ⅲ级粉煤灰与PSA325水泥的最佳配合比。

1 试验材料 1.1 粉煤灰

选用的粉煤灰原材料的有效成分含量如表 1所示，参照相关规范可知^[7]，它属于F类Ⅲ级粉煤灰。

1.2 水泥

目前国内外少有选用PSA325水泥制备流态粉煤灰的相关报道。为验证PSA325水泥的可行性并比较其与PO425水泥的区别，选用上述2类水泥分别进行试验。2种水泥的主要性质见表 2，其性质均满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)^[8]规范要求。

1.3 减水剂

选用的添加剂为聚羧酸高性能减水剂(标准型)，根据《混凝土外加剂》(GB 8076—2008)^[9]检验得到的其主要物理力学性质如表 3所示。

2 配合比设计方案及确定方法

影响流态粉煤灰路基填料性能的主要因素包括水泥与粉煤灰配合比、用水量及外加剂掺量。各原材料配合比的确定主要考虑到实际工程质量、施工和易性及造价等因素，选用水泥粉煤灰配合比分别为2∶98，10∶90，18∶82，26∶74，用水量(水的质量与固体混合料质量之比)分别选择50%，60%，70%，80%，外加剂掺量分别为水泥质量的0，1%，2%，3%。对于上述配合比，采用控制变量法进行正交试验，共开展了128组流动度试验、64组抗压强度试验(每组6个试件，共计384个试件)、36组泌水率试验(每组包含3个平行试验，共计108个试件)、7组CBR试验(每组包含3个平行试验，共计21个试件)、水稳定性及冻融循环试验各进行6组(每组制备3组平行试件)。

确定流态粉煤灰的最佳配合比方法如下：首先进行流态粉煤灰流动度试验，筛选出满足流动度要求的配合比组1，而后进行抗压强度试验，在组1中筛选出满足抗压强度要求的配合比组2，其后进行泌水率试验及密度试验，确定出全部满足上述4个指标的配合比组3。将筛选出的组3进行CBR、水稳定性、冻融循环等材料的路用性能试验，最后综合各项路用性能指标及工程经济性，筛选出流态粉煤灰路基填料的最佳配合比。

3 初始配合比确定 3.1 流动度

为保证填料在无需振捣情况下能够实现自流平，须将其流动度控制在合理范围内，但也不宜过大，以免后期泌水率过高造成收缩开裂现象严重。本研究选用水泥砂浆稠度仪作为检测流态粉煤灰填料流动性大小的主要设备。根据流态粉煤灰在不同配合比下的流动状态，参考文献[3-6]确定流态粉煤灰的流动度宜为11~14 cm。表 4为水泥与粉煤灰配合比10∶90、用水量分别为50%~80%、减水剂分别为0~3%工况下的流动度试验结果(其余配合比下的试验结果略)。

试验结果表明，用水量为50%~60%、水泥与粉煤灰比例在2∶98及10∶90时，其流动度均较差，无法满足流动性要求。而当用水量为70%~80%时，各配合比下的流动度均满足11~14 cm的要求。另外，从表 4所示的水泥与粉煤灰配合比为10∶90时的流动度试验结果可以看出，同一配合比下，使用PO425水泥制备的流态粉煤灰流动度要低于使用PSA325水泥制备的流态粉煤灰流动度。主要原因是：水泥标号越高，细度越小，其比表面积越大，水化反应所需水量则越高。因此，实际工程中在满足各项物理力学性能指标的前提下，应尽可能选用低标号水泥，以增大混合料的流动度。

在水泥种类和强度相同的情况下，影响流态粉煤灰流动度的因素包括水泥与粉煤灰配合比、用水量及外加剂掺量。以PSA325水泥为例，上述3个因素与流动度关系曲线如图 1所示。可以看出，在用水量及外加剂掺量相同的情况下，水泥用量越多，材料流动度越高，这是由于使用F类Ⅲ级粉煤灰，其需水量比大于100%^[10]，因此粉煤灰质量占比越大，材料的流动性越小。综合分析表 4及图 1可以看出，在水泥与粉煤灰配合比中，水泥标号对流动度的影响要小于粉煤灰用量对流动度的影响。在控制单一变量的前提下，流态粉煤灰流动度均随着用水量和外加剂掺量的增大而增大，但当用水量超过60%或70%(与水泥粉煤灰比值有关)、外加剂掺量超过2%后，各配合比下的流动度增长率均逐渐减小。

由于各影响因素的单位不一致，为便于对各个因素敏感性进行比较，采用无量纲形式的参数敏感度函数^[11]进行分析，其表达式为：

(1)

