二灰碎石基層后期病害成因分析及措施
2012-03-15 來源：來源：中國鳴網(wǎng) 作者：金劍鋒
一、 概述
1、 二灰碎石基層
二灰碎石基層以其強(qiáng)度高、耐久性好，造價較低，易于施工等優(yōu)點被廣泛推廣和應(yīng)用；目前，蘇州市大部分市政道路都是采用二灰碎石基層。二灰碎石基層全稱是石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石基層，它是利用石灰、粉煤灰和碎石按一定比例混合,在最佳含水量時拌合均勻，并在現(xiàn)場攤鋪碾壓壓實成型具有一定抗壓強(qiáng)度的基層。二灰碎石是一種緩凝性硅酸鹽材料，在一定的溫度、濕度下其強(qiáng)度隨齡期的延長而增加后期強(qiáng)度高.二灰碎石基層具有良好的力學(xué)性能、板體形態(tài)、水穩(wěn)定性和抗冰凍穩(wěn)定性等特性。
2、 粉煤灰及其中的SO3
粉煤灰是火力發(fā)電廠煤粉燃燒后從煙道中回收的一種粉末，其主要成分是SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、SO3，還有其它微量化合物近20余種。粉煤灰本身并沒有粘性，當(dāng)它與水和消石灰相混合時，在常溫下能與石灰中的氫氧化鈣Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成具有粘結(jié)性的化合物。所以粉煤灰被廣泛地應(yīng)用于道路施工中。
粉煤灰在道路工程利用中的主要有害成分是SO3和有機(jī)質(zhì)，所以應(yīng)嚴(yán)格控制SO3含量和燒失量。SO3是一種空氣和環(huán)境污染物，形成酸雨等危害。2006年以前，由于我國對環(huán)境保護(hù)控制不嚴(yán)，電廠都是將SO3直接排放于空氣中。2006年后，為迎接北京奧運會，政府加強(qiáng)對空氣和環(huán)境污染物的控制，很多電廠都實施了環(huán)保脫硫工藝，脫硫后脫硫灰渣重新回到粉煤灰中。所以目前市場上的粉煤灰SO3含量都偏高。
3、 地下水對道路的侵害
地下水對道路作用部分的表現(xiàn)為滲入和一系列作用的增強(qiáng)或改變，這一系列作用中的一部分可為原始的，而另一部分是一些繼發(fā)作用，它們是原始作用的直接后果。作為原始作用，首先是土的濕度改變的物理過程，同時還有土層應(yīng)力狀態(tài)的改變過程，這種應(yīng)力狀態(tài)的變化是在一種作用力的因素即水的一定作用條件下產(chǎn)生的。土的強(qiáng)度降低、沉降的發(fā)展、滑坡就形的發(fā)展、凍脹作用與就形的發(fā)展等過程與現(xiàn)象是上述原始作用同其它作用的共同后果。道路工程在地下水作用下，經(jīng)常會發(fā)生許多使用病害，嚴(yán)重影響道路的正常使用。在道路養(yǎng)護(hù)中經(jīng)常遇到的路基沉降、濕陷、鹽漬化、凍脹等病害，都是地下水直接或間接作用的結(jié)果。
二、 二灰碎石基層后期病害成因分析
目前，蘇州市很多市政道路工程瀝青路面通車時間不長，就產(chǎn)生了起拱等質(zhì)量問題。我們對起拱后的十余條道路瀝青路面挖開檢查，發(fā)現(xiàn)二灰碎石基層已經(jīng)完全松散，無強(qiáng)度。通過對起拱道路現(xiàn)場二灰碎石混合料化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)所有起拱道路普遍存在so3超標(biāo)現(xiàn)象，我們認(rèn)為瀝青路面起拱、龜裂主要是二灰碎石混合料中粉煤灰含硫量超標(biāo)引起的。
