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環(huán)保脫硫型粉煤灰對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定基層膨脹開裂的破壞機(jī)理研究

胡江洋1，2，毛君3，張浩1，折學(xué)森1

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710000；

2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710000；

3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710000)

摘要:基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、破壞特征分析、化學(xué)成分分析和室內(nèi)試驗(yàn)等方法，對(duì)某在建高等級(jí)公路環(huán)保脫硫型粉煤灰與道路水泥粉煤灰穩(wěn)定基層膨脹開裂病害之間的關(guān)系等進(jìn)行分析。采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的方法對(duì)沿線路面病害狀況進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明：路面的病害類型及病害程度主要與路面結(jié)構(gòu)層體積膨脹有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及路面材料化學(xué)成分分析結(jié)果，對(duì)路面病害成因進(jìn)行的探討，并得出路面病害主要由粉煤灰中含硫量過高造成路面結(jié)構(gòu)層體積膨脹引起。通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試水泥粉煤灰穩(wěn)定基層體積安定性及剩余強(qiáng)度，最終得出環(huán)保脫硫型粉煤灰是造成水泥粉煤灰穩(wěn)定基層開裂主要原因的結(jié)論，這對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層如何正確使用環(huán)保脫硫型粉煤灰具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：道路工程；環(huán)保脫硫型粉煤灰；水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層；膨脹開裂

從穩(wěn)定土原理上講，粉煤灰與石灰并用能起到較好的穩(wěn)定效果。有些地區(qū)有粉煤灰資源而缺乏石灰，或有石灰，但質(zhì)量不合格或不穩(wěn)定，只能用水泥和粉煤灰穩(wěn)定。水泥粉煤灰穩(wěn)定類材料的強(qiáng)度發(fā)展特征介于水泥穩(wěn)定和石灰粉煤灰穩(wěn)定的情況之間，即早期強(qiáng)度高于石灰粉煤灰穩(wěn)定而低于水泥穩(wěn)定；后期強(qiáng)度發(fā)展幅度高于水泥穩(wěn)定而低于石灰粉煤灰穩(wěn)定，可以有效避免二灰基層前期強(qiáng)度不足及水穩(wěn)基層后期產(chǎn)生溫縮、干縮裂縫等問題?；诖?，《瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD50—2004)列入水泥粉煤灰穩(wěn)定基層類型，允許在設(shè)計(jì)時(shí)采用該種穩(wěn)定類基層，并提出水泥粉煤灰穩(wěn)定類基層、底基層中水泥劑量宜在3%~6%，水泥粉煤灰與集料的質(zhì)量比宜為13～17∶87～83，集料級(jí)配要求與石灰粉煤灰穩(wěn)定類混合料相同。根據(jù)規(guī)范《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034—2000)中對(duì)粉煤灰是這樣規(guī)定的：“粉煤灰中SiO2，Al2O3和Fe2O3的總含量應(yīng)大于70% ,粉煤灰的燒失量不應(yīng)超過20%,粉煤灰的比表面積宜大于2 500 cm2/g (或90%通過0.3 mm 篩孔,70%通過0. 075 mm 篩孔) ”。在公路施工中一般關(guān)注的是其燒失量和比表面積,而對(duì)其化學(xué)成分指標(biāo)并不是特別強(qiáng)調(diào)。對(duì)粉煤灰的原材料質(zhì)量與成分的要求，特別是對(duì)含硫量并沒有引起足夠的重視，但是粉煤灰中含硫量過高會(huì)對(duì)路面基層產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其膨脹開裂，繼而發(fā)展成為表面變形、凹凸不平，且結(jié)構(gòu)喪失強(qiáng)度嚴(yán)重影響路面的平整度和通行性能。本文通過對(duì)一條公路施工過程當(dāng)中，水泥粉煤灰基層出現(xiàn)膨脹開裂破壞的分析來說明這一問題。

1高含硫基層破壞特征

該公路路面基層和底基層設(shè)計(jì)采用水泥粉煤灰穩(wěn)定級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)。施工所用粉煤灰來源于項(xiàng)目附近區(qū)域的電廠(以下簡稱甲電廠)的路段在基層施工約2個(gè)月左右出現(xiàn)無規(guī)律的裂紋，繼而發(fā)展成為開裂、表面變形、凹凸不平，且結(jié)構(gòu)明顯膨脹。從膨脹處挖出來的集料質(zhì)地疏松、無強(qiáng)度，基本呈散粒狀，即使有整體性比較好的集料，基本沒有剩余強(qiáng)度，甚至不如新拌未經(jīng)壓實(shí)的凝固料。

筆者對(duì)破壞后路面進(jìn)行了強(qiáng)度的彎沉檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，受膨脹破壞影響，路面彎沉值普遍偏大。路基左、右幅65%以上段落實(shí)測(cè)彎沉值>設(shè)計(jì)驗(yàn)收彎沉(23)。路面結(jié)構(gòu)層整體強(qiáng)度較差。見圖1~2。

