二灰碎石石灰劑量化學分析之若干問題探討

劉 葵

（吉林省交通投資開發公司,吉林 長春 130033）

0 前言

由石灰、粉煤灰及具有一定級配的碎石組成的二灰碎石，由于其后期強度高，板體性好且有良好的封水性能等優點，廣泛地用于高等級道路的基層。然而，二灰碎石雖然后期強度較高，但其早期強度卻較低，故在《公路路面基層施工技術規范》（JTJo34-93）中，規定對于高速和一級公路7 d強度為0.5 MPa，二級及二級以下7 d強度為0.6 MPa，遠低于其后期強度。粉煤灰在早期強度中發揮很小的作用，早期強度的高低主要取決于其中的石灰質量和劑量。其次，二灰碎石中設計石灰劑量的含量，是根據二灰碎石混合料的抗壓強度、溫縮和干縮試驗確定的。石灰劑量過多或過少都不利于發揮二灰材料的優良路用性能。為了讓二灰碎石中石灰與粉煤灰的比例滿足混合料組成設計的要求，測定二灰碎石中的石灰劑量是工程質量控制中不可缺少的重要環節。目前，國內還沒有二灰碎石中石灰劑量的快速測定方法。筆者在“長哈高速公路路面結構研究”課題路面試驗段的實施過程中，曾經對二灰碎石中石灰劑量的測定方法進行探索研究，提出了一整套測定二灰碎石石灰劑量的方法，并取得很好的效果，對高質量完成試驗路任務起到了積極的作用。因此，如何準確測定二灰碎石中的石灰劑量，對二灰碎石的施工具有一定的指導作用和現實意義。

1 原材料

1.1 石灰

石灰采用生石灰,產于河北省靈壽縣,經試驗,其主要的化學成分及其他性質如下表1所列。

按交通部JTJ034-2000《公路路面基層施工技術規范》的石灰的技術標準,該石灰CaO+MgO的含量為86.33%,達到I級鈣質石灰的要求。

表1 生石灰主要化學成分一覽表

1.2 粉煤灰

粉煤灰取江蘇省五小浦熱電廠的濕排灰,根據其中心實驗室提供的資料及結合自己分析的結果,其主要的化學成分及其他性質如表2所列。

表2 粉煤灰主要化學成分一覽表

其比表面積為 2 800 cm2/g。其SiO2+Al2O3+Fe2O3的含量占83.4%。從表2可知,該粉煤灰的各項指標均符合交通部JTJ034-2000《公路路面基層施工技術規范》的要求。

1.3 水

一般情況下均采用自來水。

2 粉煤灰、石灰比例確定

2.1 石灰、粉煤灰比例的確定

根據前面對粉煤灰、石灰的化學分析結果,石灰∶粉煤灰不同的比例基本確定。其比例如表3所列。

表3 石灰、粉煤灰比例分配表

分別對不同的比例做了擊實試驗,并對不同比例做了7 d、14 d、28 d的無側限抗壓強度,得出二灰配合比的最佳區間。

2.2 無側限抗壓強度試驗

取石灰與粉煤灰,風干后過5 mm的圓孔篩,測出它們的風干含水量,含水量進行不同的預制,加水拌和浸潤后,對不同比例的二灰做重型擊實試驗。測定不同比例二灰的最大干密度與最佳含水量。測定結果如表4所列。

表4 二灰比例測定表

根據表4中的不同比例二灰的最大干密度與最佳含水量,對不同比例二灰按規定達到的壓實度(95%)分別制取3組7 d無側限抗壓強度試件,1組14d、28 d無側限抗壓強度試件(試件尺寸為直徑與高度均為10 cm的圓柱體)。在規定的溫度(25℃+2℃)封閉恒溫濕汽養護箱內保溫保濕封閉養生至規定齡期前一天,然后浸水1d,測定其無側限抗壓強度。其各組強度如表5所列。

