二灰碎石基層路面膨脹起拱損壞原因與修復(fù)技術(shù)研究

王衛(wèi)星+潘大榮

摘 要：二灰碎石基層路面在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)膨脹起拱損壞。該文在分析二灰碎石膨脹原因的基礎(chǔ)上，采用針對(duì)性研制的地聚合物摻料對(duì)原來(lái)?yè)p壞的基層路面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種技術(shù)能夠充分利用原有基層材料，修復(fù)后的基層強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；但是在施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制含水率的影響，這對(duì)施工技術(shù)提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞：二灰碎石 基層 膨脹 路面修復(fù) 施工技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU411. 6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(qiáng)度，剛度以及優(yōu)良板結(jié)性、抗裂性而在市政道路上得到廣泛運(yùn)用，但是，近年來(lái)，在定期對(duì)市政道路進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：江蘇蘇州、鹽城、常州等地多次出現(xiàn)鋪筑在石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石基層上的瀝青面層出現(xiàn)膨脹起拱、嚴(yán)重龜裂等損壞現(xiàn)象，在某些調(diào)查路段（如常州市人民東路），損壞面積達(dá)到1/10，有的甚至達(dá)到1/5。起拱值一般在4～10 cm左右，有的甚至達(dá)到20 cm（見(jiàn)圖1）。

為此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)二灰碎石基層損壞的成因進(jìn)行了分析并對(duì)施工質(zhì)量控制進(jìn)行了研究[1-3]，同是也對(duì)瀝青路面的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了大量研究[4-5]。但是這些技術(shù)沒(méi)有考慮道路基層膨脹對(duì)瀝青路面的影響，如果不對(duì)破損路面的道路基層進(jìn)行處理，只對(duì)瀝青路面面層進(jìn)行修復(fù)，整個(gè)路面后期還將繼續(xù)起拱。為此該文在對(duì)二灰碎石基層路面起拱成因分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)展對(duì)于市政道路起拱破損的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)技術(shù)以及相應(yīng)施工技術(shù)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(jí)配碎石粒料通過(guò)拌和、攤鋪、碾壓及養(yǎng)護(hù)形成的路面基層；其中石灰、粉煤灰在基層中起到膠結(jié)作用，級(jí)配碎石粒料起到骨架的作用。

1.1 破壞原因調(diào)查

二灰碎石基層產(chǎn)生膨脹的原因主要有以下幾個(gè)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(dāng)?shù)惹闆r下，局部會(huì)出現(xiàn)遇水膨脹現(xiàn)象。

（2）過(guò)量石灰導(dǎo)致的膨脹性。拌合不均或者施工管理不嚴(yán)時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)局部富集石灰，結(jié)晶作用和碳酸化作用時(shí)間較長(zhǎng)，局部過(guò)高的石灰含量會(huì)破壞原有結(jié)構(gòu)，形成膨脹現(xiàn)象。

（3）過(guò)燒石灰導(dǎo)致的膨脹性。如在石灰中混雜少量的過(guò)燒石灰，由于過(guò)燒石灰反應(yīng)特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致二灰碎石出現(xiàn)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(zhì)，進(jìn)而形成膨脹開(kāi)裂。

（5）鈣礬石（），過(guò)量的石膏，在一定的條件下，可以進(jìn)一步形成鈣礬石，石膏和鈣礬石都會(huì)結(jié)合大量結(jié)晶水，從而導(dǎo)致二灰碎石出現(xiàn)后期膨脹。

（6）溫度的影響?？缁こ倘绻麢M跨冬春季節(jié)，會(huì)出現(xiàn)冬凍春融問(wèn)題，在凍融條件下會(huì)對(duì)二灰碎石本身產(chǎn)生較大影響，局部會(huì)出現(xiàn)凍脹—濕脹復(fù)合現(xiàn)象。

1.2 破壞成因分析

針對(duì)導(dǎo)致二灰碎石出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象的可能原因，通過(guò)調(diào)查施工現(xiàn)場(chǎng)以及對(duì)二灰基層的采樣分析，發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程符合施工規(guī)范，不存在拌合不均、防水層處理措施不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，施工季?jié)也不會(huì)產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。

對(duì)二灰碎石的組成（質(zhì)量比：石灰15%，粉煤灰5%，碎石為級(jí)配碎石占比80%）進(jìn)行了化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)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(yán)重超標(biāo)。

