二灰碎石混合料組成結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度形成機(jī)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(jié)構(gòu)，因其施工工藝和質(zhì)量控制較難，易產(chǎn)生收縮裂縫，從而造成工程質(zhì)量隱患。本文闡述了二灰碎石混合料的組成結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能要求及其強(qiáng)度形成機(jī)理等，供同行借鑒。

【關(guān)鍵詞】二灰碎石混合料；組成結(jié)構(gòu)；技術(shù)性能；強(qiáng)度機(jī)理

二灰碎石基層屬于石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定土基層的一種。它是用石灰、粉煤灰與具有一定級(jí)配的碎石加水拌和，經(jīng)壓實(shí)及養(yǎng)生后所形成的路面基層。這種基層具有強(qiáng)度高、板結(jié)性好、抗水毀能力強(qiáng)、分布荷載能力大，料源豐富和造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)，因而倍受青睞。

1、二灰碎石組成結(jié)構(gòu)

1.1礦料級(jí)配理論

礦質(zhì)混合料的級(jí)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(dá)到較高的密實(shí)度和較大摩擦力，良好的礦料級(jí)配應(yīng)使礦料之間緊密接觸，集料能與二灰結(jié)合料之間形成較好的交互作用，壓實(shí)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(xué)強(qiáng)度、水穩(wěn)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(jié)構(gòu)

二灰碎石混合料的路用性能與它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有著非常密切的關(guān)系。混合料的結(jié)構(gòu)是指混合料各組成材料之間相互作用的特點(diǎn)，相對(duì)位置分布及相互聯(lián)系的狀況。因此，混合料的結(jié)構(gòu)特性與其材料組成、材料力學(xué)性能及各組成部分之間的相對(duì)位置密切相關(guān)，混合料受力變形特性是各結(jié)構(gòu)特性組成因素的綜合反映，即混合料力學(xué)特性與結(jié)構(gòu)特性成對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)組成二灰碎石混合料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的各因素發(fā)生變化時(shí)，混合料的力學(xué)特性也會(huì)發(fā)生變化。

混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在很大程度上取決于混合料的內(nèi)摩阻力和粘結(jié)力。在混合料中，各結(jié)構(gòu)組分的變化，會(huì)對(duì)整個(gè)混合料受力產(chǎn)生直接影響，從而使混合料具有不同的變形特性。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要有以下三種情況：

1.2.1.密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)形態(tài)的二灰碎石混合料，通常采用連續(xù)型密級(jí)配，骨料的顆粒尺寸由大到小連續(xù)存在。這種結(jié)構(gòu)中含有大量細(xì)料，而粗料數(shù)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(xì)顆粒之中。三軸試驗(yàn)表明，該種結(jié)構(gòu)雖然具有較高的粘聚力，但摩阻角較低，其強(qiáng)度主要受粘結(jié)力所控制，在外部荷載作用下，易產(chǎn)生破壞。由此而修筑的二灰碎石基層，受二灰性質(zhì)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(jié)構(gòu)破壞的因素之一。

1.2.2骨架空隙結(jié)構(gòu)

采用連續(xù)開級(jí)配的二灰碎石混合料屬于這一結(jié)構(gòu)類型。在這種結(jié)構(gòu)中，粗骨料較多，而細(xì)料數(shù)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(yàn)表明，雖然此種結(jié)構(gòu)粘聚力較低，但其內(nèi)摩阻角較大，其強(qiáng)度主要取決于內(nèi)摩阻力，粘聚力相對(duì)是次要的。由此而修筑的二灰穩(wěn)定碎石基層，受二灰性質(zhì)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(shí)骨架結(jié)構(gòu)

密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)是綜合以上兩種類型組成的結(jié)構(gòu)。二灰碎石混合料既有一定數(shù)量的粗骨料形成骨架，又根據(jù)殘余空隙的多少加入細(xì)料，從而使混合料形成較高的密實(shí)度。這種結(jié)構(gòu)的混合料三軸試驗(yàn)表明，此種結(jié)構(gòu)不僅具有較高的內(nèi)摩阻角，而且具有較高的粘聚力。理論上講，屬于該種結(jié)構(gòu)類型的二灰碎石混合料具有最優(yōu)的力學(xué)性能、抗收縮性能和抗沖刷性能。

