二灰碎石基层沥青路面病害成因微观分析

张 睿，孔冬雷

(1.苏州市政园林工程集团有限公司，江苏 苏州 215031; 2.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210096)

0 引言

我国自80年代开始，高速公路多采用沙庆林院士提出的半刚性基层路面结构形式，其中水泥稳定碎石基层应用广泛，但其强度较高，易产生反射裂缝，且材料费用较高;二灰碎石基层以其耐久性好、强度好、造价低、施工方便等优点被应用于各类路面工程中［1］。近年来，国内外路面结构专家进行大量研究表明，二灰碎石基层的抗疲劳、抗开裂性能有显著优势;但随着此种路面结构类型的推广应用，部分路段在早期显现出波浪、横纵裂缝、车辙、基层松散等病害，严重影响工程质量［2］。本文从基层原材料及粉煤灰特性出发，从宏观到微观，全面分析沥青路面损坏原因及机理，为二灰碎石基层的质量控制提供指导意见。

1 工程概况

本文结合某一级公路现状，分析病害成因与机理。道路路面结构层为:4 cm 厚AC－13C 上面层+5 cm 厚 AC－16C 中面层+6 cm 厚 AC－20C 下面层+沥青封层+32 cm 厚二灰碎石基层+20 cm 二灰土，如图1所示。

现场勘查表明，道路局部路段出现不同程度的车辙、波浪、横向裂缝、纵向裂缝、龟裂等病害。现场对路面病害路段进行坑探、钻芯取样，观测病害发展状况，并分别取样沥青混凝土、二灰碎石基层进行室内检测。

图1 路面结构图

2 原因分析

结合现场坑探及相关室内试验，分析路面产生病害的原因可能存在以下几点:①交通量大、超载超限车辆过多导致局部路段出现裂缝及车辙等病害;②水损害:路面出现裂缝后，雨水下渗，路面基层长期被水浸泡，导致松软潮湿;③二灰碎石基层中粉煤灰SO3含量较高，使得二灰碎石遇水膨胀，导致路面波浪拥包、裂缝等病害产生。

2.1 沥青混合料面层

沥青混合料面层主要由级配碎石与石油沥青构成，原材料与级配类型能直接影响路面使用性能。目前，沥青混合料强度领域主要有两种理论:一种是以沥青材料为主，混合料强度理论认为沥青对混合料性能影响较大，混合料强度依靠沥青的粘附力作用，主要以高粘沥青、环氧沥青为代表;另一种是以集料为主，混合料强度理论认为集料的骨架嵌挤作用对混合料影响较大，混合料强度依靠集料的骨架作用力，主要以SMA 断级配骨架结构为代表。本路段面层采用上、中、下三层结构，且均采用C 型粗级配，骨架良好，具有一定的强度［3］。对各层位沥青混合料芯样进行室内抽提试验，结果如表1所示。由表1可知，混合料级配均在规范要求范围内，满足设计要求，混合料性能有一定保障。

表1 抽提后混合料级配组成表

2.2 二灰碎石基层

二灰碎石基层是路面结构主要承重部分，其强度直接影响路面质量。由上述可知，沥青混合料面层的性能良好，初期病害产生的原因主要集中在基层［4］。现场进行坑探，位置选取3 个病害点裂缝ⓐ、车辙ⓑ、波浪ⓒ和1 个完好点ⓓ。结果表明，裂缝ⓐ、车辙ⓑ、波浪ⓒ测点的基层松散，含水量较大，强度不足;而完好点ⓓ的基层完好，无松散，较干燥，强度较高。如图1所示。

图1 现场坑探

现场取样 a、b、c、d 测点二灰碎石基层料，进行室内试验，按照《水泥化学分析方法》GB/T 176 －2008 标准检测三氧化硫含量，测试结果如表2所示。

表2 各测试点二灰碎石基层三氧化硫含量检测结果

由表2可知，a、b、c 取样点的三氧化硫含量分别为6.57%、5.51%、7.62%，d 点为0.10%。裂缝ⓐ位置超过允许值119%;车辙ⓑ位置超过83.7%;波浪ⓒ位置超过154%;完好点ⓓ硫含量远小于允许值。这与路面病害产生为位置吻合，路面病害产生位置二灰碎石基层的三氧化硫含量较高，而路面良好路段三氧化硫含量较低。由此可知，三氧化硫含量对基层质量起着至关重要的作用。