表5 無側限抗壓強度試驗結果一覽表（單位：MPa）

2.3 二灰配合比的最佳區間的確定

分析表5的數據可以看出:隨著二灰比例的增大,其無側限抗壓強度也增大,當到達一個最高強度后,隨著二灰比例的增大無側限抗壓強度反而降低。由此可以確定最佳的二灰比例應在35/65左右。而此時CaO與粉煤灰中SiO2含量的比值CaO/SiO2為0.95,這與前文所提到的，當CaO與粉煤灰中SiO2含量的比值，即CaO/SiO2為0.8～1.0時,對火山灰反應推動力最大,反應生成物最多,有利于二灰集料的強度的理論是相符的。

3.恐龍化石。二連浩特是亞洲最早發現恐龍及恐龍蛋化石的地區之一，是世界最大的白堊紀恐龍化石埋藏地，境內擁有134平方公里國家級地質公園。近百年來，先后有俄、美、瑞典、加拿大、日本、比利時、意大利等國的古生物學家來二連進行科學考察，發現了大量的恐龍化石，取得了重要研究成果。二連盆地的恐龍化石生物群是晚白堊紀恐龍生物群的代表，恐龍化石種類多、分布廣、保存完好，反映了晚白堊紀恐龍生物群的主要特征。這些恐龍化石雖然不能直接產生經濟效益，但是作為一份來自遠古歷史的禮物它們成為了二連浩特一張獨特的名片，吸引著世界范圍內游客的目光，這真是一種取之不盡、用之不竭、綠色生態可持續的經濟產業。

另外,分析表5的數據可以看出:隨著齡期的增長,強度的峰值會逐漸往二灰比例增大的方向移動。對此，可以這樣理解:在二灰中以顆粒狀態存在的居多,在短時間內參加反應的石灰數量較少,多余的石灰就以“游離狀態”存在,對強度增長不利,所以峰值出現較早。隨著時間增長參與反應的石灰逐漸增加,所需的石灰數量也相應增加,所以峰值在隨著齡期的增長會逐漸后移。

所以,根據以上數據及分析,該項試驗確定二灰的最佳比例為35/65,即石灰與粉煤灰中的比值，即CaO/SiO2為 0.95。

3 測試方法

3.1 準備階段

石灰:消解石灰，Cao含量58.3%，三級石灰。碎石:經篩分試驗，符合級配要求。試劑;均按《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTJ057—94）重新配制。石灰、粉煤灰、碎石烘干，然后按表6稱取混合料3 000 g，再按最佳含水量每份加人225 ml水，并悶料8 h，之后用四分法分為二組，二份直接稱取300 g濕料，其余二份過5 mm篩后稱5 mm以下細料300 g，備作試驗用。

表6 混合料用量一覽表

3.2 滴定試驗

操作嚴格按JTJO57一94進行。結果如表7及表8所列，標準曲線如圖1所示。

由表7及表8結果可知，過5 mm篩后，在同等石灰劑量條件下，其EDTA消耗量較混合料大，這主要是由于在同樣300 g重的試樣中，細料中的實際石灰劑量較混合料高。

3.3 比較試驗

為了驗證采用哪一條標準曲線更能反映實際情況，在同一施工現場分別從不同的7個點取7組試樣，其中一組用于篩分試驗，級配符合設計要求，另6組進行石灰劑量對比試驗，每組一分為二，一份用混合料測定，另一份過篩后用細料測定，均按上述標準曲線試驗方法進行(但免去加水悶料過程)，測定結果如表9所列。

根據上述實驗結果，采用細料法測得的石灰劑量都比較相近，而采用混合料法，則離散性大。從實際情況出發，實驗配比石灰劑量雖為6%，但在生產過程中，石灰按7%控制。因而，采用細料法滴定石灰劑量較符合實際。所以，該路段二灰碎石施工中均采用過5 mm篩的細料法來控制其石灰劑量。