脫硫粉煤灰是電廠為了環(huán)保在發(fā)電時(shí)加了一道脫硫工藝，即采用石灰（石）直接噴射等方法對(duì)燃煤熱電廠的煙氣進(jìn)行脫硫處理，并且脫硫后的灰渣重新回到粉煤灰中，結(jié)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(tài)存在的，含有CaSO4的粉煤灰應(yīng)用于路面基層時(shí)，遇水發(fā)生反產(chǎn)生水化產(chǎn)物，在路面基層強(qiáng)度形成的后期發(fā)生體積膨脹，致使路面基層出現(xiàn)開(kāi)裂，具體過(guò)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(yīng)都要使混和料發(fā)生體積膨脹。其中CaO與H2O反應(yīng)生成Ca（OH）2時(shí)，固體體積增大到原來(lái)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(yīng)生成鈣礬石3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，固體體積增大到原來(lái)的2.22倍；另一部分結(jié)晶生成二水石膏CaSO4·2H2O，固體體積增加到原來(lái)的2.26倍。由此可見(jiàn)，SO3（CaSO4）對(duì)基層的體積穩(wěn)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(fā)生膨脹后，易破壞原有路基路面結(jié)構(gòu)，使外界水分進(jìn)入，從而進(jìn)一步加劇與石膏、鈣礬石的水化反應(yīng)，形成惡性循環(huán)。

2 現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)試驗(yàn)

2.1 地聚合物摻料改性

針對(duì)上述情況與常州市建科院、東南大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了地聚合物摻料專(zhuān)門(mén)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(lái)加大CaSO4的溶解度，從而降低膨脹程度。同時(shí)地聚合物摻料通過(guò)抑制水分進(jìn)入的方式，延緩膨脹速率。小劑量地聚合物的摻入試驗(yàn)表明能夠有效提高二灰碎石的強(qiáng)度，強(qiáng)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(shí)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(jié)。環(huán)保、快速、施工簡(jiǎn)便。

2.2 試驗(yàn)步驟

為了驗(yàn)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(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)試驗(yàn)，主要分為以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。

（1）施工準(zhǔn)備。地聚合物材料準(zhǔn)備，安排機(jī)械進(jìn)場(chǎng)，該次路拌試驗(yàn)安排了：挖機(jī)1臺(tái)，裝載機(jī)1臺(tái)，穩(wěn)定土路拌機(jī)1臺(tái)，18～21T振動(dòng)壓路機(jī)1臺(tái)，三輪壓路機(jī)1臺(tái)，灑水車(chē)1臺(tái)，工人10人。

（2）準(zhǔn)備下承層。原路槽進(jìn)行驗(yàn)收，內(nèi)容包括：彎沉、寬度、平整度、橫坡等。路基必須達(dá)到表面平整、堅(jiān)實(shí)、沒(méi)有松散和軟弱點(diǎn)，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(wú)結(jié)塊現(xiàn)象。利用破碎機(jī)破碎，振動(dòng)壓路機(jī)碾壓，使零星結(jié)塊的二灰料分散，如仍有結(jié)塊無(wú)法破碎，則采用人工剔除，保證二灰料處于松散、無(wú)結(jié)塊狀態(tài)。

（4）拌和。在布好鋪平的二灰料上用石灰打出網(wǎng)格，將稱(chēng)重后的地聚合物（10%）按比例攤鋪在網(wǎng)格內(nèi)。使用穩(wěn)定土路拌機(jī)拌合，同時(shí)帶鏵犁翻勻，拌和、翻動(dòng)應(yīng)重復(fù)2～4遍，確保拌和均勻，拌和深度達(dá)到路槽，嚴(yán)禁拌和層底殘留夾層。邊角及穩(wěn)定土路拌機(jī)拌合死角應(yīng)采用人工配合挖掘機(jī)翻挖，確?；旌狭习韬途鶆颉；旌狭习鑴蚝髴?yīng)緩慢均勻適量加水，一邊噴霧加水一邊繼續(xù)拌合翻勻。一次加水不宜過(guò)多，應(yīng)緩慢、多次、按5%的加水量控制。防止混合料過(guò)濕，導(dǎo)致碾壓時(shí)粘軟及影響壓實(shí)效果（見(jiàn)圖2）。