3 机理分析

二灰碎石基层是指以石灰、粉煤灰与碎石按一定的配比混合养生而成的混合料，而三氧化硫主要来源于粉煤灰中［5，6］。

粉煤灰源于煤燃烧矿渣，依据燃烧工艺流程，将粉煤灰分为两种来源:一种是未燃尽碳及矿物沿烟道经过热器、省煤器流至空气预热器时温度骤降，熔融灰因凝缩而使其内部气体受到压缩，成为中空球状灰，再经电除尘器及仓泵收集的粉状颗粒，其表面光滑，粒径较小，含水量低，即“干灰”，含量占灰渣总量的70%～85%;另一种是炉渣掉入炉底冷灰斗，经水冷却捞渣机捞出经碎渣机粉碎，其表面呈蜂窝状，粒径较粗，含水量较高，即“湿灰”，含量占灰渣总量的15%～30%［7］。分别选取3 组干灰和湿灰检测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较低，而湿灰的含水量及硫含量均较高。

本工程检测结果表明病害处基层含水量高，硫含量高，可认为由于采用湿灰作为基层掺和料，而为工程质量留下了隐患。SO3是影响基层稳定性的重要因素，它在水的作用下可以和CaO 发生化学反应生成CaSO4(硬石膏)或者CaSO4·Na2SO4(无水钙质芒硝)。反应式如式(1)、式(2)。

表3 粉煤灰含水量及硫含量 %

硬石膏和无水钙质芒硝遇水发生化学反应，生成 CaSO4·2H2O(石膏)或 CaSO4·Na2SO4·10H2O钙质芒硝)，体积膨胀约30%，产生2.5～151 kPa 的膨胀力。反应式如式(3)、式(4)。

由此可知，当二灰碎石基层中粉煤灰中硫含量较高时，遇水与CaO 发生化学反应体积膨胀，膨胀力无法消除，向路面面层传递，并在车辆的反复作用下，基层受力不均，形成裂缝、拱起等病害，严重影响路面使用性能。

4 总结

通过对某一级公路实际工程病害情况研究分析，结合室内和室外检测结果，得出病害成因和形成机理，为后期工程质量提供可参考依据。主要结论:①对沥青面层混凝土性能进行全面检测，发现其指标均满足质量要求;②对路面结构基层进行检测，结合室内外试验结果，得知路面基层中粉煤灰硫含量的大小和路面质量有直接关系;③从微观方面分析病害形成原因，透析了粉煤灰遇水膨胀，发生化学变化的全过程。因此，二灰碎石基层是一种良好的基层材料，其质量关键主要为粉煤灰中硫含量，在工程中应多选用干灰，保证工程质量。

［1］慈维超，乔宇峰.二灰碎石基层对水泥稳定碎石的优势［J］.山西建筑，2011，37(29):134 －135.

［2］徐江萍.水泥粉煤灰碎石基层沥青路面抗裂性能研究［D］.西安:长安大学，2006.

［3］严家仍.道路建筑材料［M］.北京:人民交通出版社，1996.

［4］宣荷香，孙国军，王 海.粉煤灰在二灰碎石基层中的应用研究［J］.市政技术，2005，23(1):53 －56.

［5］杨 毅，荣 建.石灰粉煤灰稳定碎石基层沥青路面拱起原因分析［J］.交通科技，2009(2):83 －85

［6］萧 赓，梁乃兴，陈聪华.水泥粉煤灰级配碎石基层混合料微观机理分析［J］.重庆交通学院学报，2002，21(2):49 －52.

［7］姚志通.固体废弃物粉煤灰的资源化利用——以杭州热电厂和半山电厂粉煤灰为例［D］.杭州:浙江大学，2010.

［8］张祖棠，赵 亮.基于复合材料学的粉煤灰对沥青作用机理的试验研究［J］.公路工程，2012(1):161 －166.