圖1　路基左幅破壞后實(shí)測(cè)彎沉匯總Fig.1 Measured deflection summary afterroadbed left destruction

圖2　路基右幅破壞后實(shí)測(cè)彎沉匯總Fig.2 Measured deflection summary after roadbedright destruction

2破壞原因分析

2.1路面結(jié)構(gòu)層細(xì)粒含量分析

根據(jù)《JTGD50—2004》要求，水泥粉煤灰穩(wěn)定類基層、底基層中水泥劑量宜在4%，水泥粉煤灰與集料的質(zhì)量比宜為16∶84，集料級(jí)配要求與石灰粉煤灰穩(wěn)定類混合料相同。集料各粒徑組成見表1。

表1　級(jí)配碎石各粒徑顆粒的組成

施工現(xiàn)場(chǎng)采集的樣品,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了粗細(xì)顆粒剝離,然后用稱重法測(cè)試水泥粉煤灰碎石層中粗粒(碎石)和細(xì)粒(水泥+粉煤灰)含量,再分析膨脹性礦物占整個(gè)混合料中細(xì)粒部分的百分含量，試驗(yàn)成果見表2。

根據(jù)《瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》 (JTGD50—2004)對(duì)粗細(xì)集料的界定，以4.75 mm作為分界尺寸，對(duì)于水泥粉煤灰穩(wěn)定基層，細(xì)集料包括小于4.75 mm細(xì)集料和約20%的水泥粉煤灰，如果將混合料中小于4.75 mm的材料當(dāng)作填充粗細(xì)骨架空隙的“填充料”，則填充料的含量應(yīng)該為20%～30%。由表1可見,試樣的細(xì)粒含量都比設(shè)計(jì)值高，這可能是施工中配合比偏離了設(shè)計(jì)，也可能因?yàn)榘韬筒痪蛘呷舆^程中發(fā)生離析等原因使試驗(yàn)結(jié)果代表性有局限性，細(xì)粒含量偏高加之粉煤灰含硫量高，也加速了水泥粉煤灰碎石層的破壞。

表2　結(jié)構(gòu)層中碎石和細(xì)粒(水泥+粉煤灰)含量

2.2路面結(jié)構(gòu)層細(xì)料化學(xué)成分分析

施工現(xiàn)場(chǎng)采集了發(fā)生破壞的水泥粉煤灰碎石層樣品,烘干后對(duì)粗細(xì)集料分離，對(duì)細(xì)料進(jìn)行化學(xué)成分分析。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3　水泥粉煤灰碎石細(xì)粒部分硫酸鹽成分分析

1)電廠在發(fā)電燃燒過程中,為了保護(hù)環(huán)境增加了脫硫工藝,通過添加CaO和Ca(OH)2等脫硫劑將以前以S02排放到大氣中的硫截留到粉煤灰中；

圖3　路基右側(cè)基層硫酸鹽含量分布圖Fig.3 Grass embankment on the right side of sulphatecontent distribution

3水泥粉煤灰基層膨脹破壞機(jī)理

3.1膨脹破壞機(jī)理分析

環(huán)保型粉煤灰脫硫后增加了SO3的含量。采用的脫硫劑主要有： CaO作脫硫劑，爐內(nèi)噴鈣法脫硫，Ca(OH)2作脫硫劑濕法脫硫。 在粉煤灰中SO3是以CaSO4的形式存在， 此材料用于工程時(shí)，遇水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生水化產(chǎn)物，其反應(yīng)過程為：

1)CaSO4+H2O→CaSO4·2H2O；

2)CaSO4·2H2O+3CaO·Al2O3·6H2O+H2O3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

上述反應(yīng)都能使體積膨脹，CaSO4溶解于H2O后一部分與活性Al2O3等Ca(OH)2和水反應(yīng)生成3 CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(俗稱“鈣礬石AFt”)，固體體積增加到原來的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的 2.26倍。水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石在短時(shí)間內(nèi)形成較高的強(qiáng)度，當(dāng)鈣礬石與二水石膏形成時(shí)，產(chǎn)生相當(dāng)大的結(jié)晶內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)結(jié)晶內(nèi)應(yīng)力大于早期強(qiáng)度時(shí)試件發(fā)生開裂破壞。這也就是為什么混和料結(jié)構(gòu)開始已具有強(qiáng)度，但后來會(huì)發(fā)生體積膨脹進(jìn)而喪失強(qiáng)度的原因。

3.2室內(nèi)試驗(yàn)研究論證

根據(jù)目前的研究成果[1]，適量的SO3對(duì)水泥粉煤灰基層的早期強(qiáng)度是有利的,但過高含硫量會(huì)對(duì)水泥粉煤灰基層的體積安定性和強(qiáng)度造成不利影響。