1、 二灰碎石基層后期病害引起的瀝青路面破壞
?。?） 瀝青路面起拱
a、 高填方路堤瀝青路面在中分帶處起拱
b、 低路堤瀝青路面波浪形起拱
c、 道路中分帶或側(cè)分帶處瀝青路面起拱
?。?） 瀝青路面龜裂
2、 后期病害成因的原理分析
?。?） 粉煤灰中SO3的危害
在粉煤灰中SO3是以CaSO4的形態(tài)存在的.含有CaSO4的粉煤灰應(yīng)用于路面基層時，遇水發(fā)生反產(chǎn)生水化產(chǎn)物，在路面基層強(qiáng)度形成的后期發(fā)生體積膨脹，致使路面基層出現(xiàn)開裂.具體過程如下：
CaO+H2O→Ca（OH）2
CaSO4+H2O→CaSO4•2H2O
3CaO•Al2O3•6H2O+3CaSO4•2H2O+H2O→3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O
以上這些反應(yīng)都要使混和料發(fā)生體積膨脹.其中CaO與H2O反應(yīng)生成Ca（OH）2時，固體體積增大到原來的1.98倍；CaSO4溶解于H2O后一部分與活性Al2O3等、Ca（OH）2和水反應(yīng)生成3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O。（俗稱鈣礬石AFt）,固體體積增大到原來的2.22倍，另一部分結(jié)晶生成二水石膏CaSO4•2H2O，固體體積增加到原來的2.26倍。由此可見，SO3（CaSO4）對其膠凝材料的體積穩(wěn)定性具有很大的影響，是其開裂的主要原因。
在SO3含量較高的粉煤灰中有剩余的CaSO4存在.CaSO4的水化速度很慢，當(dāng)CaSO4的溶解度達(dá)到二水石膏的飽和溶解度，并結(jié)晶析出二水石膏時，已為水化過程后期。此時二灰混和料已經(jīng)有一定的強(qiáng)度。結(jié)晶出二水石膏時是伴隨有體積膨脹發(fā)生。這樣在混和料已有一定強(qiáng)度下發(fā)生體積膨脹就會導(dǎo)致二灰混和料穩(wěn)定層開裂。另外，粉煤灰中CaSO4與活性酸性金屬氧化物和CaO反應(yīng)生成鈣礬石同樣導(dǎo)致固體體積膨脹.由于SO3以CaSO4的形式存在，其水解速率也很慢。鈣礬石的生成是在二灰混和料及其膠凝材料水化反應(yīng)到一定程度時才能進(jìn)行，而此時膠凝材料已具有一定的初期強(qiáng)度，所以鈣礬石生成的體積膨脹也是二灰混和料開裂的主要原因之一。以上兩點就是為什么二灰混和料結(jié)構(gòu)開始已具有強(qiáng)度，但后來會發(fā)生體積膨脹進(jìn)而喪失強(qiáng)度的原因。
?。?） 地下水和地表水的侵害
蘇州地區(qū)水網(wǎng)發(fā)達(dá)，地下水位較高，且由于毛細(xì)現(xiàn)象，地下水易侵入道路工程中。另外，由于近幾年蘇州市注重綠化環(huán)境建設(shè)，目前的市政道路中分帶和綠化帶都較寬；而且經(jīng)常進(jìn)行澆水，但市政道路的中分帶和側(cè)分帶一般都未進(jìn)行防水施工，也未設(shè)置縱向排水盲溝和橫向排水管；所以綠化帶中的地表水也容易侵入道路基層和路基中。侵入基層中的水將對基層和路基產(chǎn)生破壞作用，同時也加劇SO3對二灰碎石基層的破壞。
3、 后期病害的具體原因分析
（1） 高填方路堤瀝青路面在中分帶處起拱的原因