2、二灰碎石混合料技術(shù)性能要求

2.1要有足夠的強(qiáng)度和剛度：在結(jié)構(gòu)厚度一定的條件下，從材料組成上看，基層的強(qiáng)度主要來自于兩個(gè)方面，一是依靠集料的骨架嵌擠作用，二是取決于無機(jī)結(jié)合料的水硬性膠結(jié)及填充作用。

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

2.3具有足夠的抗沖刷能力：國內(nèi)外的調(diào)查研究表明，二灰碎石基層材料的沖刷及由之而產(chǎn)生的唧泥現(xiàn)象是經(jīng)常存在的，而這些現(xiàn)象均與基層材料的組成特性有關(guān)。無論沖刷作用發(fā)生在水泥混凝土路面還是發(fā)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(dòng)水的參與下發(fā)生沖刷作用，沖刷作用的發(fā)生進(jìn)一步擴(kuò)大了沖刷腔，沖刷現(xiàn)象在這個(gè)“惡性循環(huán)”中越來越嚴(yán)重，路面的脫空現(xiàn)象也隨之迅速增大，直至路面結(jié)構(gòu)發(fā)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(chǎn)生一定的拉應(yīng)變，如果超過材料允許拉應(yīng)變，基層就會(huì)開裂?；鶎拥氖湛s開裂不僅破壞基層結(jié)構(gòu)的整體性而降低其強(qiáng)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(chǎn)生的干燥收縮和因溫度降低而產(chǎn)生的溫度收縮兩大方面。

3、二灰碎石混合料強(qiáng)度形成機(jī)理分析

石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石在壓實(shí)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(jié)果，使得石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料具有較高的強(qiáng)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(gòu)成二灰碎石混合料強(qiáng)度的因素包括兩方面，即由礦質(zhì)顆粒之間的內(nèi)摩阻力和嵌擠力，以及二灰結(jié)合料及其與礦料之間的粘結(jié)力和內(nèi)聚力所構(gòu)成。

二灰碎石混合料加水拌合后，通過機(jī)械壓實(shí)，使得集料在混合料中重新緊密排列，使其充分發(fā)揮骨架作用。成型初期，可以認(rèn)為二灰混合料未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其強(qiáng)度主要來自密實(shí)骨架的內(nèi)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(shí)間的推移，混合料內(nèi)的固液相之間發(fā)生一系列物理和化學(xué)作用，并生成一系列具有膠結(jié)作用的物質(zhì)，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(qiáng)度形成的主要來源。

當(dāng)體系生成物濃度達(dá)到一定值時(shí)，它們便互相嚙合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成凝膠，此時(shí)，盡管體系中仍有大量的水分存在，但它們已被大量的網(wǎng)狀膠粒包圍而不能自由運(yùn)動(dòng)。上述反應(yīng)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(dāng)微粒直接接觸后，將形成化學(xué)鍵，緩慢地生成硅、鋁等含氧酸的復(fù)合物結(jié)晶，新生晶體會(huì)逐漸長大、發(fā)展，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并逐漸脫水干涸以穩(wěn)定的結(jié)晶縮合結(jié)構(gòu)成為結(jié)晶整體，而成為具有較高強(qiáng)度的水穩(wěn)性材料。

不言而喻，形成二灰碎石混合料強(qiáng)度的另一個(gè)必要條件是壓實(shí)。當(dāng)混合料加水拌和后，應(yīng)及時(shí)碾壓，讓上述的化學(xué)反應(yīng)在壓實(shí)了的混合料中進(jìn)行，如果不壓實(shí)，化學(xué)反應(yīng)照常進(jìn)行，但形不成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，充其量，反應(yīng)后的混合料變?yōu)橐欢丫哂幸欢ㄋ€(wěn)定性的松散集合體，沒有強(qiáng)度，不能形成板體結(jié)構(gòu)。

隨著齡期的延長，水化產(chǎn)物在過飽和溶液狀態(tài)下以微晶體形式析出，并由玻璃體表面伸展到二灰穩(wěn)定碎石固相間的空隙，互相聯(lián)生，形成二維的結(jié)晶體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且將固相顆粒聯(lián)結(jié)成一整體，形成了很高的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度?；鹕交曳磻?yīng)是一個(gè)緩慢、長期的過程，這是使二灰穩(wěn)定碎石混合料具有較高后期強(qiáng)度的根本原因。當(dāng)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(gè)堅(jiān)實(shí)的整體，逐漸產(chǎn)生一定的強(qiáng)度。并且強(qiáng)度隨著齡期的增長而增大。