淺談石灰粉煤灰穩(wěn)定類結(jié)構(gòu)

鐘瑾

概述

石灰粉煤灰穩(wěn)定類結(jié)構(gòu)在我國(guó)的高等級(jí)公路路面基層結(jié)構(gòu)中已普通應(yīng)用，由于它具有造價(jià)低、強(qiáng)度高、水穩(wěn)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，加上我區(qū)的粉煤灰資源較豐富，并先后在姚葉高速公路、石中高速公路南北段、古王高速公路、中郝高速公路路面基層結(jié)構(gòu)中采用；本文通過我區(qū)進(jìn)行石灰粉煤灰穩(wěn)定砂礫結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的一些結(jié)果，對(duì)石灰粉煤灰穩(wěn)定類結(jié)構(gòu)原材料的基本性質(zhì)、石灰粉煤灰的反應(yīng)、混合料的組成、影響其強(qiáng)度的一些因素談?wù)勛约旱囊恍┛捶ā?/p>

原材料的基本性質(zhì)

2.1石灰材料

石灰是由石灰石、白云石、方解石等原材料煅燒而成的，其主要成份為CaO和MgO。根據(jù)化學(xué)分析和微觀結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為：石灰加入土中后，發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)和物理化學(xué)反應(yīng)，主要有離子交換反應(yīng)、Ca(OH)2的結(jié)晶反應(yīng)和碳酸化反應(yīng)及火山灰反應(yīng)。這些反應(yīng)的結(jié)果使粘土顆粒絮凝，生成晶體氫氧化鈣、碳酸鈣和含水硅鋁酸鈣等膠結(jié)物。這些膠結(jié)物逐漸由凝膠狀態(tài)向晶體狀態(tài)轉(zhuǎn)化，致使混合料的剛度不斷增大，強(qiáng)度和水穩(wěn)性不斷提高。

石灰中氧化鈣和氧化鎂的含量對(duì)二灰穩(wěn)定類材料的強(qiáng)度有明顯的影響，特別是在粉煤灰用量較大時(shí)，影響較明顯。通過表1石中高速公路北段進(jìn)行7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可看出。

2.2粉煤灰材料

粉煤灰的一般性質(zhì)

表1

粉煤灰是火力發(fā)電廠的副產(chǎn)品，它是磨細(xì)煤粉燃燒后從煙道排出的廢品。粉煤灰屬火山灰材料，是一種硅質(zhì)或硅鋁質(zhì)材料。它本身很少或沒有粘結(jié)性，但是當(dāng)它以細(xì)分散的狀態(tài)與水和消石灰或水泥混合時(shí)在常溫下與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)能形成一種具有粘結(jié)性的化合物。

粉煤灰的非晶質(zhì)成份是硅和鋁,其次要成份有碳和鐵、鈣、鎂及硫的氧化物。表2為我區(qū)幾個(gè)電廠粉煤灰的化學(xué)成份試驗(yàn)結(jié)果。

表2

(2)粉煤灰的技術(shù)要求

燒失量

燒失量是指粉煤灰在800°C--900°C溫度下能燒失的量。燒失量的高低會(huì)影響粉煤灰的活性。雖然《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ014-97）規(guī)定粉煤灰的燒失量不宜大于20%，但有關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)表明，只有燒失量超過30%時(shí)，才對(duì)混合料的強(qiáng)度有明顯影響。

氧化物含量（SiO2+Al2O3+Fe2O3）

粉煤灰中氧化物的含量對(duì)二灰穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有明顯影響，石中高速公路北段砂礫料采用王家莊砂礫、水泥采用平羅水泥廠水泥，石灰均采用拉僧廟二級(jí)石灰，分別采用石嘴山電廠粉煤灰與大武口電廠粉煤灰進(jìn)行7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表3

表3

因此《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ014—97）中規(guī)定“粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3的總含量應(yīng)大于70%”。

