二灰穩(wěn)定基層材料施工可延遲性規(guī)律研究

1、 . . 7/7二灰穩(wěn)定基層材料施工可延遲性規(guī)律研究 日期：二灰穩(wěn)定基層材料施工可延遲性規(guī)律探討春秋、宋金生摘要：石灰、粉煤灰類基層材料具有顯著的施工可延遲性。本文就該特性分別從室外進(jìn)行研究，并從機(jī)理上進(jìn)行分析，認(rèn)為由于粉煤灰自身結(jié)構(gòu)上的高聚合狀態(tài)，與其與石灰之間的反應(yīng)滯后性特點(diǎn)，使二灰穩(wěn)定材料推遲碾壓成型3d左右的時(shí)間并不會(huì)影響基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的形成。關(guān)鍵詞: 粉煤灰二灰材料延遲施工道路基層石灰、粉煤灰類材料（簡(jiǎn)稱二灰）在公路建設(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用已有幾十年的歷史。以粉煤灰為主要材料的道路基層具有板體性強(qiáng)、強(qiáng)度高、以與良好的水穩(wěn)性和耐久性等特點(diǎn)，使得石灰粉煤灰細(xì)粒料底基層和石灰粉煤灰集料基層已成為我國(guó)

2、目前現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)的主要形式。 目前公路工程中應(yīng)用二灰材料的研究國(guó)外已做了大量的工作，如材料的力學(xué)性能特點(diǎn)與發(fā)展規(guī)律、二灰集料類材料的收縮特征、以與劣質(zhì)粉煤灰的改性等方面，都取得了不同程度的研究成果，為粉煤灰在公路工程中的廣泛應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。然而作為具有良好性能的粉煤灰材料，其路用特性仍有眾多需探尋和研究的地方。如實(shí)際施工中因天氣原因，已攤鋪的二灰基層材料無法與時(shí)碾壓成型，若干天之后，在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)限制的壓實(shí)時(shí)間后再碾壓成型，但最終并不影響其結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的形成。這種施工的可延遲性對(duì)二灰材料的應(yīng)用與其工程實(shí)踐都具有十分積極的意義。諸如此類的二灰材料施工特性并未見有詳細(xì)報(bào)道，本文就這一問題進(jìn)行初步

3、探討，為今后粉煤灰材料施工特性的詳細(xì)研究奠定基礎(chǔ)。室試驗(yàn)11 材料與配合比公路工程中常用的二灰基層材料大多采用二灰土或二灰粒料的形式。由于二灰路面基層結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的形成主要依靠石灰、粉煤灰之間的一系列作用而獲得，如果僅從形成強(qiáng)度的角度上討論，土和粒料只起輔助作用。因此根據(jù)現(xiàn)行規(guī)推薦的二灰比例與常用配比圍，只采用石灰和粉煤灰進(jìn)行室試驗(yàn)，以簡(jiǎn)化試驗(yàn)的方法和工作量。材料選自灞橋火電廠排放的粉煤灰，石灰為市售生石灰塊，室消解后裝袋密封待用。二材料的主要指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表1和表2。由檢測(cè)結(jié)果可以看出石灰已達(dá)到II級(jí)灰的標(biāo)表1 石灰主要指標(biāo)細(xì)度有效成分含量（%）0.71mm篩余（%）0.125mm篩余（%）氧

4、化鈣氧化鎂1.5218.2061.502.88表2 粉煤灰主要指標(biāo)成分（%）SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3燒失量46.5032.506.212.301.050.7810.02物理指標(biāo)粒徑分布（%）比重需水量比（%）80m8045m45m2.1098.516.1524.2059.65準(zhǔn)，而粉煤灰系III級(jí)灰。二灰比例為石灰：粉煤灰 = 20：80和10：90兩種形式，以標(biāo)準(zhǔn)方法擊實(shí)得到的擊實(shí)結(jié)果見表3。表3 二灰材料配合比與擊實(shí)結(jié)果配合比（質(zhì)量%）最大干容重（g/cm3）最佳含水量（%）石灰：粉煤灰 = 10：901.13034.5石灰：粉煤灰 = 20：801.15232.52

