二灰碎石基层后期病害成因分析及改进措施

　　摘要：针对苏州市区路面不同程度的起拱问题，从道路基层进行探讨二灰碎石基层的化学分析，分析了道路起拱的原因，进而提出了解决问题的预防、改进措施。
　　关键词：二灰碎石；起拱；SO3
　　一、 概述
　　1、 二灰碎石基层
　　二灰碎石基层以其强度高、耐久性好，造价较低，易于施工等优点被广泛推广和应用；目前，苏州市大部分市政道路都是采用二灰碎石基层。二灰碎石基层全称是石灰粉煤灰稳定碎石基层，它是利用石灰、粉煤灰和碎石按一定比例混合,在最佳含水量时拌合均匀，并在现场摊铺碾压压实成型具有一定抗压强度的基层。二灰碎石是一种缓凝性硅酸盐材料，在一定的温度、湿度下其强度随龄期的延长而增加后期强度高.二灰碎石基层具有良好的力学性能、板体形态、水稳定性和抗冰冻稳定性等特性。
　　2、 粉煤灰及其中的SO3
　　粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后从烟道中回收的一种粉末，其主要成分是SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、SO3，还有其它微量化合物近20余种。粉煤灰本身并没有粘性，当它与水和消石灰相混合时，在常温下能与石灰中的氢氧化钙Ca（OH）2发生反应，生成具有粘结性的化合物。所以粉煤灰被广泛地应用于道路施工中。
　　粉煤灰在道路工程利用中的主要有害成分是SO3和有机质，所以应严格控制SO3含量和烧失量。SO3是一种空气和环境污染物，形成酸雨等危害。2006年以前，由于我国对环境保护控制不严，电厂都是将SO3直接排放于空气中。2006年后，为迎接北京奥运会，政府加强对空气和环境污染物的控制，很多电厂都实施了环保脱硫工艺，脱硫后脱硫灰渣重新回到粉煤灰中。所以目前市场上的粉煤灰SO3含量都偏高。
　　3、 地下水对道路的侵害
　　地下水对道路作用部分的表现为渗入和一系列作用的增强或改变，这一系列作用中的一部分可为原始的，而另一部分是一些继发作用，它们是原始作用的直接后果。作为原始作用，首先是土的湿度改变的物理过程，同时还有土层应力状态的改变过程，这种应力状态的变化是在一种作用力的因素即水的一定作用条件下产生的。土的强度降低、沉降的发展、滑坡就形的发展、冻胀作用与就形的发展等过程与现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，经常会发生许多使用病害，严重影响道路的正常使用。在道路养护中经常遇到的路基沉降、湿陷、盐渍化、冻胀等病害，都是地下水直接或间接作用的结果。
　　二、 二灰碎石基层后期病害成因分析
　　目前，苏州市很多市政道路工程沥青路面通车时间不长，就产生了起拱等质量问题。我们对起拱后的十余条道路沥青路面挖开检查，发现二灰碎石基层已经完全松散，无强度。通过对起拱道路现场二灰碎石混合料化学分析，发现所有起拱道路普遍存在so3超标现象，我们认为沥青路面起拱、龟裂主要是二灰碎石混合料中粉煤灰含硫量超标引起的。
　　1、 二灰碎石基层后期病害引起的沥青路面破坏
　　（1） 沥青路面起拱
　　a、 高填方路堤沥青路面在中分带处起拱
　　b、 低路堤沥青路面波浪形起拱
　　c、 道路中分带或侧分带处沥青路面起拱
　　（2） 沥青路面龟裂
　　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的形态存在的.含有CaSO4的粉煤灰应用于路面基层时，遇水发生反产生水化产物，在路面基层强度形成的后期发生体积膨胀，致使路面基层出现开裂.具体过程如下：
　　CaO+H2O→Ca(OH)2
　　CaSO4+H2O→CaSO4•2H2O
　　3CaO•Al2O3•6H2O+3CaSO4•2H2O+H2O→3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O
　　以上这些反应都要使混和料发生体积膨胀.其中CaO与H2O反应生成Ca(OH)2时，固体体积增大到原来的1.98倍；CaSO4溶解于H2O后一部分与活性Al2O3等、Ca(OH)2和水反应生成3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O。(俗称钙矾石AFt),固体体积增大到原来的2.22倍，另一部分结晶生成二水石膏CaSO4•2H2O，固体体积增加到原来的2.26倍。由此可见，SO3(CaSO4)对其胶凝材料的体积稳定性具有很大的影响，是其开裂的主要原因。