使用項(xiàng)目采用的甲電廠粉煤灰，參照施工配合比按照98%壓實(shí)度用靜壓法制備水泥粉煤灰試件，對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的破壞過程進(jìn)行還原。由于水泥粉煤灰基層的體積安定性沒有標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，本次研究選用壓蒸試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，按確定的比例成型試件(直徑為φ5 cm×5 cm),將新成型試件養(yǎng)生28 d后立即進(jìn)行120℃高溫壓蒸試驗(yàn)。同時(shí)對(duì)膨脹變形后試件進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4　水泥粉煤灰基層試件壓蒸膨脹率及

圖4　不同含硫量試件膨脹率曲線關(guān)系Fig.4 Different sulfur content specimen inflation rate curve

圖5　不同含硫量試件剩余強(qiáng)度曲線關(guān)系Fig.5 Different sulfur content specimen residualstrength curve relationship

試驗(yàn)結(jié)果表明，3號(hào)和4號(hào)粉煤灰的含硫量最高,試件膨脹率最大,試件已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重膨脹破壞，結(jié)構(gòu)已經(jīng)松散，基本沒有強(qiáng)度; 1號(hào)粉煤灰的有效成分含硫量最低,相應(yīng)試件膨脹率最小,試件只是輕微膨脹，剩余強(qiáng)度變化不大。2號(hào)粉煤灰的含硫量較1號(hào)大，但比3號(hào)和4號(hào)小，膨脹率介于其間。由此可知,膨脹率與粉煤灰有效成分含量和含硫量的大小緊密相關(guān)。見圖4。

試驗(yàn)中試件在混合料配合比相同且有效成分含量也大致相同的情況下,試件體積膨脹變形后剩余抗壓強(qiáng)度隨著含硫量的逐漸升高而降低，試驗(yàn)結(jié)果表明試件剩余強(qiáng)度變化在含硫量6%~7%左右時(shí)尤為明顯，這一點(diǎn)與前人的研究成果[4],粉煤灰的含硫量在6%時(shí),強(qiáng)度和體積安定性可以達(dá)到一個(gè)平衡”基本一致。見圖5。

4結(jié)論

1)在以往研究中，建設(shè)、施工單位對(duì)粉煤灰中含硫量對(duì)路面基層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響未引起足夠的重視，導(dǎo)致多條在建或竣工的道路基層發(fā)生破壞，通過這些教訓(xùn)說明，高含硫粉煤灰是否還能按照普通粉煤灰應(yīng)用于公路工程是值得思考的一個(gè)問題。

2)電廠的粉煤灰脫硫工藝是一個(gè)必然趨勢(shì)，不能否認(rèn)其對(duì)于環(huán)保的貢獻(xiàn)。但對(duì)于利用粉煤灰的公路工程來說，就必須研究如何控制其SO3的含量，在施工配合比設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行強(qiáng)度、體積安定性等試驗(yàn)，以驗(yàn)證是否能夠達(dá)到路用性能。

3)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范中未對(duì)環(huán)保脫硫型粉煤灰質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定，質(zhì)量要求仍停留在普通粉煤灰階段，這對(duì)于推廣使用水泥粉煤灰或石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石基層帶來一系列的隱患，應(yīng)該引起重視。

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(編輯陽麗霞)

Environmental protection desulfurization fly ash on the destruction mechanism of expansion crack on the base of the cement fly-ash stabilizedHU Jiangyang1,2，MAO Jun3，ZHANG Hao1，SHE Xueshen1

(1. Highway College, Chang’an University, Xi’an 710000, China;

2. CCCC First Highway Consultants Co., LTD, Xi’an 710000, China;

3. CCTEC XI’AN Research Institute, Xi’an 710000, China)

Abstract:Based on field investigation, the failure characteristics, chemical composition analysis, laboratory test and other methods, the relationship between the crack diseases on the base of the cement fly-ash stabilized for a certain highway environmental protection desulfurization fly ash and road under construction expansion are analyzed. First, adopting the method of field investigation pavement disease along the whole line. The obtained data shows that the pavement disease type and extent of disease mainly related to pavement structure layer volume expansion. Then according to the results of field investigation and pavement material chemical composition analysis，through laboratory test of measuring the cement fly-ash stabilized subbase volume stability and residual strength, it can be concluded that the pavement disease is mainly caused by excessive sulfur content in the fly ash pavement structure layer. Finally it is concluded that environmental desulfurization fly ash is the main cause of crack on the base of the cement fly-ash stabilized，which can be an important guidence to environmental protection.

Key words:highway engineering; environmental desulfurization fly ash; fly ash cement stabilized gravel base; expansion cracking

中圖分類號(hào)：TU4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)01-0069-05

通訊作者：胡江洋(1984—)，男，河南扶溝人，高級(jí)工程師，博士研究生，從事道路工程，邊坡工程研究；E-mail: 147916873@qq.com

基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20110205110003)

收稿日期：*2015-05-13