（5）碾壓?；旌狭习韬途鶆蚝?，立即穩(wěn)壓，使用關(guān)閉振動(dòng)的振動(dòng)壓路機(jī)表面穩(wěn)壓兩遍。通過(guò)穩(wěn)壓使混合料相互間不滑動(dòng)，并且將不平整的地方暴露出來(lái)，再重復(fù)以上步驟用平地機(jī)初步整平和整形。整平符合要求后，用18 t以上振動(dòng)壓路機(jī)按“先輕后重、先慢后快、先低后高、先穩(wěn)后振”的原則碾壓兩遍，至表面無(wú)明顯輪跡，干密度符合要求為止。用21T光輪壓路機(jī)在基層全寬內(nèi)進(jìn)行碾壓。嚴(yán)禁壓路機(jī)在已完成的或正在碾壓的路段上調(diào)頭或急剎車(chē)，應(yīng)保證表面不受破壞。碾壓過(guò)程中，基層的表面應(yīng)始終保持濕潤(rùn)，如水分蒸發(fā)過(guò)快，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)灑少量的水，但嚴(yán)禁灑大水碾壓。如有“彈簧”、松散、起皮等現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)翻開(kāi)重新拌和或用其他方法處理，使其達(dá)到質(zhì)量要求（見(jiàn)圖3）。

（6）養(yǎng)生。碾壓完成并經(jīng)壓實(shí)度檢查合格后，應(yīng)立即開(kāi)始養(yǎng)生?？捎脼⑺?chē)經(jīng)常灑水進(jìn)行養(yǎng)生。每天灑水的次數(shù)應(yīng)視氣候而定。整個(gè)養(yǎng)生期間應(yīng)始終保持穩(wěn)定土層表面潮濕。在養(yǎng)生期間應(yīng)封閉交通（見(jiàn)圖4）。

（7）試驗(yàn)驗(yàn)收。根據(jù)相關(guān)規(guī)范再次測(cè)量二灰基層彎沉及鉆芯取樣。

（8）鋪筑面層。驗(yàn)收合格后攤鋪瀝青面層（見(jiàn)圖5）。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)完成后，對(duì)重新修復(fù)的二灰碎石基層進(jìn)行了取樣檢測(cè)，對(duì)樣品的7 d強(qiáng)度與28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)修復(fù)后的二灰基層7 d強(qiáng)度代表值為4.4 MPa，28 d強(qiáng)度代表值為4.5 MPa，均大于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值3.5 MPa的要求。

2.4 局部強(qiáng)度差分析

但在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，道路靠邊、地勢(shì)較低地段會(huì)出現(xiàn)起皮、分層、局部強(qiáng)度較差的現(xiàn)象，經(jīng)檢查與測(cè)試發(fā)現(xiàn)主要與以下幾個(gè)因素有關(guān)：

（1）施工拌合的均勻性，從現(xiàn)場(chǎng)施工看，地聚合物摻料拌合較好的部位，基層強(qiáng)度較高，而拌合不好的部位，底層強(qiáng)度高，上層強(qiáng)度低甚至未形成膠結(jié)體無(wú)強(qiáng)度，可見(jiàn)地聚合物摻料與二灰碎石拌合的均勻性會(huì)影響兩者的化學(xué)反應(yīng)。

（2）碾壓工藝的完整性，施工現(xiàn)場(chǎng)碾壓不充分的部位強(qiáng)度較差，這與現(xiàn)場(chǎng)二灰的含水率有很大關(guān)系，碾壓不夠充分的部位含水率不夠，會(huì)影響水化反應(yīng)，從而影響強(qiáng)度。

（3）養(yǎng)護(hù)工藝的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)施工完畢后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中，常州一直處于下雨?duì)顟B(tài)，導(dǎo)致基層的含水率過(guò)高，影響地聚合物摻料與二灰碎石的反應(yīng)。

因此，二灰的含水率對(duì)其與地聚合物的反應(yīng)影響很大，要控制在適當(dāng)?shù)姆秶?，這對(duì)施工技術(shù)提出了更高的要求。

3 結(jié)論

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

（2）現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)試驗(yàn)表明地聚合物摻料可以有效修復(fù)二灰基層強(qiáng)度，充分利用原有基層材料，環(huán)保、快速、施工簡(jiǎn)便。

（3）施工過(guò)程要注意含水率的影響，施工技術(shù)要求嚴(yán)格。

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