原材料在道路基層施工特殊季節中的使用與控制

提要：本文通過對近年來二灰碎石基層出現的問題，從粉煤灰硫含量、混合料組成、原材料及冬季施工等方面，進行分析，并提出解決辦法。

關鍵詞：二灰碎石 硫含量 集料含量 冬季施工 建議

鑒于近年對環境保護的原因，各國特別是我國火電在電力能源中占75.6%的情況，以脫硫為主的潔煤技術應運而生。而隨之，在道路路基中以使用粉煤灰為主的二灰碎石做基層的部分城市，道路在施工完成后開放交通2、3個月到一年左右的時間內，出現縱向開裂、表面變形、疏松無強度等各類破壞情況，進而造成道路破壞問題。對此作者從以下幾個方面進行分析。

1 注重硫含量在粉煤灰中的作用

1.1 粉煤灰的由來及組成

煤炭在鍋爐中燃燒后有兩種固態殘留物—灰和渣。隨煙氣從鍋爐尾部排出的，主要經除塵器收集下來的固體顆粒即為粉煤灰，簡稱灰或飛灰；顆粒較大或呈塊狀的，從爐膛底部收集出來的稱為爐底渣，簡稱渣或大渣。從綜合利用角度講的粉煤灰，一般也包括渣，即灰渣的統稱。不同的爐型、燃料品種和粒度，所產生的灰、渣比例不同。

粉煤灰是一種活性礦物質細粉資源。研究表明，粉煤灰的細度不同，對硅酸鹽類水化物產物的影響也不同，細度愈細，其活性亦愈高。為了保證粉煤灰在建筑工程建設中的質量，各國均制定了相應的粉煤灰質量標準或應用技術規程。

粉煤灰的主要成分為氧化硅、氧化鋁及氧化鐵，其總量約占粉煤灰的85%左右。氧化鈣含量普遍較低，基本無自粘性；氧化硫及氧化鎂的含量較低。

1.2 我國城鎮道路工程規范（CJJ1-2008）及有關公路規范對基層混合料粉煤灰中硫含量沒有明確規定。而在有關建筑工程的規范中明確粉煤灰的硫含量小于3%的規定。

1.3 在近年來有關電廠改變工藝后，道路中使用粉煤灰的二灰碎石基層大量出現膨脹、開裂、松散等破壞現象。主要破壞現狀為：一種為開始道路表面沒有明顯破壞，繼而表面變形、凹凸不平且結構明顯，嚴重的可以將道路的側石及人行道頂起，路面嚴重表面起伏可達十幾公分，但道路不破損，挖出時基層板塊成型較好，強度較高，難以破除；另一種情況是龜裂、縱橫開裂，繼而形成破損，從破損處挖出集料質地疏松、無強度，基本呈散粒狀，縱有塊集料，也是很易擊碎，與新拌混合料一樣，而且基層含有大量水分。

1.4 通過大量觀察和實驗，我們發現高硫含量（達8~20%）可能是造成道路損壞的主要原因之一：

隨著環保要求及電廠工藝的改變，大量的硫留在了電廠的最終產物—粉煤灰中。盡管在有些地區對粉煤灰采取措施后，高硫粉煤灰也起到提高早期抗壓強度和干燥收縮減小的效果（例如南京下關電廠的LIFAC脫硫灰制作的路基混合料），但其需一段穩定的時間。

由于脫硫灰中含有大量的SO3，而SO3在粉煤灰中是以CaSO4存在的，CaSO4遇水發生反應產生水化物，在路基強度形成的后期（特別是在合適的氣溫時）發生體積膨脹，導致路面基層出現開裂，造成破壞。具體過程

CaO+H2O→Ca（OH）2

CaSO4+H2O→CaSO4·2H2O

3CaO·Al２O３·６H2O+3CaSO4·2H2O+H2O→3CaO·Al２O３·CaSO4·32H2O

以上反應都是使混合料發生體積膨脹，其中CaO與H2O反應生成Ca（OH）2時，固體體積增大到原來的1.98倍，CaSO4溶解于

H2O后一部分與活性的Al２O３等、Ca（OH）2和水生成3CaO·Al２O３·CaSO4·32H2O（俗稱鈣礬石AFt），固體體積增大到原來的2.22倍，另一部分結晶生成二水石膏CaSO4·2H2O，固體體積增大到原來的2.26倍。由此可見SO3（CaSO4）對其膠凝材料的體積穩定性具有很大的影響，是路基膨脹開裂的主要原因。

在SO3含量高的粉煤灰中，有剩余的CaSO4存在，CaSO4的水化很慢，當CaSO4的溶解度達到二水石膏的飽和溶解度，并結晶析出二水石膏時，已是水化過程后期，此時二灰碎石已經具備一定的強度。另外，粉煤灰中的CaSO4與活性酸性金屬氧化物等的反應生成的鈣礬石同樣導致體積膨脹，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碎石混合料及其膠凝材料水化反應到一定程度時才進行，而此時膠凝材料已具有一定的初期強度，所以鈣礬石的生成體積膨脹也是二灰碎石基層膨脹開裂的原因之一。以上也就是二灰碎石基層開始具有強度，但后期會發生體積膨脹變形或是破損喪失強度的一部分原因。

