二灰碎石基层路面膨胀起拱损坏原因与修复技术研究

2017-09-13王卫星潘大荣

科技创新导报 2017年19期

王卫星+潘大荣

摘要：二灰碎石基层路面在使用过程中会出现膨胀起拱损坏。该文在分析二灰碎石膨胀原因的基础上，采用针对性研制的地聚合物掺料对原来损坏的基层路面进行了现场修复试验，试验结果表明，采用这种技术能够充分利用原有基层材料，修复后的基层强度满足设计要求；但是在施工过程中要严格控制含水率的影响，这对施工技术提出了更高的要求。

关键词：二灰碎石基层膨胀路面修复施工技术

中图分类号：TU411. 6 文献标识码：A 文章编号：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）碎石基層作为一种半刚性基层由于具有较高的强度，刚度以及优良板结性、抗裂性而在市政道路上得到广泛运用，但是，近年来，在定期对市政道路进行检测评价的过程中发现：江苏苏州、盐城、常州等地多次出现铺筑在石灰粉煤灰稳定碎石基层上的沥青面层出现膨胀起拱、严重龟裂等损坏现象，在某些调查路段（如常州市人民东路），损坏面积达到1/10，有的甚至达到1/5。起拱值一般在4～10 cm左右，有的甚至达到20 cm（见图1）。

为此，国内外许多学者对二灰碎石基层损坏的成因进行了分析并对施工质量控制进行了研究[1-3]，同是也对沥青路面的修复技术进行了大量研究[4-5]。但是这些技术没有考虑道路基层膨胀对沥青路面的影响，如果不对破损路面的道路基层进行处理，只对沥青路面面层进行修复，整个路面后期还将继续起拱。为此该文在对二灰碎石基层路面起拱成因分析的基础上，开展对于市政道路起拱破损的现场修复技术以及相应施工技术的研究。

1 二灰碎石基层破坏成因

二灰碎石基层即为石灰、粉煤灰和级配碎石粒料通过拌和、摊铺、碾压及养护形成的路面基层；其中石灰、粉煤灰在基层中起到胶结作用，级配碎石粒料起到骨架的作用。

1.1 破坏原因调查

二灰碎石基层产生膨胀的原因主要有以下几个方面[6-7]：

（1）二灰碎石本身的湿胀性。湿胀干缩是材料最基本的物理性能，在底基层或基层的上封层或者防水层处理措施不当等情况下，局部会出现遇水膨胀现象。

（2）过量石灰导致的膨胀性。拌合不均或者施工管理不严时候，会出现局部富集石灰，结晶作用和碳酸化作用时间较长，局部过高的石灰含量会破坏原有结构，形成膨胀现象。

（3）过烧石灰导致的膨胀性。如在石灰中混杂少量的过烧石灰，由于过烧石灰反应特点会导致二灰碎石出现后期膨胀。

（4）硫元素（SO3）的影响。高硫粉煤灰，特别是脱硫灰，将在一定的条件下，形成石膏，石膏是具有一定膨胀性的特质，进而形成膨胀开裂。

（5）钙矾石（），过量的石膏，在一定的条件下，可以进一步形成钙矾石，石膏和钙矾石都会结合大量结晶水，从而导致二灰碎石出现后期膨胀。

（6）温度的影响。跨基工程如果横跨冬春季节，会出现冬冻春融问题，在冻融条件下会对二灰碎石本身产生较大影响，局部会出现冻胀—湿胀复合现象。

1.2 破坏成因分析

针对导致二灰碎石出现膨胀现象的可能原因，通过调查施工现场以及对二灰基层的采样分析，发现施工过程符合施工规范，不存在拌合不均、防水层处理措施不当等因素的影响，施工季节也不会产生冻胀现象。

对二灰碎石的组成（质量比：石灰15%，粉煤灰5%，碎石为级配碎石占比80%）进行了化学分析，发现样品中的粉煤灰采用的是高硫粉煤灰混杂脱硫粉煤灰，硫含量严重超标。

脱硫粉煤灰是电厂为了环保在发电时加了一道脱硫工艺，即采用石灰（石）直接喷射等方法对燃煤热电厂的烟气进行脱硫处理，并且脱硫后的灰渣重新回到粉煤灰中，结果使粉煤灰中硫的含量大大增加。脱硫粉煤灰中硫含量（以SO3形式存在）明显高于未脱硫的粉煤灰。

在粉煤灰中硫元素（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[8]：

CaO+H2O→Ca（OH）2

CaSO4+H2O→CaSO4·2H2Oendprint

3CaO·Al2O3·6H2O+3CaSO4·2H2O+H2O

→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

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和水反应生成钙矾石3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，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）对基层的体积稳定性具有很大的影响，是其膨胀起拱的主要原因。

