水泥稳定碎石和二灰碎石在城市道路路面基层中的应用比较

2019-06-29 06:35程思胜
城市道桥与防洪 2019年6期
关键词:城市道路集料粉煤灰

程思胜

(徐州市政建设集团有限责任公司,江苏 徐州 221000)

0 引言

近年来,随着我国经济的高速发展,城市化进程在不断加快,城市道路的基建工作在如火如荼的开展,为了应对日益增长的交通量,保障市民的出行,城市道路的结构质量无疑起到很重要的作用,要提高城市道路的承载力,城市道路路面基层采用何种形式显得尤为重要。路面基层是指直接位于沥青面层或水泥混凝土面层下,用高质量材料填筑的主要承重层,路面基层是路面结构的主要承重层,它应具有足够的强度和刚度,并具有良好的承载力、抗冲刷能力、水稳定性、干缩性能、疲劳性能。高等级路面基层主要包括水泥稳定碎石、石灰粉煤灰稳定碎石(以下简称二灰碎石)等,水泥稳定碎石和二灰碎石材料均属于半刚性基层,都是城市道路路面基层中常用的材料。本文根据笔者的施工经验对两种材料的优缺点进行综合分析比较,有利于在不同情况下的选择使用[1-4]。

1 水泥稳定碎石和二灰碎石的各项技术参数比较

1.1 密实结构类型及组成比例

水泥稳定碎石、二灰碎石,按照级配类型可分为骨架密实型和悬浮密实型结构。

1.1.1 骨架密实型

碎石在压实混合料中起到“骨架作用”,碎石用量在80%以上,最大粒径较小,要求有一定的级配,粗集料之间紧密相连,而且有较多空隙,水泥,石灰粉煤灰起到填充空隙和胶结作用,水泥稳定碎石,水泥与碎石之比一般为3∶97~6∶94,由于水泥过多会产生裂缝,水泥一般不宜超过6%,水泥稳定碎石的最大干密度为2.2~-2.4 t/m3,最佳含水量在3%~5%之间,二灰碎石中二灰与碎石之比为15∶85~20∶80,而石灰和粉煤灰配比一般为1∶2~1∶3,常用的配比为 6;14∶80和 6∶12∶82,最佳含水量在7%~8%之间,最大干密度在2.0~2.2 t/m3,骨架密实型结构下的水泥稳定碎石强度和二灰碎石强度最大。

1.1.2 悬浮密实型结构

碎石在压实混合料中处于“悬浮状态”,粗集料被细集料挤开,密实度较高,但稳定性较差,碎石用量在50%左右,此种结构可选择最大粒径较大的碎石,级配要求不高,易形成板体,强度差别不大,粒径较小的石屑用量较大,但干缩性较大、抗裂性能差、抗冲刷性能相比骨架密实型要差,抗冻性及耐磨性较差。

1.2 强度反应机理

两者均以级配碎石作为骨料,采用一定数量的胶凝材料和足够的灰浆体积填充骨料的空隙,按照嵌挤原理摊铺压实,其压实度接近于密实度,强度主要靠碎石间的嵌挤锁结原理,同时由足够的灰浆体积来填充骨料的空隙。水泥稳定碎石中水泥与集料拌合后,水泥与水发生强烈的水解和水化作用,同时从溶液中分解出Ca(OH)2并形成水化物,在水泥水化后的胶体中,Ca(OH)2、Ca2+与构成集料中的 CaCO3、SiO2表面的 Na+、K+进行离子交换,在碱性环境下,组成矿物的SiO2和AI2O3的一部分与Ca2+进行化学反应,生成不溶于水的结晶矿物CaOSiO2nH2O,CaOAl2O3nH2O,同时水泥水化物中游离的Ca(OH)2不断吸收水中的H2CO3和空气中的CO2,生成CaCO3,这种反应使集料固结,提高集料强度。因此水泥稳定碎石强度的形成包含了水泥的水解水化作用、离子交换作用、硬凝反应和碳酸化作用。二灰碎石则是通过石灰浆体中的 Ca(OH)2、Ca2+与粉煤灰中的 SiO2和 Al2O3反应,产生离子交换和物理化学反应,经骨料紧紧胶结,形成结晶矿物CaOSiO2nH2O和CaOAl2O3nH2O,同时石灰浆体中游离的Ca(OH)2不断吸收水中的H2CO3和空气中的CO2,生成CaCO3,同样使集料固结,提高集料强度。

由于水泥的水化反应较快,这也是水稳早期强度高于二灰碎石的原因。

1.3 承载能力

水泥稳定碎石及二灰碎石的承载能力主要通过无侧限抗压强度表示(见表1),水泥稳定碎石的早期强度较高,二灰碎石早期强度比水稳差很多,随着龄期的增加,二灰碎石的强度在不断增长,实际上由于城市道路交通量大,荷载较为频繁,城市道路工期一般很紧,或二灰碎石刚达到7 d强度,就要摊铺沥青混凝土开放交通,二灰碎石在不间断的荷载作用下,后期强度增长会受到很大限制,甚至没来得及增长之前,二灰碎石基层受到破坏,由于二灰碎石中含有石灰,当沥青面层级配不够好时候,水易通过沥青混凝土渗透到二灰碎石顶面,在大量过往车辆的反复碾压下,石灰易形成道路唧浆,透过沥青路面泛浆,形成白色一片,进而形成局部龟裂,沥青脱落,损毁。

