張 睿，孔冬雷

(1.蘇州市政園林工程集團有限公司，江蘇 蘇州 215031; 2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210096)

0 引言

我國自80年代開始，高速公路多采用沙慶林院士提出的半剛性基層路面結(jié)構(gòu)形式，其中水泥穩(wěn)定碎石基層應(yīng)用廣泛，但其強度較高，易產(chǎn)生反射裂縫，且材料費用較高;二灰碎石基層以其耐久性好、強度好、造價低、施工方便等優(yōu)點被應(yīng)用于各類路面工程中［1］。近年來，國內(nèi)外路面結(jié)構(gòu)專家進行大量研究表明，二灰碎石基層的抗疲勞、抗開裂性能有顯著優(yōu)勢;但隨著此種路面結(jié)構(gòu)類型的推廣應(yīng)用，部分路段在早期顯現(xiàn)出波浪、橫縱裂縫、車轍、基層松散等病害，嚴重影響工程質(zhì)量［2］。本文從基層原材料及粉煤灰特性出發(fā)，從宏觀到微觀，全面分析瀝青路面損壞原因及機理，為二灰碎石基層的質(zhì)量控制提供指導(dǎo)意見。

1 工程概況

本文結(jié)合某一級公路現(xiàn)狀，分析病害成因與機理。道路路面結(jié)構(gòu)層為:4 cm 厚AC－13C 上面層+5 cm 厚 AC－16C 中面層+6 cm 厚 AC－20C 下面層+瀝青封層+32 cm 厚二灰碎石基層+20 cm 二灰土，如圖1所示。

現(xiàn)場勘查表明，道路局部路段出現(xiàn)不同程度的車轍、波浪、橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂等病害。現(xiàn)場對路面病害路段進行坑探、鉆芯取樣，觀測病害發(fā)展狀況，并分別取樣瀝青混凝土、二灰碎石基層進行室內(nèi)檢測。

圖1 路面結(jié)構(gòu)圖

2 原因分析

結(jié)合現(xiàn)場坑探及相關(guān)室內(nèi)試驗，分析路面產(chǎn)生病害的原因可能存在以下幾點:①交通量大、超載超限車輛過多導(dǎo)致局部路段出現(xiàn)裂縫及車轍等病害;②水損害:路面出現(xiàn)裂縫后，雨水下滲，路面基層長期被水浸泡，導(dǎo)致松軟潮濕;③二灰碎石基層中粉煤灰SO3含量較高，使得二灰碎石遇水膨脹，導(dǎo)致路面波浪擁包、裂縫等病害產(chǎn)生。

2.1 瀝青混合料面層

瀝青混合料面層主要由級配碎石與石油瀝青構(gòu)成，原材料與級配類型能直接影響路面使用性能。目前，瀝青混合料強度領(lǐng)域主要有兩種理論:一種是以瀝青材料為主，混合料強度理論認為瀝青對混合料性能影響較大，混合料強度依靠瀝青的粘附力作用，主要以高粘瀝青、環(huán)氧瀝青為代表;另一種是以集料為主，混合料強度理論認為集料的骨架嵌擠作用對混合料影響較大，混合料強度依靠集料的骨架作用力，主要以SMA 斷級配骨架結(jié)構(gòu)為代表。本路段面層采用上、中、下三層結(jié)構(gòu)，且均采用C 型粗級配，骨架良好，具有一定的強度［3］。對各層位瀝青混合料芯樣進行室內(nèi)抽提試驗，結(jié)果如表1所示。由表1可知，混合料級配均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求，混合料性能有一定保障。

表1 抽提后混合料級配組成表

2.2 二灰碎石基層

二灰碎石基層是路面結(jié)構(gòu)主要承重部分，其強度直接影響路面質(zhì)量。由上述可知，瀝青混合料面層的性能良好，初期病害產(chǎn)生的原因主要集中在基層［4］?，F(xiàn)場進行坑探，位置選取3 個病害點裂縫?、車轍?、波浪?和1 個完好點?。結(jié)果表明，裂縫?、車轍?、波浪?測點的基層松散，含水量較大，強度不足;而完好點?的基層完好，無松散，較干燥，強度較高。如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場坑探

現(xiàn)場取樣 a、b、c、d 測點二灰碎石基層料，進行室內(nèi)試驗，按照《水泥化學分析方法》GB/T 176 －2008 標準檢測三氧化硫含量，測試結(jié)果如表2所示。

表2 各測試點二灰碎石基層三氧化硫含量檢測結(jié)果

由表2可知，a、b、c 取樣點的三氧化硫含量分別為6.57%、5.51%、7.62%，d 點為0.10%。裂縫?位置超過允許值119%;車轍?位置超過83.7%;波浪?位置超過154%;完好點?硫含量遠小于允許值。這與路面病害產(chǎn)生為位置吻合，路面病害產(chǎn)生位置二灰碎石基層的三氧化硫含量較高，而路面良好路段三氧化硫含量較低。由此可知，三氧化硫含量對基層質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