5、室試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的試驗(yàn)方法，將不同配比的二灰材料在最佳含水量條件下拌和，分別經(jīng)不同的放置時(shí)間，即拌和后延遲不同齡期，采用靜壓法成型為5050mm的圓試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生，分別測(cè)定延遲不同時(shí)間后二灰材料7d無側(cè)限飽水抗壓強(qiáng)度。石灰：表4 二灰材料延遲試驗(yàn)室結(jié)果延期時(shí)間（ 天）粉煤灰 = 10：90100%壓實(shí)度95%壓實(shí)度平 均 值（M Pa）標(biāo)準(zhǔn)差（M Pa ）偏 差系 數(shù)（%）平 均 值（M Pa ）標(biāo)準(zhǔn)差（M Pa ）偏 差系 數(shù)（%）01.220.0362.841.110.0343.0511.460.0382.631.230.0584.6821.26

6、0.0786.381.130.0675.9031.150.0696.010.930.0414.4141.130.0504.400.960.0737.6651.110.0665.980.890.10211.4161.010.11511.400.790.0617.7670.910.09310.190.720.0436.00石灰：粉煤灰 = 20：8001.510.0623.951.380.0715.3111.560.0301.841.520.0422.7721.580.0513.291.530.0412.7231.660.0825.411.350.1027.5841.530.0976.321.37

7、0.0815.9051.430.1107.711.330.0695.2061.440.0352.461.260.0423.3371.430.0241.681.260.0705.56表4中的試驗(yàn)結(jié)果清楚地表明二灰材料具有顯著的成型可延遲性，其規(guī)律表現(xiàn)為：（1）無論以何種材料配比，石灰和粉煤灰混合材料都具有一定的延遲性。二灰材料7d齡期的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值的并非是拌和當(dāng)天成型的試件，而是延遲成型一到三天的結(jié)果，且超過三天其強(qiáng)度隨延遲時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)并未有太大的降低，仍能達(dá)到較高值。（2）采用較高石灰用量配合比其可延遲性更為顯著。如二灰比例為20：80組，當(dāng)延期成型達(dá)7d時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降不到10%，

8、二比例為10：90組延遲3d時(shí)間，強(qiáng)度下降接近或超過10%。（3）壓實(shí)度對(duì)二灰穩(wěn)定材料的可延遲程度有一定的影響，壓實(shí)度越大，可延遲性越明顯，且可延遲的時(shí)間越長(zhǎng)。進(jìn)一步試驗(yàn)證實(shí)，二灰材料的成型可延遲性經(jīng)28d養(yǎng)生的抗壓強(qiáng)度仍保持了這一規(guī)律，圖1清楚地顯示了這一試驗(yàn)結(jié)果。圖1 二灰延遲不同時(shí)間28d抗壓試驗(yàn)結(jié)果圖中的結(jié)果顯示，延遲3天后再成型，其養(yǎng)生28d齡期抗壓強(qiáng)度與當(dāng)天成型的結(jié)果一樣，與延遲不同時(shí)間養(yǎng)生7d齡期的試驗(yàn)結(jié)果保持一致，從而在室較全面地證實(shí)了二灰穩(wěn)定材料的施工可延遲性。延遲機(jī)理分析已知粉煤灰的主要化學(xué)成分是硅、鋁、鐵的氧化物，通常該氧化物含量達(dá)70%80%以上，其主要結(jié)構(gòu)成分是由這些

9、氧化物形成的玻璃體，因此粉煤灰具有潛在的活性。即這種材料在水的參與下能與石灰等堿土金屬氧化物發(fā)生一系列發(fā)應(yīng)，生成具有水硬性的膠凝物質(zhì)，這一過程的形成和發(fā)展就是路用二灰材料產(chǎn)生強(qiáng)度和整體結(jié)構(gòu)的原因所在。根據(jù)研究所知，在基層加固穩(wěn)定過程中，粉煤灰與石灰之間存在多種反應(yīng)，有石灰自身的重結(jié)晶、石灰的碳酸化過程，粉煤灰與石灰之間的離子交換和以與二灰之間的火山灰反應(yīng)等，其中火山灰反應(yīng)是二灰材料強(qiáng)度形成的最主要原因。所謂的火山灰反應(yīng)是石灰與粉煤灰中的活性氧化硅和氧化鋁作用，生成具有水硬性的水化硅酸鈣（CSH）和水化鋁酸鈣（CAH）凝膠物。因此石灰、粉煤灰之間火山灰作用的經(jīng)歷，即反應(yīng)的快慢和反應(yīng)的程度將最終決

