二灰碎石混合料組成結構及強度形成機理分析

【摘 要】二灰碎石基層是近年來公路工程普遍采用的半剛性結構，因其施工工藝和質量控制較難，易產生收縮裂縫，從而造成工程質量隱患。本文闡述了二灰碎石混合料的組成結構、技術性能要求及其強度形成機理等，供同行借鑒。

【關鍵詞】二灰碎石混合料；組成結構；技術性能；強度機理

二灰碎石基層屬于石灰工業廢渣穩定土基層的一種。它是用石灰、粉煤灰與具有一定級配的碎石加水拌和，經壓實及養生后所形成的路面基層。這種基層具有強度高、板結性好、抗水毀能力強、分布荷載能力大，料源豐富和造價低廉的優點，因而倍受青睞。

1、二灰碎石組成結構

1.1礦料級配理論

礦質混合料的級配是將各種不同的粒徑的集料，按照一定的比例搭配起來，以達到較高的密實度和較大摩擦力，良好的礦料級配應使礦料之間緊密接觸，集料能與二灰結合料之間形成較好的交互作用，壓實成形后使混合料的空隙率最小，以保證二灰碎石混合料具有足夠的力學強度、水穩定性、抗收縮性能、抗沖刷性能及疲勞性能等路用性能。

1.2二灰碎石組成結構

二灰碎石混合料的路用性能與它的結構特點有著非常密切的關系。混合料的結構是指混合料各組成材料之間相互作用的特點，相對位置分布及相互聯系的狀況。因此，混合料的結構特性與其材料組成、材料力學性能及各組成部分之間的相對位置密切相關，混合料受力變形特性是各結構特性組成因素的綜合反映，即混合料力學特性與結構特性成對應關系。當組成二灰碎石混合料結構特點的各因素發生變化時，混合料的力學特性也會發生變化。

混合料的結構強度在很大程度上取決于混合料的內摩阻力和粘結力。在混合料中，各結構組分的變化，會對整個混合料受力產生直接影響，從而使混合料具有不同的變形特性。其結構特點主要有以下三種情況：

1.2.1.密實懸浮結構

這種結構形態的二灰碎石混合料，通常采用連續型密級配，骨料的顆粒尺寸由大到小連續存在。這種結構中含有大量細料，而粗料數量少，且相互間沒有接觸，不能形成骨架，粗顆粒猶如“懸浮”于細顆粒之中。三軸試驗表明，該種結構雖然具有較高的粘聚力，但摩阻角較低，其強度主要受粘結力所控制，在外部荷載作用下，易產生破壞。由此而修筑的二灰碎石基層，受二灰性質的影響較大，因而其抗收縮性能較差，使基層容易開裂，破壞了基層的整體性，是造成路面結構破壞的因素之一。

1.2.2骨架空隙結構

采用連續開級配的二灰碎石混合料屬于這一結構類型。在這種結構中，粗骨料較多，而細料數量過少，因此，雖然能夠形成骨架，但其殘余空隙較大。三軸試驗表明，雖然此種結構粘聚力較低，但其內摩阻角較大，其強度主要取決于內摩阻力，粘聚力相對是次要的。由此而修筑的二灰穩定碎石基層，受二灰性質的影響較小，因而其抗收縮性能較好，但由于其空隙率太大，使基層的耐久性受到影響。

1.2.3密實骨架結構

密實骨架結構是綜合以上兩種類型組成的結構。二灰碎石混合料既有一定數量的粗骨料形成骨架，又根據殘余空隙的多少加入細料，從而使混合料形成較高的密實度。這種結構的混合料三軸試驗表明，此種結構不僅具有較高的內摩阻角，而且具有較高的粘聚力。理論上講，屬于該種結構類型的二灰碎石混合料具有最優的力學性能、抗收縮性能和抗沖刷性能。

2、二灰碎石混合料技術性能要求

2.1要有足夠的強度和剛度：在結構厚度一定的條件下，從材料組成上看，基層的強度主要來自于兩個方面，一是依靠集料的骨架嵌擠作用，二是取決于無機結合料的水硬性膠結及填充作用。

2.2具有足夠的水穩性和冰凍穩定性：路表水會通過各種途徑進入路面結構中；在地下水位接近地表的地段，特別在路基填土不高時，地下水可通過毛細作用進入土基上部和路面結構層：在冰凍地區，由于冬季水分重分布的結果，路基上層和路面底基層都有可能處于潮濕或過濕狀態。這就要求基層材料在水的作用下，其強度、整體性和剛度不會明顯的下降，并且在冬季有一定的承受凍融循環作用的能力。