3 機理分析

二灰碎石基層是指以石灰、粉煤灰與碎石按一定的配比混合養(yǎng)生而成的混合料，而三氧化硫主要來源于粉煤灰中［5，6］。

粉煤灰源于煤燃燒礦渣，依據(jù)燃燒工藝流程，將粉煤灰分為兩種來源:一種是未燃盡碳及礦物沿煙道經(jīng)過熱器、省煤器流至空氣預(yù)熱器時溫度驟降，熔融灰因凝縮而使其內(nèi)部氣體受到壓縮，成為中空球狀灰，再經(jīng)電除塵器及倉泵收集的粉狀顆粒，其表面光滑，粒徑較小，含水量低，即“干灰”，含量占灰渣總量的70%～85%;另一種是爐渣掉入爐底冷灰斗，經(jīng)水冷卻撈渣機撈出經(jīng)碎渣機粉碎，其表面呈蜂窩狀，粒徑較粗，含水量較高，即“濕灰”，含量占灰渣總量的15%～30%［7］。分別選取3 組干灰和濕灰檢測其含水量及硫含量如表3所示。

由表3可知，干灰的含水量和硫含量較低，而濕灰的含水量及硫含量均較高。

本工程檢測結(jié)果表明病害處基層含水量高，硫含量高，可認為由于采用濕灰作為基層摻和料，而為工程質(zhì)量留下了隱患。SO3是影響基層穩(wěn)定性的重要因素，它在水的作用下可以和CaO 發(fā)生化學反應(yīng)生成CaSO4(硬石膏)或者CaSO4·Na2SO4(無水鈣質(zhì)芒硝)。反應(yīng)式如式(1)、式(2)。

表3 粉煤灰含水量及硫含量 %

硬石膏和無水鈣質(zhì)芒硝遇水發(fā)生化學反應(yīng)，生成 CaSO4·2H2O(石膏)或 CaSO4·Na2SO4·10H2O鈣質(zhì)芒硝)，體積膨脹約30%，產(chǎn)生2.5～151 kPa 的膨脹力。反應(yīng)式如式(3)、式(4)。

由此可知，當二灰碎石基層中粉煤灰中硫含量較高時，遇水與CaO 發(fā)生化學反應(yīng)體積膨脹，膨脹力無法消除，向路面面層傳遞，并在車輛的反復(fù)作用下，基層受力不均，形成裂縫、拱起等病害，嚴重影響路面使用性能。

4 總結(jié)

通過對某一級公路實際工程病害情況研究分析，結(jié)合室內(nèi)和室外檢測結(jié)果，得出病害成因和形成機理，為后期工程質(zhì)量提供可參考依據(jù)。主要結(jié)論:①對瀝青面層混凝土性能進行全面檢測，發(fā)現(xiàn)其指標均滿足質(zhì)量要求;②對路面結(jié)構(gòu)基層進行檢測，結(jié)合室內(nèi)外試驗結(jié)果，得知路面基層中粉煤灰硫含量的大小和路面質(zhì)量有直接關(guān)系;③從微觀方面分析病害形成原因，透析了粉煤灰遇水膨脹，發(fā)生化學變化的全過程。因此，二灰碎石基層是一種良好的基層材料，其質(zhì)量關(guān)鍵主要為粉煤灰中硫含量，在工程中應(yīng)多選用干灰，保證工程質(zhì)量。

［1］慈維超，喬宇峰.二灰碎石基層對水泥穩(wěn)定碎石的優(yōu)勢［J］.山西建筑，2011，37(29):134 －135.

［2］徐江萍.水泥粉煤灰碎石基層瀝青路面抗裂性能研究［D］.西安:長安大學，2006.

［3］嚴家仍.道路建筑材料［M］.北京:人民交通出版社，1996.

［4］宣荷香，孫國軍，王 海.粉煤灰在二灰碎石基層中的應(yīng)用研究［J］.市政技術(shù)，2005，23(1):53 －56.

［5］楊 毅，榮 建.石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石基層瀝青路面拱起原因分析［J］.交通科技，2009(2):83 －85

［6］蕭 賡，梁乃興，陳聰華.水泥粉煤灰級配碎石基層混合料微觀機理分析［J］.重慶交通學院學報，2002，21(2):49 －52.

［7］姚志通.固體廢棄物粉煤灰的資源化利用——以杭州熱電廠和半山電廠粉煤灰為例［D］.杭州:浙江大學，2010.

［8］張祖棠，趙 亮.基于復(fù)合材料學的粉煤灰對瀝青作用機理的試驗研究［J］.公路工程，2012(1):161 －166.