二灰碎石发生膨胀后，易破坏原有路基路面结构，使外界水分进入，从而进一步加剧与石膏、钙矾石的水化反应，形成恶性循环。

2 现场修复试验

2.1 地聚合物掺料改性

针对上述情况与常州市建科院、东南大学合作开发了地聚合物掺料专门用于处治病害二灰中的三氧化硫，地聚合物掺料主要采用添加甲酸钾、碳酸氢铵[9]等方式来加大CaSO4的溶解度，从而降低膨胀程度。同时地聚合物掺料通过抑制水分进入的方式，延缓膨胀速率。小剂量地聚合物的掺入试验表明能够有效提高二灰碎石的强度，强度提高幅度在5.35～8.8倍之间，随着样品的增加，可以有效降低样品的膨胀率。同时采用此方法可利用原有的二灰集料，重新将松散的二灰集料胶结。环保、快速、施工简便。

2.2 试验步骤

为了验证膨胀原因分析的正确性以及地聚合物的效果，在常州市人民东路起拱路段进行了现场修复试验，主要分为以下几个步骤进行。

（1）施工准备。地聚合物材料准备，安排机械进场，该次路拌试验安排了：挖机1台，装载机1台，稳定土路拌机1台，18～21T振动压路机1台，三轮压路机1台，洒水车1台，工人10人。

（2）准备下承层。原路槽进行验收，内容包括：弯沉、宽度、平整度、横坡等。路基必须达到表面平整、坚实、没有松散和软弱点，边沿顺直，路肩平整，整齐。

（3）布料。利用原二灰料破碎后平铺于路槽中，破碎必须彻底，无结块现象。利用破碎机破碎，振动压路机碾压，使零星结块的二灰料分散，如仍有结块无法破碎，则采用人工剔除，保证二灰料处于松散、无结块状态。

（4）拌和。在布好铺平的二灰料上用石灰打出网格，将称重后的地聚合物（10%）按比例摊铺在网格内。使用稳定土路拌机拌合，同时带铧犁翻匀，拌和、翻动应重复2～4遍，确保拌和均匀，拌和深度达到路槽，严禁拌和层底残留夹层。边角及稳定土路拌机拌合死角应采用人工配合挖掘机翻挖，确保混合料拌和均匀。混合料拌匀后应缓慢均匀适量加水，一边喷雾加水一边继续拌合翻匀。一次加水不宜过多，应缓慢、多次、按5%的加水量控制。防止混合料过湿，导致碾压时粘软及影响压實效果（见图2）。

（5）碾压。混合料拌和均匀后，立即稳压，使用关闭振动的振动压路机表面稳压两遍。通过稳压使混合料相互间不滑动，并且将不平整的地方暴露出来，再重复以上步骤用平地机初步整平和整形。整平符合要求后，用18 t以上振动压路机按“先轻后重、先慢后快、先低后高、先稳后振”的原则碾压两遍，至表面无明显轮迹，干密度符合要求为止。用21T光轮压路机在基层全宽内进行碾压。严禁压路机在已完成的或正在碾压的路段上调头或急刹车，应保证表面不受破坏。碾压过程中，基层的表面应始终保持湿润，如水分蒸发过快，应及时补洒少量的水，但严禁洒大水碾压。如有“弹簧”、松散、起皮等现象，应及时翻开重新拌和或用其他方法处理，使其达到质量要求（见图3）。

（6）养生。碾压完成并经压实度检查合格后，应立即开始养生。可用洒水车经常洒水进行养生。每天洒水的次数应视气候而定。整个养生期间应始终保持稳定土层表面潮湿。在养生期间应封闭交通（见图4）。

（7）试验验收。根据相关规范再次测量二灰基层弯沉及钻芯取样。

（8）铺筑面层。验收合格后摊铺沥青面层（见图5）。

2.3 试验结果分析

试验完成后，对重新修复的二灰碎石基层进行了取样检测，对样品的7 d强度与28 d无侧限抗压强度进行了检测，检测结果见表1、表2。

通过检测发现修复后的二灰基层7 d强度代表值为4.4 MPa，28 d强度代表值为4.5 MPa，均大于强度设计值3.5 MPa的要求。

2.4 局部强度差分析

但在施工过程中发现，道路靠边、地势较低地段会出现起皮、分层、局部强度较差的现象，经检查与测试发现主要与以下几个因素有关：

（1）施工拌合的均匀性，从现场施工看，地聚合物掺料拌合较好的部位，基层强度较高，而拌合不好的部位，底层强度高，上层强度低甚至未形成胶结体无强度，可见地聚合物掺料与二灰碎石拌合的均匀性会影响两者的化学反应。

（2）碾压工艺的完整性，施工现场碾压不充分的部位强度较差，这与现场二灰的含水率有很大关系，碾压不够充分的部位含水率不够，会影响水化反应，从而影响强度。

（3）养护工艺的可靠性，现场施工完毕后进行养护的过程中，常州一直处于下雨状态，导致基层的含水率过高，影响地聚合物掺料与二灰碎石的反应。

因此，二灰的含水率对其与地聚合物的反应影响很大，要控制在适当的范围，这对施工技术提出了更高的要求。