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二灰稳定基层材料施工可延迟性规律探讨

韩春秋、宋金生

摘要：石灰、粉煤灰类基层材料具有显著的施工可延迟性。本文就该特性分别从室内外进行研究，并从机理上进行分析，认为由于粉煤灰自身结构上的高聚合状态，及其与石灰之间的反应滞后性特点，使二灰稳定材料推迟碾压成型3d左右的时间并不会影响基层结构强度的形成。
关键词: 粉煤灰 二灰材料 延迟施工 道路基层

石灰、粉煤灰类材料（简称二灰）在公路建设领域中的应用已有几十年的历史。以粉煤灰为主要材料的道路基层具有板体性强、强度高、以及良好的水稳性和耐久性等特点，使得石灰粉煤灰细粒料底基层和石灰粉煤灰集料基层已成为我国目前现有路面结构的主要形式。
目前公路工程中应用二灰材料的研究国内外已做了大量的工作，如材料的力学性能特点及发展规律、二灰集料类材料的收缩特征、以及劣质粉煤灰的改性等方面，都取得了不同程度的研究成果，为粉煤灰在公路工程中的广泛应用打下了良好的基础。然而作为具有良好性能的粉煤灰材料，其路用特性仍有众多需探寻和研究的地方。如实际施工中因天气原因，已摊铺的二灰基层材料无法及时碾压成型，若干天之后，在远远超过规范限制的压实时间后再碾压成型，但最终并不影响其结构和强度的形成。这种施工的可延迟性对二灰材料的应用及其工程实践都具有十分积极的意义。诸如此类的二灰材料施工特性并未见有详细报道，本文就这一问题进行初步探讨，为今后粉煤灰材料施工特性的详细研究奠定基础。
1． 室内试验
1．1 材料及配合比
公路工程中常用的二灰基层材料大多采用二灰土或二灰粒料的形式。由于二灰路面基层结构和强度的形成主要依靠石灰、粉煤灰之间的一系列作用而获得，如果仅从形成强度的角度上讨论，土和粒料只起辅助作用。因此根据现行规范推荐的二灰比例及常用配比范围，只采用石灰和粉煤灰进行室内试验，以简化试验的方法和工作量。
材料选自西安灞桥火电厂排放的粉煤灰，石灰为市售生石灰块，室内消解后装袋密封待用。二材料的主要指标检测结果见表1和表2。由检测结果可以看出石灰已达到II级灰的标
表1 石灰主要指标
细度
有效成分含量（%）
0.71mm筛余（%）
0.125mm筛余（%）
氧化钙
氧化镁
1.52
18.20
61.50
2.88

表2 粉煤灰主要指标
成分（%）
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
烧失量
46.50
32.50
6.21
2.30
1.05
0.78
10.02
物理指标
粒径分布（%）
比重
需水量比（%）
80μm
80～45μm
＜45μm
2.10
98.5
16.15
24.20
59.65
准，而粉煤灰系III级灰。
二灰比例为石灰：粉煤灰 = 20：80和10：90两种形式，以标准方法击实得到的击实结果见表3。
表3 二灰材料配合比与击实结果
配合比（质量%）
最大干容重（g/cm3）
最佳含水量（%）
石灰：粉煤灰 = 10：90
1.130
34.5
石灰：粉煤灰 = 20：80
1.152
32.5

1． 2室内试验结果
根据《公路工程无机结合料稳定基层试验规程》规定的试验方法，将不同配比的二灰材料在最佳含水量条件下拌和，分别经不同的放置时间，即拌和后延迟不同龄期，采用静压法成型为Φ50×50mm的圆试件，在标准条件下养生，分别测定延迟不同时间后二灰材料7d无侧限饱水抗压强度。
石灰：表4 二灰材料延迟试验室内结果
延期时间（ 天）
粉煤灰 = 10：90
100%压实度
95%压实度
平 均 值
（ M Pa）
标准差
（ M Pa ）
偏 差
系 数
（%）
平 均 值
（ M Pa ）
标准差
（ M Pa ）
偏 差
系 数
（%）
0
1.22
0.036
2.84
1.11
0.034
3.05
1
1.46
0.038
2.63
1.23
0.058
4.68
2
1.26
0.078
6.38
1.13
0.067
5.90
3
1.15
0.069
6.01
0.93
0.041
4.41
4
1.13
0.050
4.40
0.96
0.073
7.66
5
1.11
0.066
5.98
0.89
0.102
11.41
6
1.01
0.115
11.40
0.79
0.061
7.76
7
0.91
0.093
10.19
0.72
0.043
6.00
石灰：粉煤灰 = 20：80
0
1.51
0.062
3.95
1.38
0.071
5.31
1
1.56
0.030
1.84
1.52
0.042
2.77
2
1.58
0.051
3.29
1.53
0.041
2.72
3
1.66
0.082
5.41
1.35
0.102
7.58
4
1.53
0.097
6.32
1.37
0.081
5.90
5
1.43
0.110
7.71
1.33
0.069
5.20
6
1.44
0.035
2.46
1.26
0.042
3.33
7
1.43
0.024
1.68
1.26
0.070
5.56

