二灰碎石基層路面膨脹起拱損壞原因與修復技術研究

王衛星+潘大榮

摘 要：二灰碎石基層路面在使用過程中會出現膨脹起拱損壞。該文在分析二灰碎石膨脹原因的基礎上，采用針對性研制的地聚合物摻料對原來損壞的基層路面進行了現場修復試驗，試驗結果表明，采用這種技術能夠充分利用原有基層材料，修復后的基層強度滿足設計要求；但是在施工過程中要嚴格控制含水率的影響，這對施工技術提出了更高的要求。

關鍵詞：二灰碎石 基層 膨脹 路面修復 施工技術

中圖分類號：TU411. 6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（a）-0011-04

Abstract：Lime-fly ash concrete foundation pavement would expanded and hunched up to damage during use. Based on analysis of reasons for expansion of Lime-fly ash concrete， with the specially developed polymer admixture， the on-site repair test on damaged pavement was execute. Test results show that： this technology can make full use of the existing base material； strength of the base after the restoration meets the design requirements； but in the construction process the influence of moisture content should by strictly controlled， it puts forward higher requirements for construction technology.

Key Words：Lime-fly ash concrete； Foundation； Expansion； Pavement repair； Construction technology

二灰（石灰—粉煤灰）碎石基層作為一種半剛性基層由于具有較高的強度，剛度以及優良板結性、抗裂性而在市政道路上得到廣泛運用，但是，近年來，在定期對市政道路進行檢測評價的過程中發現：江蘇蘇州、鹽城、常州等地多次出現鋪筑在石灰粉煤灰穩定碎石基層上的瀝青面層出現膨脹起拱、嚴重龜裂等損壞現象，在某些調查路段（如常州市人民東路），損壞面積達到1/10，有的甚至達到1/5。起拱值一般在4～10 cm左右，有的甚至達到20 cm（見圖1）。

為此，國內外許多學者對二灰碎石基層損壞的成因進行了分析并對施工質量控制進行了研究[1-3]，同是也對瀝青路面的修復技術進行了大量研究[4-5]。但是這些技術沒有考慮道路基層膨脹對瀝青路面的影響，如果不對破損路面的道路基層進行處理，只對瀝青路面面層進行修復，整個路面后期還將繼續起拱。為此該文在對二灰碎石基層路面起拱成因分析的基礎上，開展對于市政道路起拱破損的現場修復技術以及相應施工技術的研究。

1 二灰碎石基層破壞成因

二灰碎石基層即為石灰、粉煤灰和級配碎石粒料通過拌和、攤鋪、碾壓及養護形成的路面基層；其中石灰、粉煤灰在基層中起到膠結作用，級配碎石粒料起到骨架的作用。

1.1 破壞原因調查

二灰碎石基層產生膨脹的原因主要有以下幾個方面[6-7]：

（1）二灰碎石本身的濕脹性。濕脹干縮是材料最基本的物理性能，在底基層或基層的上封層或者防水層處理措施不當等情況下，局部會出現遇水膨脹現象。

（2）過量石灰導致的膨脹性。拌合不均或者施工管理不嚴時候，會出現局部富集石灰，結晶作用和碳酸化作用時間較長，局部過高的石灰含量會破壞原有結構，形成膨脹現象。

（3）過燒石灰導致的膨脹性。如在石灰中混雜少量的過燒石灰，由于過燒石灰反應特點會導致二灰碎石出現后期膨脹。

（4）硫元素（SO3）的影響。高硫粉煤灰，特別是脫硫灰，將在一定的條件下，形成石膏，石膏是具有一定膨脹性的特質，進而形成膨脹開裂。

（5）鈣礬石（），過量的石膏，在一定的條件下，可以進一步形成鈣礬石，石膏和鈣礬石都會結合大量結晶水，從而導致二灰碎石出現后期膨脹。

（6）溫度的影響。跨基工程如果橫跨冬春季節，會出現冬凍春融問題，在凍融條件下會對二灰碎石本身產生較大影響，局部會出現凍脹—濕脹復合現象。

1.2 破壞成因分析

針對導致二灰碎石出現膨脹現象的可能原因，通過調查施工現場以及對二灰基層的采樣分析，發現施工過程符合施工規范，不存在拌合不均、防水層處理措施不當等因素的影響，施工季節也不會產生凍脹現象。

