二灰碎石基層后期病害成因分析及改進(jìn)措施
關(guān)鍵詞：二灰碎石；起拱；SO3
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(jià)較低，易于施工等優(yōu)點(diǎn)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(shí)拌合均勻，并在現(xiàn)場(chǎng)攤鋪碾壓壓實(shí)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(zhǎng)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(méi)有粘性，當(dāng)它與水和消石灰相混合時(shí)，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(guó)對(duì)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(yùn)會(huì)，政府加強(qiáng)對(duì)空氣和環(huán)境污染物的控制，很多電廠都實(shí)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(chǎng)上的粉煤灰SO3含量都偏高。
3、 地下水對(duì)道路的侵害
地下水對(duì)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(guò)程，同時(shí)還有土層應(yīng)力狀態(tài)的改變過(guò)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(guò)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(huì)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(shí)間不長(zhǎng)，就產(chǎn)生了起拱等質(zhì)量問(wèn)題。我們對(duì)起拱后的十余條道路瀝青路面挖開(kāi)檢查，發(fā)現(xiàn)二灰碎石基層已經(jīng)完全松散，無(wú)強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)起拱道路現(xiàn)場(chǎng)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
�。�1） 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
�。�2） 瀝青路面龜裂
2、 后期病害成因的原理分析
（1） 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(shí)，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(kāi)裂.具體過(guò)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(shí)，固體體積增大到原來(lái)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(lái)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(lái)的2.26倍。由此可見(jiàn)，SO3(CaSO4)對(duì)其膠凝材料的體積穩(wěn)定性具有很大的影響，是其開(kāi)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(shí)，已為水化過(guò)程后期。此時(shí)二灰混和料已經(jīng)有一定的強(qiáng)度。結(jié)晶出二水石膏時(shí)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(huì)導(dǎo)致二灰混和料穩(wěn)定層開(kāi)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(shí)才能進(jìn)行，而此時(shí)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(kāi)裂的主要原因之一。以上兩點(diǎn)就是為什么二灰混和料結(jié)構(gòu)開(kāi)始已具有強(qiáng)度，但后來(lái)會(huì)發(fā)生體積膨脹進(jìn)而喪失強(qiáng)度的原因。
�。�2） 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(duì)基層和路基產(chǎn)生破壞作用，同時(shí)也加劇SO3對(duì)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(wú)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。
�。�2） 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。
�。�3） 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(kāi)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(jì)方面
�。�1） 地下水的防治
防治地下水對(duì)道路的破壞作用，應(yīng)特別注意路基上層的防護(hù)，因?yàn)槁坊蠈邮锹访娴闹�，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(duì)路基的浸濕。首先應(yīng)從設(shè)計(jì)角度考慮對(duì)地下水的防治。
�。�2） 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(guò)中分帶、側(cè)分帶、綠化帶侵入道路的，所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)中分帶、側(cè)分帶、綠化帶的設(shè)計(jì)，防止地表水通過(guò)中分帶、側(cè)分帶、綠化帶侵入道路。我們?cè)O(shè)想通過(guò)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
�。�1） 粉煤灰中的SO3含量控制
從源頭對(duì)粉煤灰中的SO3含量進(jìn)行控制，對(duì)SO3含量偏高的粉煤灰廠家列入禁用名單。同時(shí)對(duì)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(lái)源情況，并對(duì)粉煤灰中的SO3含量進(jìn)行重點(diǎn)抽檢。通過(guò)檢查和抽檢，對(duì)在轄區(qū)內(nèi)供應(yīng)二灰碎石的廠家實(shí)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(shí)應(yīng)加強(qiáng)稀漿封層的質(zhì)量控制。
四、 總結(jié)
針對(duì)目前二灰碎石基層存在的一系列后期病害問(wèn)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(duì)拌合、攤鋪、碾壓及時(shí)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(gè)小時(shí)內(nèi)完成；對(duì)于一般的市政道路工程，沒(méi)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(jià)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(guò)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(huì)增加工程造價(jià)和施工難度，只需要加強(qiáng)管理力度。所以說(shuō)，二灰碎石是比較理想的瀝青路面基層材料。
