环保脱硫型粉煤灰对水泥粉煤灰稳定基层膨胀开裂的破坏机理研究



环保脱硫型粉煤灰对水泥粉煤灰稳定基层膨胀开裂的破坏机理研究

胡江洋1，2，毛君3，张浩1，折学森1

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710000；

2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710000；

3.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710000)

摘要:基于现场调查、破坏特征分析、化学成分分析和室内试验等方法，对某在建高等级公路环保脱硫型粉煤灰与道路水泥粉煤灰稳定基层膨胀开裂病害之间的关系等进行分析。采用现场调查的方法对沿线路面病害状况进行调查，结果表明：路面的病害类型及病害程度主要与路面结构层体积膨胀有关。根据现场调查及路面材料化学成分分析结果，对路面病害成因进行的探讨，并得出路面病害主要由粉煤灰中含硫量过高造成路面结构层体积膨胀引起。通过室内试验测试水泥粉煤灰稳定基层体积安定性及剩余强度，最终得出环保脱硫型粉煤灰是造成水泥粉煤灰稳定基层开裂主要原因的结论，这对水泥粉煤灰稳定碎石基层如何正确使用环保脱硫型粉煤灰具有重要的指导意义。

关键词：道路工程；环保脱硫型粉煤灰；水泥粉煤灰稳定碎石基层；膨胀开裂

从稳定土原理上讲，粉煤灰与石灰并用能起到较好的稳定效果。有些地区有粉煤灰资源而缺乏石灰，或有石灰，但质量不合格或不稳定，只能用水泥和粉煤灰稳定。水泥粉煤灰稳定类材料的强度发展特征介于水泥稳定和石灰粉煤灰稳定的情况之间，即早期强度高于石灰粉煤灰稳定而低于水泥稳定；后期强度发展幅度高于水泥稳定而低于石灰粉煤灰稳定，可以有效避免二灰基层前期强度不足及水稳基层后期产生温缩、干缩裂缝等问题。基于此，《沥青路面设计规范》(JTGD50—2004)列入水泥粉煤灰稳定基层类型，允许在设计时采用该种稳定类基层，并提出水泥粉煤灰稳定类基层、底基层中水泥剂量宜在3%~6%，水泥粉煤灰与集料的质量比宜为13～17∶87～83，集料级配要求与石灰粉煤灰稳定类混合料相同。根据规范《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034—2000)中对粉煤灰是这样规定的：“粉煤灰中SiO2，Al2O3和Fe2O3的总含量应大于70% ,粉煤灰的烧失量不应超过20%,粉煤灰的比表面积宜大于2 500 cm2/g (或90%通过0.3 mm 筛孔,70%通过0. 075 mm 筛孔) ”。在公路施工中一般关注的是其烧失量和比表面积,而对其化学成分指标并不是特别强调。对粉煤灰的原材料质量与成分的要求，特别是对含硫量并没有引起足够的重视，但是粉煤灰中含硫量过高会对路面基层产生影响，导致其膨胀开裂，继而发展成为表面变形、凹凸不平，且结构丧失强度严重影响路面的平整度和通行性能。本文通过对一条公路施工过程当中，水泥粉煤灰基层出现膨胀开裂破坏的分析来说明这一问题。

1高含硫基层破坏特征

该公路路面基层和底基层设计采用水泥粉煤灰稳定级配碎石结构。施工所用粉煤灰来源于项目附近区域的电厂(以下简称甲电厂)的路段在基层施工约2个月左右出现无规律的裂纹，继而发展成为开裂、表面变形、凹凸不平，且结构明显膨胀。从膨胀处挖出来的集料质地疏松、无强度，基本呈散粒状，即使有整体性比较好的集料，基本没有剩余强度，甚至不如新拌未经压实的凝固料。

笔者对破坏后路面进行了强度的弯沉检测，检测结果表明，受膨胀破坏影响，路面弯沉值普遍偏大。路基左、右幅65%以上段落实测弯沉值>设计验收弯沉(23)。路面结构层整体强度较差。见图1~2。

图1　路基左幅破坏后实测弯沉汇总Fig.1 Measured deflection summary afterroadbed left destruction

图2　路基右幅破坏后实测弯沉汇总Fig.2 Measured deflection summary after roadbedright destruction

2破坏原因分析

2.1路面结构层细粒含量分析

根据《JTGD50—2004》要求，水泥粉煤灰稳定类基层、底基层中水泥剂量宜在4%，水泥粉煤灰与集料的质量比宜为16∶84，集料级配要求与石灰粉煤灰稳定类混合料相同。集料各粒径组成见表1。

表1　级配碎石各粒径颗粒的组成

施工现场采集的样品,在实验室进行了粗细颗粒剥离,然后用称重法测试水泥粉煤灰碎石层中粗粒(碎石)和细粒(水泥+粉煤灰)含量,再分析膨胀性矿物占整个混合料中细粒部分的百分含量，试验成果见表2。

根据《沥青路面设计规范》 (JTGD50—2004)对粗细集料的界定，以4.75 mm作为分界尺寸，对于水泥粉煤灰稳定基层，细集料包括小于4.75 mm细集料和约20%的水泥粉煤灰，如果将混合料中小于4.75 mm的材料当作填充粗细骨架空隙的“填充料”，则填充料的含量应该为20%～30%。由表1可见,试样的细粒含量都比设计值高，这可能是施工中配合比偏离了设计，也可能因为拌和不均或者取样过程中发生离析等原因使试验结果代表性有局限性，细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层的破坏。