表1 无机结合料稳定材料7 d无侧限

1.4 抗冲刷能力和抗冻性

水泥稳定碎石与二灰碎石相比,其抗冲刷能力要优于二灰碎石,两种级配类型中,由于悬浮密实型细集料较多,在荷载作用下,易脱落,骨架密实型结构要远远好于悬浮密实型结构。由于水泥稳定碎石的强度高于二灰碎石,水泥稳定碎石的抗冻性也要远远好于二灰碎石。

1.5 抗疲劳性能

水泥稳定碎石和二灰碎石同属于半刚性材料,根据相关经验数据,水泥稳定碎石的抗疲劳性能要稍弱于二灰碎石。

1.6 干缩性能

水泥稳定碎石的干缩应变要大于二灰碎石,这主要由于水泥的干缩应变大于石灰造成的,因此在进行级配时,要严格控制水泥用量,采用骨架密实型结构,对水稳采取全覆盖保湿养护,尽可能减少因水泥的干缩应变而导致的裂缝。

二灰碎石基层具有较高的强度、板体性能,由于其含有粉煤灰,比其他基层材料有较高的抗裂性能,应用二灰碎石可以变废为宝,减少工业废渣对环境的危害。

2 水泥稳定碎石与二灰碎石的造价对比

根据徐州市近期2019.1月份的造价信息,水泥稳定碎石(水泥:碎石4.5∶95.5/3∶97的单价在142/140元/t),二灰碎石8∶12∶82的单价在141元/t。水稳的最大干密度为2.31 t/m3,二灰碎石的最大干密度为 2.1 t/m3,见表2。

表2 100 m2厚度为18 cm的水泥稳定碎石和二灰碎石造价对比 单价(元/t)

3 水泥稳定碎石与二灰碎石施工难易度对比

由于水稳中含有水泥等胶凝材料,因而要求整个施工过程要在水泥初凝前完成,水泥的初凝时间不低于3 h,终凝时间不低于6 h,并且要一次性达到质量标准,否则不易修正,此外水稳基层的最佳含水量在3%~5%之间,取值区间很小,水泥剂量如果高出此范围容易导致水稳出现干缩裂缝,水泥剂量低于此范围又不能达到强度要求,因而施工中要求加强施工组织管理,提高现场施工人员的紧迫感和责任感,加快施工进度,加大机械化施工水平,提高作业效率。二灰碎石在施工中没有初凝时间和终凝时间的要求,这也是二灰碎石的一大优势。

4 和下一道工序的衔接时间对比

在抢工或工期紧的情况下,二灰碎石可采取流水作业,即二灰碎石底基层铺设完能成后,由于不存在初凝及终凝的影响,第二天可以进行二灰碎石上基层施工,养生期间,进行正常的洒水养护,7 d后,采取底上基层同时取芯并作检测,但是生石灰进场后需要消解不小于7 d,由于水稳中含水泥,受水泥的初凝时间和终凝时间影响控制,理论上水稳不具备流水作业的可能性,如果要两层先后铺设,必须保证在水泥初凝时间内完成,这会给施工组织带来更大的挑战,需要更快,组织更加严密。一般为保证工程质量,水稳必须保证取芯且能满足设计要求的抗压强度指标后,才能进行下一道工序施工,一般需要5~7 d,温度低时,时间更长些。

5 受封闭交通的影响对比

由于二灰碎石成型慢,强度上涨时间周期长,过去认为二灰碎石养生期间,城市道路中在不能封闭交通的情况下,车辆在通行过程中不会对二灰碎石有破坏性影响,而水稳一旦被车辆碾压,就是破坏性的,不可逆的,这种观点是错误的,水泥稳定碎石和二灰碎石都需要封闭养护,如果认为二灰碎石强度增长较慢,就可以通车,这会导致二灰碎石早期强度达不到设计要求之前就受到破坏,这将给质量带来严重隐患。

6 结语

通过对水泥稳定碎石与二灰碎石的技术参数、造价、施工难易度对比相比较,可以得出,两者造价相差不大,二灰碎石虽然易于施工操作,具备流水施工操作条件,但水稳对重载交通承受力更强,且早期强度更高。二灰碎石的干缩性能较好,二灰碎石的抗疲劳性能比水泥稳定碎石略好,但是水泥稳定碎石的抗弯拉强度比二灰碎石高,可以弥补疲劳寿命衰减过快的不足。并且通过级配,减少水泥用量或适量加粉煤灰以便减少干缩裂缝的出现。在冰冻多雨的潮湿地区,二灰碎石宜用在特重、重交通的下基层。不宜用在上基层,因此在城市道路施工中,为保证质量,建议采取水泥稳定碎石,同时需要加强组织管理,确保水泥稳定碎石的质量得以实现。

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