表4中的试验结果清楚地表明二灰材料具有显著的成型可延迟性，其规律表现为：
（1）无论以何种材料配比，石灰和粉煤灰混合材料都具有一定的延迟性。二灰材料7d龄期的抗压强度达到最大值的并非是拌和当天成型的试件，而是延迟成型一到三天的结果，且超过三天其强度随延迟时间的进一步延长并未有太大的降低，仍能达到较高值。
（2）采用较高石灰用量配合比其可延迟性更为显著。如二灰比例为20：80组，当延期成型达7d时，抗压强度下降不到10%，二比例为10：90组延迟3d时间，强度下降接近或超过10%。
（3）压实度对二灰稳定材料的可延迟程度有一定的影响，压实度越大，可延迟性越明显，且可延迟的时间越长。
进一步试验证实，二灰材料的成型可延迟性经28d养生的抗压强度仍保持了这一规律，图1清楚地显示了这一试验结果。
图1 二灰延迟不同时间28d抗压试验结果

图中的结果显示，延迟3天后再成型，其养生28d龄期抗压强度与当天成型的结果相同，与延迟不同时间养生7d龄期的试验结果保持一致，从而在室内较全面地证实了二灰稳定材料的施工可延迟性。
2． 延迟机理分析
已知粉煤灰的主要化学成分是硅、铝、铁的氧化物，通常该氧化物含量达70%~80%以上，其主要结构成分是由这些氧化物形成的玻璃体，因此粉煤灰具有潜在的活性。即这种材料在水的参与下能与石灰等碱土金属氧化物发生一系列发应，生成具有水硬性的胶凝物质，这一过程的形成和发展就是路用二灰材料产生强度和整体结构的原因所在。根据研究所知，在基层加固稳定过程中，粉煤灰与石灰之间存在多种反应，有石灰自身的重结晶、石灰的碳酸化过程，粉煤灰与石灰之间的离子交换和以及二灰之间的火山灰反应等，其中火山灰反应是二灰材料强度形成的最主要原因。所谓的火山灰反应是石灰与粉煤灰中的活性氧化硅和氧化铝作用，生成具有水硬性的水化硅酸钙（C—S—H）和水化铝酸钙（C—A—H）凝胶物。因此石灰、粉煤灰之间火山灰作用的经历，即反应的快慢和反应的程度将最终决定二灰材料强度的形成和强度的发展。
尽管粉煤灰具有可发生火山灰反应的潜在能力，但由于粉煤灰在形成过程受众多原因的共同影响，使得粉煤灰颗粒的玻璃体结构相对较为致密，可溶解并能直接发生反应的活性SiO2、Al2O3成分很少。粉煤灰除表面有少量断键之外，具有潜在活性的成分大多是以聚合度较高的高聚态形式存在。而石灰与粉煤灰之间的火山灰反应要经历两个过程，一是高聚态玻璃体在碱性条件下解聚成低聚体（如单聚体SiO44—，二聚体Si2O76—等），二是形成的低聚体与石灰Ca(OH)2发生所谓火山灰反应，生成水化硅酸钙（C—S—H）和水化铝酸钙（C—A—H）凝胶物。由于粉煤灰在高聚态时的Si—O键和Al—O键的键能较大，普通条件下解聚能力有限，而且解聚速度也较慢。因此初期粉煤灰与石灰之间的作用大多集中于二灰反应的第一步上，即粉煤灰玻璃体的解聚过程上。因此二灰之间早期的反应程度必定很低，仅以物理过程为主，如石灰的重结晶或石灰与粉煤灰之间的离子交换等，而这些变化对强度形成的贡献是非常有限的。认为二灰材料早期强度较低的普遍共识即与此有关。只有经历一定的时间，逐步解聚的粉煤灰火山灰活性才能渐渐表现出来，使二灰材料的强度得以形成和不断的发展。
正是由于粉煤灰与石灰之间作用的这一特点，造成了二灰稳定基层材料的施工可延迟性。当二灰稳定材料拌和之后，在延迟施工不进行碾压的过程中，尽管松散状态下会对早期材料的物理作用效果产生一定的影响，但非常有限，而且也不会妨碍石灰的重结晶和离子交换，重要的是适当延迟施工并不会影响以后石灰和粉煤灰之间的火山灰反应。因为在二灰材料刚拌和好的最初阶段，混合料在微观状态下还只是一种非均质状态，特别是水分的分布还很不均匀，需要经过一段所谓的闷料时间，使水分通过在材料颗粒表面的扩散而达到进一步重新分布。经过这一过程，必然有利于以后混合料之间的相互反应。同时这一过程更加有利于石灰产生的碱性条件随水分的扩散而进一步均态化，为随后的火山灰反应做好准备。如果拌和后立即碾压，在压实的状态下会阻碍水分的充分扩散或是减缓这种扩散，这样就有可能对以后的各种反应不利。