10、定二灰材料強(qiáng)度的形成和強(qiáng)度的發(fā)展。盡管粉煤灰具有可發(fā)生火山灰反應(yīng)的潛在能力，但由于粉煤灰在形成過程受眾多原因的共同影響，使得粉煤灰顆粒的玻璃體結(jié)構(gòu)相對(duì)較為致密，可溶解并能直接發(fā)生反應(yīng)的活性SiO2、Al2O3成分很少。粉煤灰除表面有少量斷鍵之外，具有潛在活性的成分大多是以聚合度較高的高聚態(tài)形式存在。而石灰與粉煤灰之間的火山灰反應(yīng)要經(jīng)歷兩個(gè)過程，一是高聚態(tài)玻璃體在堿性條件下解聚成低聚體（如單聚體SiO44，二聚體Si2O76等），二是形成的低聚體與石灰Ca(OH)2發(fā)生所謂火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣（CSH）和水化鋁酸鈣（CAH）凝膠物。由于粉煤灰在高聚態(tài)時(shí)的SiO鍵和AlO鍵的鍵能較大，普通條

11、件下解聚能力有限，而且解聚速度也較慢。因此初期粉煤灰與石灰之間的作用大多集中于二灰反應(yīng)的第一步上，即粉煤灰玻璃體的解聚過程上。因此二灰之間早期的反應(yīng)程度必定很低，僅以物理過程為主，如石灰的重結(jié)晶或石灰與粉煤灰之間的離子交換等，而這些變化對(duì)強(qiáng)度形成的貢獻(xiàn)是非常有限的。認(rèn)為二灰材料早期強(qiáng)度較低的普遍共識(shí)即與此有關(guān)。只有經(jīng)歷一定的時(shí)間，逐步解聚的粉煤灰火山灰活性才能漸漸表現(xiàn)出來，使二灰材料的強(qiáng)度得以形成和不斷的發(fā)展。正是由于粉煤灰與石灰之間作用的這一特點(diǎn)，造成了二灰穩(wěn)定基層材料的施工可延遲性。當(dāng)二灰穩(wěn)定材料拌和之后，在延遲施工不進(jìn)行碾壓的過程中，盡管松散狀態(tài)下會(huì)對(duì)早期材料的物理作用效果產(chǎn)生一定的影響

12、，但非常有限，而且也不會(huì)妨礙石灰的重結(jié)晶和離子交換，重要的是適當(dāng)延遲施工并不會(huì)影響以后石灰和粉煤灰之間的火山灰反應(yīng)。因?yàn)樵诙也牧蟿偘韬秃玫淖畛蹼A段，混合料在微觀狀態(tài)下還只是一種非均質(zhì)狀態(tài)，特別是水分的分布還很不均勻，需要經(jīng)過一段所謂的悶料時(shí)間，使水分通過在材料顆粒表面的擴(kuò)散而達(dá)到進(jìn)一步重新分布。經(jīng)過這一過程，必然有利于以后混合料之間的相互反應(yīng)。同時(shí)這一過程更加有利于石灰產(chǎn)生的堿性條件隨水分的擴(kuò)散而進(jìn)一步均態(tài)化，為隨后的火山灰反應(yīng)做好準(zhǔn)備。如果拌和后立即碾壓，在壓實(shí)的狀態(tài)下會(huì)阻礙水分的充分?jǐn)U散或是減緩這種擴(kuò)散，這樣就有可能對(duì)以后的各種反應(yīng)不利。這正是延遲施工之后，最初的幾天強(qiáng)度不僅不降反而有一

13、定提高的原因所在。當(dāng)然延遲施工超出一定時(shí)間，早期火山灰反應(yīng)產(chǎn)生的凝膠物質(zhì)的作用在松散狀態(tài)下無法得到發(fā)揮，使強(qiáng)度會(huì)有所下降。但由于火山灰反應(yīng)是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，二灰穩(wěn)定材料的強(qiáng)度仍可以在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期里不斷形成和增長(zhǎng)，現(xiàn)已有試驗(yàn)證明當(dāng)二灰材料延期達(dá)一個(gè)月以上時(shí)間，成型之后仍具有一定的強(qiáng)度和水穩(wěn)性。而單獨(dú)石灰或水泥穩(wěn)定類材料卻不具備這一特點(diǎn)，這兩類材料僅在很短的時(shí)間里就需成型，否則無法形成必要的強(qiáng)度。當(dāng)水泥穩(wěn)定類基層材料碾壓時(shí)間超出水泥的終凝時(shí)間，甚至無強(qiáng)度形成?？梢娛┕さ目裳舆t性是二灰穩(wěn)定材料的一個(gè)獨(dú)有的特性。隨著壓實(shí)度的提高以與石灰用量在一定圍的增大，更加有利于二灰材料之間的相互作用與火山灰反