表2　结构层中碎石和细粒(水泥+粉煤灰)含量

2.2路面结构层细料化学成分分析

施工现场采集了发生破坏的水泥粉煤灰碎石层样品,烘干后对粗细集料分离，对细料进行化学成分分析。试验结果见表3。

表3　水泥粉煤灰碎石细粒部分硫酸盐成分分析

1)电厂在发电燃烧过程中,为了保护环境增加了脱硫工艺,通过添加CaO和Ca(OH)2等脱硫剂将以前以S02排放到大气中的硫截留到粉煤灰中；

图3　路基右侧基层硫酸盐含量分布图Fig.3 Grass embankment on the right side of sulphatecontent distribution

3水泥粉煤灰基层膨胀破坏机理

3.1膨胀破坏机理分析

环保型粉煤灰脱硫后增加了SO3的含量。采用的脱硫剂主要有： CaO作脱硫剂，炉内喷钙法脱硫，Ca(OH)2作脱硫剂湿法脱硫。 在粉煤灰中SO3是以CaSO4的形式存在， 此材料用于工程时，遇水发生反应，产生水化产物，其反应过程为：

1)CaSO4+H2O→CaSO4·2H2O；

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

上述反应都能使体积膨胀，CaSO4溶解于H2O后一部分与活性Al2O3等Ca(OH)2和水反应生成3 CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(俗称“钙矾石AFt”)，固体体积增加到原来的2.22倍，另一部分结晶生成二水石膏CaSO4·2H2O，固体体积增加到原来的 2.26倍。水泥粉煤灰稳定碎石在短时间内形成较高的强度，当钙矾石与二水石膏形成时，产生相当大的结晶内应力，当结晶内应力大于早期强度时试件发生开裂破坏。这也就是为什么混和料结构开始已具有强度，但后来会发生体积膨胀进而丧失强度的原因。

3.2室内试验研究论证

根据目前的研究成果[1]，适量的SO3对水泥粉煤灰基层的早期强度是有利的,但过高含硫量会对水泥粉煤灰基层的体积安定性和强度造成不利影响。

使用项目采用的甲电厂粉煤灰，参照施工配合比按照98%压实度用静压法制备水泥粉煤灰试件，对水泥粉煤灰稳定碎石的破坏过程进行还原。由于水泥粉煤灰基层的体积安定性没有标准的试验方法，本次研究选用压蒸试验进行对比分析，按确定的比例成型试件(直径为φ5 cm×5 cm),将新成型试件养生28 d后立即进行120℃高温压蒸试验。同时对膨胀变形后试件进行了无侧限抗压强度测定。试验结果如表4。

表4　水泥粉煤灰基层试件压蒸膨胀率及

图4　不同含硫量试件膨胀率曲线关系Fig.4 Different sulfur content specimen inflation rate curve

图5　不同含硫量试件剩余强度曲线关系Fig.5 Different sulfur content specimen residualstrength curve relationship

试验结果表明，3号和4号粉煤灰的含硫量最高,试件膨胀率最大,试件已经发生严重膨胀破坏，结构已经松散，基本没有强度; 1号粉煤灰的有效成分含硫量最低,相应试件膨胀率最小,试件只是轻微膨胀，剩余强度变化不大。2号粉煤灰的含硫量较1号大，但比3号和4号小，膨胀率介于其间。由此可知,膨胀率与粉煤灰有效成分含量和含硫量的大小紧密相关。见图4。

试验中试件在混合料配合比相同且有效成分含量也大致相同的情况下,试件体积膨胀变形后剩余抗压强度随着含硫量的逐渐升高而降低，试验结果表明试件剩余强度变化在含硫量6%~7%左右时尤为明显，这一点与前人的研究成果[4],粉煤灰的含硫量在6%时,强度和体积安定性可以达到一个平衡”基本一致。见图5。

4结论

1)在以往研究中，建设、施工单位对粉煤灰中含硫量对路面基层结构产生的影响未引起足够的重视，导致多条在建或竣工的道路基层发生破坏，通过这些教训说明，高含硫粉煤灰是否还能按照普通粉煤灰应用于公路工程是值得思考的一个问题。

2)电厂的粉煤灰脱硫工艺是一个必然趋势，不能否认其对于环保的贡献。但对于利用粉煤灰的公路工程来说，就必须研究如何控制其SO3的含量，在施工配合比设计过程中进行强度、体积安定性等试验，以验证是否能够达到路用性能。

3)现行的设计、施工规范中未对环保脱硫型粉煤灰质量进行详细的规定，质量要求仍停留在普通粉煤灰阶段，这对于推广使用水泥粉煤灰或石灰粉煤灰稳定碎石基层带来一系列的隐患，应该引起重视。

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(编辑阳丽霞)

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

中图分类号：TU4

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)01-0069-05

通讯作者：胡江洋(1984—)，男，河南扶沟人，高级工程师，博士研究生，从事道路工程，边坡工程研究；E-mail: 147916873@qq.com

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110205110003)

收稿日期：*2015-05-13