2.3具有足夠的抗沖刷能力：國內外的調查研究表明，二灰碎石基層材料的沖刷及由之而產生的唧泥現象是經常存在的，而這些現象均與基層材料的組成特性有關。無論沖刷作用發生在水泥混凝土路面還是發生在瀝青路面上，其沖刷過程大都是相同的，即在較大行車荷載作用下，首先在路面各層的交界面上形成空隙（沖刷腔），然后在流動水的參與下發生沖刷作用，沖刷作用的發生進一步擴大了沖刷腔，沖刷現象在這個“惡性循環”中越來越嚴重，路面的脫空現象也隨之迅速增大，直至路面結構發生破壞。

2.4具有良好的抗裂性能：基層材料隨著溫度和濕度的變化，產生一定的拉應變，如果超過材料允許拉應變，基層就會開裂。基層的收縮開裂不僅破壞基層結構的整體性而降低其強度，并且這種裂縫很容易在面層上形成反射裂縫，因此希望基層的收縮量越小越好。二灰碎石基層材料的收縮主要包括由于失水而產生的干燥收縮和因溫度降低而產生的溫度收縮兩大方面。

3、二灰碎石混合料強度形成機理分析

石灰粉煤灰穩定碎石在壓實成型后，系由固相（石灰、粉煤灰、碎石）、液相（水溶液）和氣相（空氣）三相組成。三相之間相互作用的結果，使得石灰粉煤灰穩定碎石混合料具有較高的強度和剛度，從而滿足了二灰碎石混合料作為路面基層的性能要求。

構成二灰碎石混合料強度的因素包括兩方面，即由礦質顆粒之間的內摩阻力和嵌擠力，以及二灰結合料及其與礦料之間的粘結力和內聚力所構成。

二灰碎石混合料加水拌合后，通過機械壓實，使得集料在混合料中重新緊密排列，使其充分發揮骨架作用。成型初期，可以認為二灰混合料未發生化學反應，其強度主要來自密實骨架的內摩阻力，以及顆粒間水膜與相鄰顆粒之間的分子引力所形成的“原始粘聚力”。隨著時間的推移，混合料內的固液相之間發生一系列物理和化學作用，并生成一系列具有膠結作用的物質，使得混合料中顆粒與顆粒之間的連接加固，形成“固化粘聚力”，這是二灰碎石混合料強度形成的主要來源。

當體系生成物濃度達到一定值時，它們便互相嚙合形成網狀結構，進而形成凝膠，此時，盡管體系中仍有大量的水分存在，但它們已被大量的網狀膠粒包圍而不能自由運動。上述反應都是通過離子吸附和交換而完成。如果生成物膠粒水化膜的粘滯力小于膠粒間的范德華作用力，就有可能把微粒間夾層水膜排擠出去，當微粒直接接觸后，將形成化學鍵，緩慢地生成硅、鋁等含氧酸的復合物結晶，新生晶體會逐漸長大、發展，形成網絡結構，并逐漸脫水干涸以穩定的結晶縮合結構成為結晶整體，而成為具有較高強度的水穩性材料。

不言而喻，形成二灰碎石混合料強度的另一個必要條件是壓實。當混合料加水拌和后，應及時碾壓，讓上述的化學反應在壓實了的混合料中進行，如果不壓實，化學反應照常進行，但形不成網絡結構，充其量，反應后的混合料變為一堆具有一定水穩定性的松散集合體，沒有強度，不能形成板體結構。

隨著齡期的延長，水化產物在過飽和溶液狀態下以微晶體形式析出，并由玻璃體表面伸展到二灰穩定碎石固相間的空隙，互相聯生，形成二維的結晶體網狀結構，且將固相顆粒聯結成一整體，形成了很高的聯結強度。火山灰反應是一個緩慢、長期的過程，這是使二灰穩定碎石混合料具有較高后期強度的根本原因。當二灰中的水化硅酸鈣膠體析出之后，猶如水泥石一樣，能將作為骨料的碎石緊緊地膠接在一起，形成一個堅實的整體，逐漸產生一定的強度。并且強度隨著齡期的增長而增大。