14、應(yīng)效果的發(fā)揮，從而表現(xiàn)為延遲效果的進(jìn)一步提高。實(shí)驗(yàn)段驗(yàn)證針對(duì)二灰材料的施工可延遲性特點(diǎn)，結(jié)合東疆保稅港區(qū)一期物流加工區(qū)工程（二批）三標(biāo)段進(jìn)行了驗(yàn)證。此工程有25萬平米的堆場(chǎng)，堆場(chǎng)結(jié)構(gòu)層為：山皮土（25cm）+二灰碎石（25cm）+水泥穩(wěn)定碎石（35cm）+10cm厚 CC50聯(lián)鎖塊。考慮到將來鉆芯取樣的方便，針對(duì)基層二灰碎石進(jìn)行延遲性試驗(yàn)。方法是按照生產(chǎn)配合比，將二灰碎石材料機(jī)械拌和后堆放在一起。為防止水分蒸發(fā)，用塑料彩條布加以覆蓋。經(jīng)過不同的堆放時(shí)間后，按照生產(chǎn)路完全一樣的施工過程進(jìn)行攤鋪、碾壓。經(jīng)歷一段時(shí)間后，通過鉆芯的方式取樣，并進(jìn)行飽水抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。表5 實(shí)驗(yàn)段延遲性試驗(yàn)結(jié)果正常施工延

15、遲3天延遲5天延遲7天位置5區(qū)堆場(chǎng)1區(qū)堆場(chǎng)北側(cè)1區(qū)堆場(chǎng)南側(cè)6區(qū)堆場(chǎng)壓實(shí)度100.5%104.2%102.2%102.0%含水量10.0%6.1%10.2%10.9%實(shí)驗(yàn)路表觀強(qiáng)度*5.21 MP a4.81 MP a5.96 MP a6.42 MP a*因工地現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件的限制，很難對(duì)不同延遲性實(shí)驗(yàn)路段的試驗(yàn)過程完全控制一致，為使結(jié)果具有可比性，需要將鉆芯取樣所得的強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，即將不同實(shí)驗(yàn)段所得的飽水抗壓強(qiáng)度換算成每天單位時(shí)間的結(jié)果，并乘以100得到所謂的實(shí)驗(yàn)路表觀強(qiáng)度。由表5中的結(jié)果可看出，經(jīng)過不同時(shí)間的延遲之后，其強(qiáng)度結(jié)果發(fā)展與正常施工路段基本保持一致，并未顯示出二灰材料經(jīng)過延遲

16、其強(qiáng)度的形成和發(fā)展會(huì)受到影響的現(xiàn)象，說明二灰材料的確具有所謂的施工可延遲性。而延遲時(shí)間最短的三天結(jié)果相對(duì)較低，則可能是因拌和用水量明顯偏少所致，因此實(shí)現(xiàn)二灰材料的施工的可延遲性，要注意延遲期間含水量的蒸發(fā)損失，碾壓時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)材料的含水量的大小，在需要時(shí)補(bǔ)充水分，確保施工時(shí)材料的水分處于一個(gè)合理的圍。由于不同延遲實(shí)驗(yàn)路段在試驗(yàn)過程中所經(jīng)受的變化因素在自然條件下無法加以人為控制（如材料攤鋪后環(huán)境溫度的高低和變化的幅度）以與試驗(yàn)過程的一致性程度等原因的影響（如基層與面層攤鋪的間隔時(shí)間、成型后到鉆芯取樣所經(jīng)歷時(shí)間的長(zhǎng)短），使得試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。結(jié)語通過初步的室外試驗(yàn)研究，證實(shí)石灰、粉煤灰材料具有較顯著的施工可延遲性，從而為二灰材料合理的延遲施工以與施工周期的合理安排提供了科學(xué)依據(jù)，使這類目前最常見的路用材料在使用過程中具有了更為寬松的條件。二灰材料施工可延遲性有以下特點(diǎn)：（1）施工的可延遲性是石灰、粉煤灰類材料的普遍特性，通常拌和后有一到三天最佳可延遲時(shí)間，且高比例的石灰用量比低比例的二灰材料有更顯著的延遲特征；（2）二灰材料施工可延遲性原因在于粉煤灰