式中，x_i^*为某基准参数；F^*为该基准参数对应的基准状态；Δx_i为相对于基准参数的改变量；ΔF为相对于基准状态的改变量。以试验中外加剂为2%、用水量为70%及水泥与粉煤灰质量比10∶90为基准参数，该状态下的流动度为基准状态，计算得到外加剂对流动度的平均参数敏感度为0.87，用水量对流动度的平均参数敏感度为1.48，而水泥与粉煤灰配合比对流动度的平均参数敏感度仅为0.11。

由以上分析可知，用水量是影响流态粉煤灰流动度的最显著因素，其次是外加剂，而水泥粉煤灰配合比对流动度的影响最小。

上述规律出现的原因是：虽然减水剂的加入可以释放出被水泥凝团包裹的拌合水^[12]，由此提高混合料的流动度，但减水剂的掺量仅为水泥质量的1%~3%，其与用水量50%~80%的差距较大，因此用水量成为影响流动度的各因素中最为重要的因素。因此，实际工程中调节混合料流动度的主要方式应为调整混合料用水量，同时增加相应措施以减小流态粉煤灰的泌水率。

3.2 抗压强度

流态粉煤灰作为一种路基填料，应具备一定的抗压强度，以满足承载上覆荷载的要求，为此要求该材料7 d抗压强度大于0.4 MPa，28 d抗压强度大于0.8 MPa。为研究不同因素对强度的影响规律，在筛除不满足流动性要求的配合比后，参考《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70—2009)^[13]，对满足流动度要求的每个配合比进行了抗压强度试验。每个配合比制作6个试件，3个用于测试7 d抗压强度，3个用于测试28 d抗压强度，试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。

试验结果表明，水泥与粉煤灰比值为2∶98时，部分满足流动度要求的配合比，其7 d和28 d抗压强度分别为0.12~0.26 MPa和0.24~0.32 MPa，无法满足抗压强度要求，其余配合比下的抗压强度均满足上述要求。表 5为水泥粉煤灰比值为10∶90时部分配合比下的抗压强度值。可以看出，无论是使用PSA325水泥还是PO425水泥，其7 d和28 d抗压强度均满足要求。

图 2为各影响因素与流态粉煤灰抗压强度的关系曲线。可以看出：(1)水泥粉煤灰比值及用水量相同的情况下，外加剂掺量越大，填料的抗压强度越高，但外加剂掺量对抗压强度的提高程度有限。(2)在水泥粉煤灰配合比和外加剂掺量相同的情况下，流态粉煤灰的抗压强度随用水量的增加而减小。(3)在用水量及外加剂掺量相同的情况下，流态粉煤灰的抗压强度随水泥质量占比升高而增大，但当水泥与粉煤灰比值由10∶90上升至18∶82时，水泥用量的增加对混合料28 d抗压强度影响并不明显，而10∶90的水泥与粉煤灰比值下的所有配合比，其7 d和28 d抗压强度的平均值分别为1.05 MPa和1.55 MPa，故考虑工程经济性，水泥与粉煤灰配合比以10∶90为宜。(4)同一配合比下的7 d抗压强度已能达到28 d抗压强度的60%~70%，说明流态粉煤灰抗压强度在养护前期增长迅速，7~28 d期间抗压强度增长速率减缓，故提高该填料初期的养护质量至关重要。

分析认为，水泥与粉煤灰质量比越高，即水泥用量越大，其混合料水化反应则更充分，同时水泥与粉煤灰发生火山灰反应也更完全，产生的水化硅酸钙及水化铝酸钙更多，使得流态粉煤灰抗压强度也越高^[14]。同理，用水量越大，即水固比越大，虽混合料流动性增强，但由于固体粉料占比变小，故其产生的具有水硬性的胶凝物质也越少，抗压强度也就越低。同时，试验中选用的外加剂为聚羧酸高效减水剂，对提高流态粉煤灰的早期强度有一定效果，但为控制泌水率在工程要求范围内，其掺加量仅为水泥质量的1%~3%，因此在流态粉煤灰中提高强度的效果并不明显。

3.3 泌水率

为保证流态粉煤灰的流动度，该路基填料需要较大的用水量，但用水量的增加也会导致施工过程中泌水现象的产生，而泌水率的大小会直接影响其收缩率，过大的收缩率会使得路基回填段产生过多裂缝，从而无法保证其长期强度和耐久性。本节通过对上述满足流动度和抗压强度指标的各配合比进行泌水率试验，以求找出满足泌水率指标要求的相应配合比。为保证公路路基的耐久性，基于相关文献在可控低强度材料方面的研究成果及工程案例^[15]，认为填料浇注后的泌水率应控制在8.0%以下。