高填方路堤瀝青路面在中分帶處起拱的原因主要是由于中分帶無相應(yīng)的防排水措施，從而使地表綠化水或雨水侵入基層中，在SO3含量較高處引起一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使二灰碎石基層體積膨脹，引起瀝青路面在中分帶處起拱。
?。?） 低路堤瀝青路面波浪形起拱的原因
低路堤瀝青路面波浪形起拱的原因是由于地下水位較高，地下水位已經(jīng)部分侵入到二灰碎石基層中，或者由于毛細(xì)管現(xiàn)象，地下水位侵入到基層中的程度不一樣；而且二灰碎石基層中的SO3含量分布也各不一樣，所以二灰碎石基層形成波浪形起拱，從而引起瀝青路面波浪形起拱。
?。?） 瀝青路面龜裂的原因
SO3在二灰碎石基層中形成的破壞主要是體積膨脹，強(qiáng)度下降。二灰碎石基層強(qiáng)度下降后，產(chǎn)生松散或開裂，并在行車荷載作用下，迅速破壞，從而引起瀝青路面的龜裂。
三、 二灰碎石基層后期病害預(yù)防改進(jìn)措施
1、 從設(shè)計方面
?。?） 地下水的防治
防治地下水對道路的破壞作用，應(yīng)特別注意路基上層的防護(hù)，因為路基上層是路面的支撐，是主要承重結(jié)構(gòu)層。目前解決地下水破壞的主要途徑是；路基工作層遠(yuǎn)離地下水位；人為降低地下水位高度；設(shè)置人工障礙物阻止地下水對路基的浸濕。首先應(yīng)從設(shè)計角度考慮對地下水的防治。
?。?） 地表水的防治
地表水的防治主要是防止綠化澆水和雨水侵入道路基層和路基。地表水主要是通過中分帶、側(cè)分帶、綠化帶侵入道路的，所以應(yīng)加強(qiáng)對中分帶、側(cè)分帶、綠化帶的設(shè)計，防止地表水通過中分帶、側(cè)分帶、綠化帶侵入道路。我們設(shè)想通過在中分帶、側(cè)分帶中設(shè)置縱向碎石盲溝和橫向排水管將中分帶、側(cè)分帶中的滲透水排出道路范圍以外。
2、 從原材料和施工控制方面
?。?） 粉煤灰中的SO3含量控制
從源頭對粉煤灰中的SO3含量進(jìn)行控制，對SO3含量偏高的粉煤灰廠家列入禁用名單。同時對在轄區(qū)內(nèi)供應(yīng)二灰碎石的廠家進(jìn)行定期檢查，檢查材料來源情況，并對粉煤灰中的SO3含量進(jìn)行重點抽檢。通過檢查和抽檢，對在轄區(qū)內(nèi)供應(yīng)二灰碎石的廠家實行準(zhǔn)入制度。
（2） 加強(qiáng)瀝青路面稀漿封層的施工
二灰碎石基層與瀝青路面之間必須施工防排水的下封層，如果條件允許，最好采用稀漿封層。同時應(yīng)加強(qiáng)稀漿封層的質(zhì)量控制。
四、 總結(jié)
針對目前二灰碎石基層存在的一系列后期病害問題，很多人提出用水泥穩(wěn)定碎石全面替代二灰碎石作為瀝青路面基層。但由于水泥穩(wěn)定碎石基層對拌合、攤鋪、碾壓及時間控制要求太嚴(yán)格，從加水拌合到碾壓成型必須在3到6個小時內(nèi)完成；對于一般的市政道路工程，沒有專門的水泥穩(wěn)定碎石拌合樓和成熟的攤鋪碾壓工藝，很難采用水泥穩(wěn)定碎石基層。
二灰碎石路面基層屬半剛性路面，整體性較好，其料源豐富、而且造價較低，易于施工。雖然在已經(jīng)通車的道路中出現(xiàn)了一些后期病害，但是通過以上分析，這些病害都是能采取措施進(jìn)行防治的，而且不會增加工程造價和施工難度，只需要加強(qiáng)管理力度。所以說，二灰碎石是比較理想的瀝青路面基層材料。