C、細(xì)度

粉煤灰的粗細(xì)直接影響它與石灰或水泥混合后反應(yīng)生成物的數(shù)量，從而影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。粉煤灰的顆粒愈細(xì)，比表面積愈大，粉煤灰的活性愈強(qiáng)，從而增加混合料的抗壓強(qiáng)度。表4所列為交通部公路科學(xué)研究所采用甘肅西固電廠粉煤灰做的比較試驗(yàn)的結(jié)果。

表4

二灰穩(wěn)定類結(jié)構(gòu)的質(zhì)量很大程度上取決于被穩(wěn)定的材料；當(dāng)穩(wěn)定集料時(shí)，集料應(yīng)該具有一定的級(jí)配，并要求集料中沒有影響化學(xué)作用的 有害有機(jī)物或化學(xué)物質(zhì)；作為高等級(jí)公路的路面基層，宜采用粒料占80%以上的二灰粒料混合料，粒料中0.075毫米以下顆粒含量接近于0，以減小二灰粒料基層的收縮性并增加其抗沖刷性能。

含細(xì)料較多的二灰穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的耐久性常大于較粗集料的二灰穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但有較粗集料級(jí)配的二灰穩(wěn)定結(jié)構(gòu)常有較好的力學(xué)穩(wěn)定性。

2.3石灰粉煤灰的反應(yīng)

粉煤灰具有活性，也稱粉煤灰火山灰活性。所謂火山灰活性指火山灰、凝灰?guī)r、浮石等天然火山灰物質(zhì)所具有的與石灰或水泥發(fā)生反應(yīng)的性能。粉煤灰本身并不具有水硬性，與水拌和后也不能產(chǎn)生明顯的強(qiáng)度，粉煤灰與石灰混合后，再加以水，則能與氫氧化鈣等發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后生成的各種水化物與水泥水化時(shí)產(chǎn)生的水化物基本相同。

除石灰粉煤灰間的主要反應(yīng)外，石灰與被穩(wěn)定材料中的細(xì)粒土也要起反應(yīng)。石灰與土可能產(chǎn)生的反應(yīng)是離子交換，聚凝團(tuán)聚以及土與石灰的火山灰反應(yīng)。土與石灰火山灰反應(yīng)的產(chǎn)物有助于發(fā)展穩(wěn)定混合料中的粘結(jié)性基體。

3混合料的組成范圍

就石灰粉煤灰穩(wěn)定集料而言，其可變因素是石灰與粉煤灰的比例。因此，石灰粉煤灰集料混合料的組成范圍可以選定石灰加粉煤灰的總劑量和選定石灰與粉煤灰的比例來確定。

3.1石灰與粉煤灰的比例

石灰加粉煤灰的含量與許多變量有關(guān)，我國(guó)通常使用兩種類型石灰粉煤灰粒料混合料。一種是密實(shí)式的，即粒料含量占80%--88%，同時(shí)具有規(guī)定的級(jí)配，石灰加粉煤灰的含量為20%--12%，起填充粒料的孔隙和粘結(jié)作用；我區(qū)的二灰穩(wěn)定類結(jié)構(gòu)均屬于密實(shí)式。另一種是懸浮式的，即粒料僅占50%--60%左右，不要求粒料具有一定級(jí)配，粒料懸浮在石灰和粉煤灰混合料之間。

這兩種混合料的強(qiáng)度無明顯差異，但就抗沖刷能力和收縮性能而言，密實(shí)式混合料明顯優(yōu)于懸浮式混合料。懸浮式混合料的優(yōu)點(diǎn)是，施工時(shí)只要掌握粒料的數(shù)量，不要求粒料有級(jí)配。

石灰粉煤灰最常用的比例為1:2—1:4。

3.2增加石灰摻量的條件

在下述情況下需增加石灰的用量：

（1）0.075毫米以下的細(xì)料含量較多;

(2)集料中細(xì)粒土的塑性指數(shù)較大;