表7 混合料滴定試驗結果表

表8 細料滴定試驗結果表

圖1 標準曲線圖

表9 對比試驗匯總表

3.4 鈣電極法的測定

用鈣離子選擇電極測定石灰劑量是基于Nernst原理。按該原理，由鈣離子選擇電極和參比電極構成的測量電池的電動勢E與鈣離子活度成對數線性關系。

式中，a1為鈣離子濃度。

測量溶液的離子活度等于活度系數與溶液鈣離子濃度的乘積。當活度系數固定為一常數時，測量電池的電動勢與離子濃度成對數關系。對于不同摻灰量的石灰土混合料，經氯化鈣溶液浸提后，生成不同量的氯化鈣。而鈣離子選擇電極能將不同量的鈣離子以電位的形式在儀器上顯示出來。將一組事先制備好的不同灰劑量的浸提液，用鈣電極測定對應的一組電位值，由此繪制電位—灰劑量標準工作曲線。施工現場混合料經處理浸提后，由鈣電極測定其電位值，查事先繪制好的標準工作曲線，可求得摻灰劑量。

4 影響二灰碎石中石灰劑量測試結果的主要因素

4.1 配合比的影響

對于集中采用拌和機拌料，只要調試準確，加強控制，配合比一般不成問題，但采用路拌，常常會導致配合比失控，所以測得的石灰劑量自然就不準了。

4.2 取樣影響

對于二灰碎石取樣，原則上應在施工現場取，但一些試驗人員為了方便，常在拌和廠取，由于在拌和廠混合料是堆放的，往往大顆粒碎石滾落在四周，越低碎石含量越高，而人又不容易爬上去，則只能在料堆四周取，這樣取的試樣若用混合料法勢必石灰劑量過低，而采用過篩法則能消除其部分誤差。總之，在拌和廠取樣，無論是在四周取還是在料堆頂部或中間取，由于其配合比發生變化，所測的石灰劑量均不能反映真實情況。正確的取樣方法應在攤鋪機之后，且在壓路機未碾壓前取，這樣取的混合料經裝卸車和攤鋪機拌和后比在拌和廠的料堆更均勻，更能反映施工實際情況。

4.3 含水量的影響

采用廠拌，一般來講，水量能得到控制。而對于路拌人工加水，常常含水量控制不好。從目前施工情況來看，采用人工加水，即使拌和均勻，但往往含水量偏高，一般要比最佳含水量高出3到5個百分點。如果取這樣的濕料做石灰劑量試驗，在300 g濕試樣中，若最佳含水量為7.5%，則試樣中的干料要減少8～13 g，當然測得的石灰劑量就偏低了。若遇到這種情況，正確的方法應讓試樣涼曬至最佳含水量左右再測其石灰劑量。

4.4 試驗中的人為影響

這主要表現在:(l)試驗方法與標準曲線試驗方法不一致;(2)化學試劑放置時間過長失效;(3)操作不規范;(4)試驗人員對溶液變色認同不一或視差影響等。

5 工程實例

長哈高速公路試驗路段，二灰碎石的混合料組成設計為碎石80%，石灰粉煤灰占20%。設計石灰劑量為石灰:粉煤灰為l∶2。先摻制五種劑量為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5 的二灰，再按設計級配要求配制級配碎石，并按二灰:級配碎石為20∶80的比例配制五種二灰碎石混合料。充分拌勻，分制用四分法縮減至1 000 g，過2.5 mm篩孔，取50 g二灰樣本制備浸提液，8月10日首次測試結果為:

據此測量結果，在半對數紙上可作出灰劑量電位與相對應的工作曲線。工作曲線須經常校正，比如8月10日和8月18日測定標準劑量為25%的電位值分別為51.3 mV和58 mV因偏差太大，須重新制作工作曲線。

6 結語

總之，二灰碎石作為路面基層，一般均有強度要求，但在施工過程中，一些施工單位往往不重視對二灰碎石早期強度起決定作用的石灰劑量的檢測。為此常常導致二灰碎石7 d抗壓強度不夠(當然也可能還有其他原因)。因此，能否重視和加強施工期間石灰劑量的檢測，是二灰碎石質量能否得以保證的一個重要手段。為了能準確地控制好二灰碎石的施工質量，建議在測石灰劑量的同時，應做相應的級配篩分試驗，只有配合比滿足設計要求，測得的石灰劑量才是有意義的。

[1]盧征.重慶地區二灰碎石基層的設計和施工控制[J].山西建筑,2009，(28):262-264.