这正是延迟施工之后，最初的几天强度不仅不降反而有一定提高的原因所在。当然延迟施工超出一定时间，早期火山灰反应产生的凝胶物质的作用在松散状态下无法得到发挥，使强度会有所下降。但由于火山灰反应是一个长期的过程，二灰稳定材料的强度仍可以在相当长的一段时期里不断形成和增长，现已有试验证明当二灰材料延期达一个月以上时间，成型之后仍具有一定的强度和水稳性。而单独石灰或水泥稳定类材料却不具备这一特点，这两类材料仅在很短的时间里就需成型，否则无法形成必要的强度。当水泥稳定类基层材料碾压时间超出水泥的终凝时间，甚至无强度形成。可见施工的可延迟性是二灰稳定材料的一个独有的特性。
随着压实度的提高以及石灰用量在一定范围的增大，更加有利于二灰材料之间的相互作用及火山灰反应效果的发挥，从而表现为延迟效果的进一步提高。
3． 实验段验证
针对二灰材料的施工可延迟性特点，结合天津东疆保税港区一期物流加工区工程（二批）三标段进行了验证。此工程有25万平米的堆场，堆场结构层为：山皮土（25cm）+二灰碎石（25cm）+水泥稳定碎石（35cm）+10cm厚 CC50联锁块。考虑到将来钻芯取样的方便，针对基层二灰碎石进行延迟性试验。方法是按照生产配合比，将二灰碎石材料机械拌和后堆放在一起。为防止水分蒸发，用塑料彩条布加以覆盖。经过不同的堆放时间后，按照生产路完全相同的施工过程进行摊铺、碾压。经历一段时间后，通过钻芯的方式取样，并进行饱水抗压强度试验。
表5 实验段延迟性试验结果
---
正常施工
延迟3天
延迟5天
延迟7天
位置
5区堆场
1区堆场北侧
1区堆场南侧
6区堆场
压实度
100.5%
104.2%
102.2%
102.0%
含水量
10.0%
6.1%
10.2%
10.9%
实验路表观强度*
5.21 MP a
4.81 MP a
5.96 MP a
6.42 MP a
*因工地现场试验条件的限制，很难对不同延迟性实验路段的试验过程完全控制一致，为使结果具有可比性，需要将钻芯取样所得的强度结果进行数学处理，即将不同实验段所得的饱水抗压强度换算成每天单位时间的结果，并乘以100得到所谓的实验路表观强度。
由表5中的结果可看出，经过不同时间的延迟之后，其强度结果发展与正常施工路段基本保持一致，并未显示出二灰材料经过延迟其强度的形成和发展会受到影响的现象，说明二灰材料的确具有所谓的施工可延迟性。而延迟时间最短的三天结果相对较低，则可能是因拌和用水量明显偏少所致，因此实现二灰材料的施工的可延迟性，要注意延迟期间含水量的蒸发损失，碾压时通过现场实测材料的含水量的大小，在需要时补充水分，确保施工时材料的水分处于一个合理的范围。
由于不同延迟实验路段在试验过程中所经受的变化因素在自然条件下无法加以人为控制（如材料摊铺后环境温度的高低和变化的幅度）以及试验过程的一致性程度等原因的影响（如基层与面层摊铺的间隔时间、成型后到钻芯取样所经历时间的长短），使得试验结果的规律性还有待进一步验证。
4． 结语
通过初步的室内外试验研究，证实石灰、粉煤灰材料具有较显著的施工可延迟性，从而为二灰材料合理的延迟施工以及施工周期的合理安排提供了科学依据，使这类目前最常见的路用材料在使用过程中具有了更为宽松的条件。二灰材料施工可延迟性有以下特点：
（1）施工的可延迟性是石灰、粉煤灰类材料的普遍特性，通常拌和后有一到三天最佳可延迟时间，且高比例的石灰用量比低比例的二灰材料有更显著的延迟特征；
（2）二灰材料施工可延迟性原因在于粉煤灰材料的化学成分、组成结构以及与石灰之间的反应特点等。正是由于粉煤灰有效成分含量高、玻璃体结构较为稳定和石灰粉煤灰之间的火山灰反应相对滞后且持久的特性，使得推迟二灰材料的碾压成型并不会影响最终强度的形成。
（3）影响二灰材料可延迟性的不利因素一是压实度，二是延迟过程中的水分损失。

参考文献：
1 张 超等. 低活性粉煤灰路用可行性评价. 西安公路交通大学学报，1998（3B）.
2 李国栋. 结构因素对粉煤灰活性激发的影响. 粉煤灰综合利用，1998（4）
3 杨南如. 碱胶凝材料形成的物理化学基础 （I,II）硅酸盐学报，1996（2，3）