(3)粉煤灰的火山灰反應(yīng)較大。

石灰粉煤灰和被穩(wěn)定材料的比例,需要通過室內(nèi)材料配比組成設(shè)計(jì)來確定。

影響石灰粉煤灰穩(wěn)定類結(jié)構(gòu)性質(zhì)的因素

影響石灰粉煤灰穩(wěn)定類結(jié)構(gòu)性質(zhì)的因素歸納起來在以下四個(gè)方面：

4.1原材料質(zhì)量

（1）土

土的類別對(duì)二灰土的強(qiáng)度影響較大，土的塑性指數(shù)愈大，二灰土的強(qiáng)度愈高，但土塊愈難粉碎。土的塑性指數(shù)愈小，二灰土的強(qiáng)度高愈低，但土塊較容易粉碎。因此，一般宜選用亞粘土，以兼顧強(qiáng)度和粉碎難易程度。土中的有機(jī)質(zhì)對(duì)二灰土的強(qiáng)度也有明顯影響。

（2）在二灰中添加各種粗粒料，可以調(diào)節(jié)混合料的強(qiáng)度。特別是形成以粒料為主的混合料，在使用過程中裂縫較少，也容易與瀝青面層粘結(jié)牢固。

4.2混合料的組成配比

通常認(rèn)為，當(dāng)被穩(wěn)定的材料是粗紋理材料時(shí)，混合料的性質(zhì)主要控于“石灰+粉煤灰+小于4.75毫米的顆粒含量”這部分基體材料的質(zhì)量。在混合料中必須有足夠的基體材料，以保證有較高的強(qiáng)度和良好的耐久性。如果混合料中沒有足夠的基體材料，既使整個(gè)混合料的密度是高的，在基體材料中也不會(huì)達(dá)到合適的壓實(shí)密度。

在石灰粉煤灰混合料中，粉煤灰用量越多，初期（7d）強(qiáng)度越低。

只要能保證石灰粉煤灰集料混合料的質(zhì)量，通常取石灰與粉煤灰之比為最低值，因?yàn)槭沂鞘曳勖夯壹匣旌狭现袃r(jià)格最高的材料。

4.3施工工藝

拌和

只有全部材料充分拌和后，用石灰粉煤灰穩(wěn)定才能達(dá)到預(yù)期的效果。在穩(wěn)定細(xì)粒土?xí)r，需要將土粉碎，使混合料中的土團(tuán)減至最小。

密度

一定配合比的石灰粉煤灰集料混合料的壓實(shí)密度明顯影響混合料的強(qiáng)度和耐久性，增加密度會(huì)改善強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

養(yǎng)生

合適的條件（水分、溫度和時(shí)間）對(duì)石灰粉煤灰集料混合料的養(yǎng)生十分重要。

保持混合料中適宜水分很重要，因?yàn)槭曳勖夯业幕鹕交曳磻?yīng)需要水。如果在養(yǎng)生過程中能基本保持石灰粉煤灰集料混合料中的壓實(shí)含水量（通常接近最佳含水量）這個(gè)水分足夠火山灰應(yīng)的需要。

石灰粉煤灰的火山灰反應(yīng)與時(shí)間和溫度有關(guān)。溫度對(duì)石灰粉煤灰火山灰反應(yīng)的影響不是線性的，養(yǎng)生溫度超過27°C后，它對(duì)火山灰反應(yīng)的加速作用大于較低的溫度。

在相同溫度條件下，石灰粉煤灰的強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增大，前期增大較快，三個(gè)月后逐漸減慢。

結(jié)束語

本文結(jié)合我區(qū)進(jìn)行石灰粉煤灰穩(wěn)定砂礫的一些試驗(yàn)資料，參考有關(guān)文獻(xiàn)淺談了石灰粉煤灰穩(wěn)定類結(jié)構(gòu)中原材料對(duì)強(qiáng)度的影響、石灰粉煤灰的反應(yīng)、混合料的組成及影響石灰粉煤灰穩(wěn)定類結(jié)構(gòu)性質(zhì)的因素，供大家參考。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。