图 3为用水量与泌水率的关系曲线。可以看出，在一定的水泥粉煤灰配合比及外加剂掺量下，泌水率随用水量的增大而增大，尤其当用水量超过70%后，泌水率增长速率变大。在相同用水量及外加剂掺量下，水泥在水泥粉煤灰配合比中占比越大，材料的泌水率越高。由图 4所示的外加剂掺量与泌水率关系曲线可以看出，在相同的水泥粉煤灰质量比和用水量下，泌水率随外加剂掺量的增大而增大。当外加剂掺量大于2%后，泌水率尤其是PSA325水泥的泌水率增长率迅速升高，大部分配合比已无法满足工程要求。因此，在满足流动度要求的前提下，外加剂掺量宜控制在2%之内。

利用式(1)开展各因素对泌水率的敏感度分析。以外加剂为2%、用水量为70%及水泥粉煤灰比值10∶90为基准参数，其对应的泌水率为基准状态。计算得到外加剂对泌水率的平均参数敏感度为0.77，用水量对泌水率的平均参数敏感度为2.11，而水泥粉煤灰配合比对泌水率的平均参数敏感度为0.28。由此可见，与填料流动度和敏感度的分析结果相同，用水量也是影响流态粉煤灰泌水率的显著因素。

3.4 密度

流态粉煤灰作为一种轻质填料，应具有较低的密度，以减小其作为路基材料的自重，从而达到减轻对地基的附加应力和减小后期差异沉降的效果。试验得到的流态粉煤灰湿密度与水泥粉煤灰质量比、用水量关系曲线如图 5~图 6所示。

可以看出，流态粉煤灰材料密度随水泥质量占比的增大而增大，随用水量的增大而减小。这是由于粉煤灰胶结物自身结构疏松，相较于水泥结石体而言更加松散，因此其密度也较低，故水泥质量占比越高，材料的密度越大。流态粉煤灰浇注后，由于各类反应用水消耗及自由水蒸发，其质量会减轻，从而使得其密度减小，故在相同水泥粉煤灰配合比下，用水量越高的流态粉煤灰密度越小。通过参数敏感性分析，在同一基准水平下，用水量的平均参数敏感度为0.04，而水泥掺量的参数敏感度为0.95，故用水量对材料密度的影响要小于水泥用量的影响，因此工程中如需降低混合料密度，还应从减少水泥用量方面加以考虑。

图 5~图 6还表明，由于粉煤灰的加入，流态粉煤灰的密度较普通填土路基密度均大幅降低，PSA325流态粉煤灰的最大湿密度不超过1.60 g/cm³，在水泥粉煤灰配合比为10∶90、用水量为70%、外加剂掺量为0~2%的工况下，其湿密度仅为1.49 ~1.53 g/cm³，与普通填土路基密度相比减少了15%~20%，这对于有效减少地基附加应力，避免公路运营期桥台等部位的差异沉降大有裨益。

3.5 初始配合比确定

由上述4个试验结果可知，使用PO425或PSA325水泥，在一定的配合比下，其基本性能均满足相关规范及施工和易性要求。考虑到大规模应用时的性价比因素，宜优先选用PSA325水泥作为原材料。

综合以上试验结果，并根据流动度11~14 cm、7 d抗压强度大于0.4 MPa、28 d抗压强度大于0.8 MPa及泌水率小于8.0%的指标要求，确定流态粉煤灰的初始配合比为：水泥粉煤灰质量比为10∶90，用水量为70%、外加剂掺量为0~2%。

4 路用性能及影响因素分析 4.1 CBR值

作为路基填料的流态粉煤灰，应保证后期使用过程中最不利状态下的承载能力。根据相应规范^[16]，高速公路和一级公路上路床不小于8%，下路床不小于5%，上路堤不小于4%，下路堤不小于3%；二级公路分别为6%，4%，3%，2%。

通过相应的试验，对使用PSA325水泥的CBR值进行测定，试验结果见表 6。可以看出，流态粉煤灰在每个配合比下均满足路基承载能力要求。在单因素影响下，CBR值随水泥质量占比的增大而增大，随外加剂掺量和用水量的增大而减小。

4.2 水稳定性

流态粉煤灰作为桥涵台背和路基回填材料，易受到地下水、地表水和降雨等因素影响，且流态粉煤灰在成型初期也具有较高的含水量，故本节开展流态粉煤灰填料的水稳定性试验，以明确该填料在投入工程使用后的水稳定性。