2 基層中細集料的含量的范圍

二灰碎石混合料屬于固結（膠結）密實穩定結構，其成型強度主要依賴于二灰，特別是質量和數量所提供的固結作用，而體積穩定性則主要由結構狀態密實程度和空隙率大小決定?，F行《公路路面基層施工技術規范》JTJ034-2000修訂說明中，有關此類混合料組成設計原理的論述，在涉及其結構狀態方面，仍然認定當二灰與粒料之比在15：85~20：80時，混合料就是骨架密實式結構。當級配最大粒徑為30mm、粗集料（篩孔直徑4.75mm以上的）含量低于55%時，我們認為它應是懸浮密實結構，而形不成粒料骨架。兩種結構形成的機理和效果不盡相同，其要求也有所區別：前者應使主骨料能相互接觸而又不過分嵌擠，骨架間隙盡量填實；后者重在總體密實，減小空隙率，石灰粉煤灰在起膠凝而不是填隙的作用。而由于各個施工單位對二灰碎石的掌握不盡相同，也由于經濟利益的考慮和石料原材料的采購情況、質量控制等原因，各設計配合比按照骨架密實式結構設計，而真正施工時采取的又是摻加大量的細骨料，使結構成為懸浮密實結構。現舉例常州中吳大道城市化改造工程一個標段的事例：設計二灰碎石配合比為石灰：粉煤灰：石料=5：15：80

通過對比我們可以看出施工的結構與原有設計有巨大的變化，造成機理變化。懸浮型在相同的壓實手段下更易達到和控制，得到的結構密實度可能稍高，與實驗室出的標準對比，更易于達到設計要求，也就出現評定不能真實的反應實際情況。

另外對二灰原材料中的通過0.075mm篩孔含量，《城鎮道路工程施工與質量驗收規范》CJJ1-2008中明確規定0~7%之間。而我們現階段由于各種原因，對此檔控制不是很嚴，大量的原材料超過規范要求。

而正是這種骨料偏細的混合料對水的敏感性比較大。從機理和實驗結果表明，當溫度在0~10℃時，在最佳含水量附近總出現最大的溫縮系數。干縮的原理是由于水的蒸發而產生的毛細管作用、吸附作用、分子間作用、材料礦物晶體或凝膠體間水的作用、碳化收縮作用等引起的整體宏觀體積變化，就使細骨料較多懸浮式二灰粒料更易產生干縮裂縫，其最大干縮應變（827με）約為密實式二灰碎石的三倍（233~273με）。

由于細集料較多出現對水的敏感，收縮裂縫出現，水進入裂縫加速對路基的破壞，如再在開放交通的車輛荷載作用，道路路基的損壞將進一步加快。

3 冬季施工的基層特殊注意

道路規范規定，石灰穩定土類基層宜在冬季30~45d完成施工，這是由于粉煤灰在冬季低溫，特別是低于5度下，強度增長很慢，甚至停止增長。

基層的抗凍性可以通過一定的凍融循環后進行測試，經過粉煤灰在混合料中的作用，可以看出粉煤灰摻加到一定程度，其抗凍性降低。這主要是碳分的危害作用來自其多孔體，可以把其看作是一個蓄水中心，在嚴寒氣候下形成冰屑影響基層的耐久性。而且粉煤灰其燒失量造成比表面積，使其對水等吸附也對基層抗凍性有顯著影響。

石灰與粉煤灰的水化作用與水泥混凝土對比是緩慢的，特別在早期（28d齡期內）。假定一年齡期的強度為1，則不同養護時間強度見表。二灰混合料在潮濕養護條件下，幾年強度將持續增長。

另外，二灰混合料同混凝土相似，強度受溫度影響較大，冬季施工時，強度增長緩慢，甚至停止增長，因此這種混合料要避免冬季施工，否則應摻加早強劑。上海等地已成功研究并生產二灰碎石早

強劑，并在生產實踐中取得了良好效果，解決了冬季施工的一些難

題。

4 在基層控制中要點

鑒于以上原因，在排除施工工藝等因素的情況下建議

4.1 對二灰碎石混合料中硫的含量指標予以重視，加強控制和檢測。

4.2 再選取粉煤灰材料時，加強對電廠煤灰燃燒及排灰工藝的了解。建議在檢測硫含量等各項指標的情況下，加強對混合料各齡期的強度試驗（7d，28d，60d，90d甚至更長時間1年），分析其強度增長的規律，探索使用體積穩定性試驗進行驗證使用。

4.3 避免冬季施工，建議避免極端氣溫，同時調整設計配合比，添加早強劑等冬季施工的外加劑，確保強度。

4.4 控制好混合料原材料質量，嚴格按照設計施工。嚴格控制篩孔小于0.075mm以下含量，適當增加2mm以上的集料含量，合理控制混合料含水量。

4.5 合理控制道路的開放交通時間。

5 結束語

在過去二灰碎石基層研究和施工中，對硫的含量雖然近年有所重視，但對粉煤灰的使用還需進一步研究探討使用，使這種廢料繼續為道路工程發揮作用。另外對二灰碎石使用過程中，對級配和原材料的控制應一起重視，特別是冬季施工時，如何按照規范進行施工還需進一步探討，繼續解決以上三個原因引起的道路路基的破壞問題。

參考文獻：

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2008·中國建筑工業出版社，2008.4.

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