對二灰碎石的組成（質量比：石灰15%，粉煤灰5%，碎石為級配碎石占比80%）進行了化學分析，發現樣品中的粉煤灰采用的是高硫粉煤灰混雜脫硫粉煤灰，硫含量嚴重超標。

脫硫粉煤灰是電廠為了環保在發電時加了一道脫硫工藝，即采用石灰（石）直接噴射等方法對燃煤熱電廠的煙氣進行脫硫處理，并且脫硫后的灰渣重新回到粉煤灰中，結果使粉煤灰中硫的含量大大增加。脫硫粉煤灰中硫含量（以SO3形式存在） 明顯高于未脫硫的粉煤灰。

在粉煤灰中硫元素（SO3）是以CaSO4的形態存在的，含有CaSO4的粉煤灰應用于路面基層時，遇水發生反產生水化產物，在路面基層強度形成的后期發生體積膨脹，致使路面基層出現開裂，具體過程[8]：

CaO+H2O→Ca（OH）2

CaSO4+H2O→CaSO4·2H2Oendprint

3CaO·Al2O3·6H2O+3CaSO4·2H2O+H2O

→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

這些反應都要使混和料發生體積膨脹。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Al2O3等、Ca（OH）2和水反應生成鈣礬石3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，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，固體體積增加到原來的2.26倍。由此可見，SO3（CaSO4）對基層的體積穩定性具有很大的影響，是其膨脹起拱的主要原因。

二灰碎石發生膨脹后，易破壞原有路基路面結構，使外界水分進入，從而進一步加劇與石膏、鈣礬石的水化反應，形成惡性循環。

2 現場修復試驗

2.1 地聚合物摻料改性

針對上述情況與常州市建科院、東南大學合作開發了地聚合物摻料專門用于處治病害二灰中的三氧化硫，地聚合物摻料主要采用添加甲酸鉀、碳酸氫銨[9]等方式來加大CaSO4的溶解度，從而降低膨脹程度。同時地聚合物摻料通過抑制水分進入的方式，延緩膨脹速率。小劑量地聚合物的摻入試驗表明能夠有效提高二灰碎石的強度，強度提高幅度在5.35～8.8倍之間，隨著樣品的增加，可以有效降低樣品的膨脹率。同時采用此方法可利用原有的二灰集料，重新將松散的二灰集料膠結。環保、快速、施工簡便。

2.2 試驗步驟

為了驗證膨脹原因分析的正確性以及地聚合物的效果，在常州市人民東路起拱路段進行了現場修復試驗，主要分為以下幾個步驟進行。

（1）施工準備。地聚合物材料準備，安排機械進場，該次路拌試驗安排了：挖機1臺，裝載機1臺，穩定土路拌機1臺，18～21T振動壓路機1臺，三輪壓路機1臺，灑水車1臺，工人10人。

（2）準備下承層。原路槽進行驗收，內容包括：彎沉、寬度、平整度、橫坡等。路基必須達到表面平整、堅實、沒有松散和軟弱點，邊沿順直，路肩平整，整齊。

（3）布料。利用原二灰料破碎后平鋪于路槽中，破碎必須徹底，無結塊現象。利用破碎機破碎，振動壓路機碾壓，使零星結塊的二灰料分散，如仍有結塊無法破碎，則采用人工剔除，保證二灰料處于松散、無結塊狀態。