　　在SO3含量较高的粉煤灰中有剩余的CaSO4存在.CaSO4的水化速度很慢，当CaSO4的溶解度达到二水石膏的饱和溶解度，并结晶析出二水石膏时，已为水化过程后期。此时二灰混和料已经有一定的强度。结晶出二水石膏时是伴随有体积膨胀发生。这样在混和料已有一定强度下发生体积膨胀就会导致二灰混和料稳定层开裂。另外，粉煤灰中CaSO4与活性酸性金属氧化物和CaO反应生成钙矾石同样导致固体体积膨胀.由于SO3以CaSO4的形式存在，其水解速率也很慢。钙矾石的生成是在二灰混和料及其胶凝材料水化反应到一定程度时才能进行，而此时胶凝材料已具有一定的初期强度，所以钙矾石生成的体积膨胀也是二灰混和料开裂的主要原因之一。以上两点就是为什么二灰混和料结构开始已具有强度，但后来会发生体积膨胀进而丧失强度的原因。
　　（2） 地下水和地表水的侵害
　　苏州地区水网发达，地下水位较高，且由于毛细现象，地下水易侵入道路工程中。另外，由于近几年苏州市注重绿化环境建设，目前的市政道路中分带和绿化带都较宽；而且经常进行浇水，但市政道路的中分带和侧分带一般都未进行防水施工，也未设置纵向排水盲沟和横向排水管；所以绿化带中的地表水也容易侵入道路基层和路基中。侵入基层中的水将对基层和路基产生破坏作用，同时也加剧SO3对二灰碎石基层的破坏。
　　3、 后期病害的具体原因分析
　　（1） 高填方路堤沥青路面在中分带处起拱的原因

　　高填方路堤沥青路面在中分带处起拱的原因主要是由于中分带无相应的防排水措施，从而使地表绿化水或雨水侵入基层中，在SO3含量较高处引起一系列物理化学反应，使二灰碎石基层体积膨胀，引起沥青路面在中分带处起拱。
　　（2） 低路堤沥青路面波浪形起拱的原因
　　
　　
　　低路堤沥青路面波浪形起拱的原因是由于地下水位较高，地下水位已经部分侵入到二灰碎石基层中，或者由于毛细管现象，地下水位侵入到基层中的程度不一样；而且二灰碎石基层中的SO3含量分布也各不一样，所以二灰碎石基层形成波浪形起拱，从而引起沥青路面波浪形起拱。
　　（3） 沥青路面龟裂的原因
　　SO3在二灰碎石基层中形成的破坏主要是体积膨胀，强度下降。二灰碎石基层强度下降后，产生松散或开裂，并在行车荷载作用下，迅速破坏，从而引起沥青路面的龟裂。
　　三、 二灰碎石基层后期病害预防改进措施
　　1、 从设计方面
　　（1） 地下水的防治
　　防治地下水对道路的破坏作用，应特别注意路基上层的防护，因为路基上层是路面的支撑，是主要承重结构层。目前解决地下水破坏的主要途径是；路基工作层远离地下水位；人为降低地下水位高度；设置人工障碍物阻止地下水对路基的浸湿。首先应从设计角度考虑对地下水的防治。
　　（2） 地表水的防治
　　地表水的防治主要是防止绿化浇水和雨水侵入道路基层和路基。地表水主要是通过中分带、侧分带、绿化带侵入道路的，所以应加强对中分带、侧分带、绿化带的设计，防止地表水通过中分带、侧分带、绿化带侵入道路。我们设想通过在中分带、侧分带中设置纵向碎石盲沟和横向排水管将中分带、侧分带中的渗透水排出道路范围以外。
　　
　　2、 从原材料和施工控制方面
　　（1） 粉煤灰中的SO3含量控制
　　从源头对粉煤灰中的SO3含量进行控制，对SO3含量偏高的粉煤灰厂家列入禁用名单。同时对在辖区内供应二灰碎石的厂家进行定期检查，检查材料来源情况，并对粉煤灰中的SO3含量进行重点抽检。通过检查和抽检，对在辖区内供应二灰碎石的厂家实行准入制度。
　　（2） 加强沥青路面稀浆封层的施工
　　二灰碎石基层与沥青路面之间必须施工防排水的下封层，如果条件允许，最好采用稀浆封层。同时应加强稀浆封层的质量控制。
　　四、 总结
　　针对目前二灰碎石基层存在的一系列后期病害问题，很多人提出用水泥稳定碎石全面替代二灰碎石作为沥青路面基层。但由于水泥稳定碎石基层对拌合、摊铺、碾压及时间控制要求太严格，从加水拌合到碾压成型必须在3到6个小时内完成；对于一般的市政道路工程，没有专门的水泥稳定碎石拌合楼和成熟的摊铺碾压工艺，很难采用水泥稳定碎石基层。
　　二灰碎石路面基层属半刚性路面，整体性较好，其料源丰富、而且造价较低，易于施工。虽然在已经通车的道路中出现了一些后期病害，但是通过以上分析，这些病害都是能采取措施进行防治的，而且不会增加工程造价和施工难度，只需要加强管理力度。所以说，二灰碎石是比较理想的沥青路面基层材料。