试件为70.7×70.7×70.7 mm³的立方体试块，在标准养护条件下养护28 d后，将试件浸水24 h，取出将其表面擦拭干净后标养48 h，以此为1个循环，进行5次循环后，测定材料的残余强度，并与未经过水稳定性循环试验的试件抗压强度对比^[17]，其比值即为水稳定系数。参照工程应用要求^[3]，其水稳定系数应大于0.65。图 7为水泥粉煤灰比值为10∶90、用水量为70%、外加剂掺量为0~2%时的水稳定性系数与外加剂掺量的关系曲线。

试验结果表明，无论使用PSA325水泥还是PO425水泥，材料的水稳定系数均大于0.65，满足工程应用需求。但总体来说，0~2%的外加剂掺量对混合料水稳定系数的影响较小，外加剂掺量的增减对水稳定系数的影响仅为1%~2.8%。

在外加剂掺量为1%时，水稳定系数最佳，这是由于外加剂1%的掺量可在一定程度上提高试件的强度，但当外加剂掺量达到水泥用量的2%时，将使得流态粉煤灰试件中的游离水过多，成型后游离水蒸发，使得试件密实性变差。水稳定性试验表明，由于水的浸入将对密实性差的试件产生不利影响，进而促使其水稳定系数降低。

4.3 冻融稳定性

我国北方大部分地区为季节性冻土地区，因此有必要开展冻融循环试验，以确保流态粉煤灰抵抗冻融循环的能力。

根据初始配合比共制备18个ϕ150 mm×150 mm的圆柱体试件，将试件放入-18 ℃的低温箱冷冻1 h后，取出试件测量其高度及质量变化，随后立即放入20 ℃的水槽中融化8 h，上述步骤为1次冻融循环^[18]。将冻融循环5次的试件进行标准养生28 d后，测定冻融试件的残余抗压强度, 它与未冻融组试件抗压强度的比值为冻融循环稳定系数，将其作为冻融循环评价指标。

冻融稳定系数、冻融质量损失率与外加剂掺量的关系曲线分别如图 8和图 9所示。试验结果表明，初始配合比下，流态粉煤灰的冻融稳定系数均大于0.65，且质量损失率均在1.5%以下，满足工程应用要求。从图 8还可看出，材料的冻融稳定系数随着外加剂掺量的增加而降低，外加剂掺量由1%增加到2%时，冻融稳定系数下降了约16%，下降幅度远大于外加剂由0增加至1%时的变化幅度。从图 9可以看出，冻融质量损失率随着外加剂掺量的增大而增大。原因是聚羧酸减水剂的增加使得从水泥絮凝结构中释放出来的拌和水增多，这也导致冻融过程中由于游离水的冻结而使试件产生冻胀现象，在一定程度上破坏了填料的胶凝结构，使得试件冻融后残余强度出现大幅衰减现象。因此要保证足够高的冻融稳定系数值，应减少外加剂掺量至1%以内。

5 结论

采用低标号水泥、低等级粉煤灰及聚羧酸高性能减水剂配制流态粉煤灰，分析了各影响因素与填料路用性能的关系，得到了其最佳配合比，主要结论如下：

(1) 采用F类Ⅲ级及PSA325水泥配制的流态粉煤灰的各项物理力学性能均满足工程要求。

(2) 流态粉煤灰填料的流动度和泌水率均随用水量、外加剂掺量及水泥质量占比的增加而增加。参数敏感性分析表明，用水量是影响流态粉煤灰流动度和泌水率的最显著因素；低标号水泥有利于流动度的增加。

(3) 水泥标号越高，其抗压强度越大。抗压强度随外加剂掺量及水泥质量占比的增大而增大，随用水量的增加而减小。外加剂掺量对抗压强度的影响远小于水泥质量占比的影响。加强该填料初期养护对提高其28 d抗压强度至关重要。

(4) 流态粉煤灰湿密度随水泥质量占比的增大而增大，随用水量的增大而减小。同时，其湿密度与普通填土路基密度相比减少了15%~20%。

(5) 外加剂掺量对该填料的耐久性有较大影响。掺量为1%时，其水稳定性最佳，水稳定系数可达0.70；冻融循环稳定性随外加剂掺量的增大而减小，工程应用中应减少外加剂掺量至1%以内。

(6) 综合考虑该填料的各项路用性能指标，并考虑性价比因素，推荐其最佳用量为：采用PSA325水泥，水泥粉煤灰配合比为10∶90，用水量为70%，减水剂用量为1%。