（4）拌和。在布好鋪平的二灰料上用石灰打出網格，將稱重后的地聚合物（10%）按比例攤鋪在網格內。使用穩定土路拌機拌合，同時帶鏵犁翻勻，拌和、翻動應重復2～4遍，確保拌和均勻，拌和深度達到路槽，嚴禁拌和層底殘留夾層。邊角及穩定土路拌機拌合死角應采用人工配合挖掘機翻挖，確保混合料拌和均勻。混合料拌勻后應緩慢均勻適量加水，一邊噴霧加水一邊繼續拌合翻勻。一次加水不宜過多，應緩慢、多次、按5%的加水量控制。防止混合料過濕，導致碾壓時粘軟及影響壓實效果（見圖2）。

（5）碾壓。混合料拌和均勻后，立即穩壓，使用關閉振動的振動壓路機表面穩壓兩遍。通過穩壓使混合料相互間不滑動，并且將不平整的地方暴露出來，再重復以上步驟用平地機初步整平和整形。整平符合要求后，用18 t以上振動壓路機按“先輕后重、先慢后快、先低后高、先穩后振”的原則碾壓兩遍，至表面無明顯輪跡，干密度符合要求為止。用21T光輪壓路機在基層全寬內進行碾壓。嚴禁壓路機在已完成的或正在碾壓的路段上調頭或急剎車，應保證表面不受破壞。碾壓過程中，基層的表面應始終保持濕潤，如水分蒸發過快，應及時補灑少量的水，但嚴禁灑大水碾壓。如有“彈簧”、松散、起皮等現象，應及時翻開重新拌和或用其他方法處理，使其達到質量要求（見圖3）。

（6）養生。碾壓完成并經壓實度檢查合格后，應立即開始養生。可用灑水車經常灑水進行養生。每天灑水的次數應視氣候而定。整個養生期間應始終保持穩定土層表面潮濕。在養生期間應封閉交通（見圖4）。

（7）試驗驗收。根據相關規范再次測量二灰基層彎沉及鉆芯取樣。

（8）鋪筑面層。驗收合格后攤鋪瀝青面層（見圖5）。

2.3 試驗結果分析

試驗完成后，對重新修復的二灰碎石基層進行了取樣檢測，對樣品的7 d強度與28 d無側限抗壓強度進行了檢測，檢測結果見表1、表2。

通過檢測發現修復后的二灰基層7 d強度代表值為4.4 MPa，28 d強度代表值為4.5 MPa，均大于強度設計值3.5 MPa的要求。

2.4 局部強度差分析

但在施工過程中發現，道路靠邊、地勢較低地段會出現起皮、分層、局部強度較差的現象，經檢查與測試發現主要與以下幾個因素有關：

（1）施工拌合的均勻性，從現場施工看，地聚合物摻料拌合較好的部位，基層強度較高，而拌合不好的部位，底層強度高，上層強度低甚至未形成膠結體無強度，可見地聚合物摻料與二灰碎石拌合的均勻性會影響兩者的化學反應。

（2）碾壓工藝的完整性，施工現場碾壓不充分的部位強度較差，這與現場二灰的含水率有很大關系，碾壓不夠充分的部位含水率不夠，會影響水化反應，從而影響強度。

（3）養護工藝的可靠性，現場施工完畢后進行養護的過程中，常州一直處于下雨狀態，導致基層的含水率過高，影響地聚合物摻料與二灰碎石的反應。

因此，二灰的含水率對其與地聚合物的反應影響很大，要控制在適當的范圍，這對施工技術提出了更高的要求。

3 結論

（1）二灰基層膨脹起拱的主要原因是硫含量超標。二灰碎石發生膨脹后，易破壞原有路基路面結構，使外界水分進入，從而進一步加劇與石膏、鈣礬石的水化反應，形成惡性循環。

（2）現場修復試驗表明地聚合物摻料可以有效修復二灰基層強度，充分利用原有基層材料，環保、快速、施工簡便。

（3）施工過程要注意含水率的影響，施工技術要求嚴格。

參考文獻

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