浅析二灰碎石裂缝成因及解决办法

摘要:本文通过对道路纵向贯通性裂缝的试验研究和理论分析,找出了产生纵向裂缝的主要原因,并提出了切实可行的防止措施。对于二灰碎石路面基层、底基层施工中产生的收缩裂缝,本文进行简要分析,试提出一种解决或减少裂缝的可实施推广而且经济的解决办法。

Abstract: By researching and theoretical analysis on vertical cracks, this paper searched out the main reasons of vertical cracks and offered practical prevention measures. This paper analyzed briefly shrinkage cracks of lime stone road base, sub-base construction, attempts to suggest a economical solution can be implemented and promoted to reduce and slove cracks.

关键词:收缩机理;二灰碎石;干缩变形;温缩变形

Key words: contraction mechanism;lime;shrinkage deformation;temperature shrinkage deformation

中图分类号:TU74文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)16-0082-01

1裂缝形成机理

二灰碎石基层的强度形成是石灰在碱性环境下与粉煤灰中的活性物质发生下式反应:SiO2+m1Ca(OH)2+nH2O=m1CaO・SiO2・nH2O・Al2O3+m2Ca(OH)2+nH2O=m2CaO・Al2O3・nH2O

反应后生成大量胶凝物,这些物质相互粘连、胶结,形成具有一定强度的致密结构,该反应在有水分的条件下持续进行,其宏观表现就是强度随龄期的增长而增长(其反应过程跟混凝土的水化过程基本原理相似)。因此,二灰碎石路面基层、底基层的裂缝形成可以从干燥收缩及温度收缩两个方面,试析如下。

1.1 干燥收缩机理干燥收缩是指半刚性基层材料因内部水分损失而引起体积收缩的现象,其基本原因是由于水分的蒸发而产生毛细现象,“吸附水分及分子间作用”,矿物晶体或胶凝体的“层间水作用”以及“碳化脱水作用”而引起整体宏观体积发生变化,进而产生裂缝。

1.2 温度收缩机理半刚性基层材料是由固相(组成其空间骨架结构的原材料)、液相(存在于固相层面与空隙中的水和水溶液)、气相(存在于空隙中的空气)组成。所以,半刚性基层材料的外观胀缩性是其基本体的固、液、气相的不同温度收缩性的综合效应。一般气相大部分与大气贯通,在综合效应中影响较小,可以忽略。因此半刚性基层材料的胀缩性可主要从固相胀缩、液相胀缩以及两者的综合作用三方面进行研究。就组成固相的矿物而言,原材料各矿物一般有较小的收缩性,其中粘土矿物的收缩性较大,粉煤灰的收缩性最小;而胶结物,具有较大的温度收缩性。从以上分析可知:①固相部分的收缩系数取决于各固相的成分及其含量配比;②随着化学反应,新生物结晶硬化,半刚性基层材料收缩系数将不断增大;③水对半刚性基层材料的胀缩性影响极大,当温度高于冰点时,水的存在会使材料的收缩系数显著增大;④半刚性基层材料强度的增长,又会在一定程度上制约水的作用。由此可见水是造成二灰碎石收缩量大的主要原因,因而施工控制时应严格控制施工碾压含水量。另一方面如在二灰碎石材料中添加活性物质,起到膨胀及增密作用,一定程度上可以减少收缩,提高质量。

2外掺剂的组成及抗裂机理

2.1 材料组成采用明矾石粉、硬石膏及CaSO4三种原材料,细度要求为180-200目,明矾石粉含Al2O3量≥16%,以弥补粉煤灰中可溶性成份的不足。

2.2 外掺剂抗裂机理掺加外掺剂后,外掺剂中的CaSO4成分与m2CaO・Al2O3・nH2O发生反应生成硫铝酸钙CaO・Al2O3・CaSO4・32H2O,即钙钒石,这种生成物是一种具有六角形断面的针状晶体,它以火山灰反应的另一种产物一水化铝酸钙为依托,密集地产生并充填于周围的空隙中,并且自身也通过针状晶体间的相互交联,将许多颗粒粘连在一起。这就是加入外掺剂后混合料具有较低收缩系数,较高抗裂系数的原因。

3室内试验成果试按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中规范3#集料级配中值,再分别掺用几种不同配比的外掺剂,在室内进行试验。在最佳含水量下按98%的压实度制备试件二组,一组在室内20℃左右的环境下自然干燥,测定其干缩变形情况;另一组放于冰箱内进行温缩试验,试验结果如下:掺加外掺剂的二灰碎石材料其干缩应变、干缩系数随时间的变化规律与不掺外掺剂的二灰碎石材料变形规律相似。随时间的增长、失水率的增长,干缩应变及干缩系数增大。从上述试验结果来看,掺加外掺剂后可明显减小二灰碎石材料的干缩变形,同时二灰碎石材料干缩变形量的增长幅度也比不掺用外掺剂的二灰碎石材料干缩变形增长幅度小,这主要是由于掺用外掺剂后,外掺剂自身的膨胀作用及其与二灰混合料硅铝钙体系间的化学反应,增强了晶体之间的链结,减少了二灰混合料中的微小孔隙,达到了减少收缩的作用。

4工程应用

按照室内实验成果,在连徐高速公路AB21标K32+200～K45+400铺筑了掺加外掺剂的二灰碎石试验路。

4.1 原材料检测对试验路用石灰进行了有效钙镁含量测定,测定其含量为63.8%,属Ⅱ级钙质石灰。对试验路用粉煤灰进行了主要成份含量测定,Fe2O3,Al2O3,SiO2之和总含量为73%,烧失量为16%,比表面积为2650cm2/g。

4.2 击实试验结果根据室内试验研究结果,当石灰:粉煤灰:集料=4.5:13:82.5,外掺2%外掺剂后,二灰碎石基层就能达到很好的抗裂效果,据此试验路采用以下配合比:石灰∶粉煤灰∶集料=5∶12.5∶82.5,外掺2%外掺剂。试验路铺筑前,对该配合比进行击实试验,得出最佳含水量为W0=8.1%,最大干密度为ρmax=2.08g/cm3。

4.3 外掺剂的掺加方法外掺剂为粉剂,用塑料袋装好运送到施工现场,存放于避雨棚内,以防受潮失效。掺加外掺剂的二灰碎石施工采用场拌,首先将石灰、外掺剂按2:5比例预拌,然后将预拌好的石灰、外掺剂混合料用装载机装入原来存放石灰的料斗中,按外掺剂石灰混合料:粉煤灰:集料=7.1∶12.2∶80.7的比例正常拌和及上路摊铺、碾压施工。

4.4 试验路施工外掺剂先与石灰预拌均匀后,堆放于料场。待预拌结束后,即可按上述配合比生产二灰碎石混合料及上路摊铺、碾压、施工检测。

5结论

5.1 经室内外试验,开发的外掺剂可以有效地减小收缩变形,提高二灰碎石强度,对提高二灰碎石基层质量具有重大意义;

5.2 从经济分析来看,外掺剂的价格与水泥相当,仅略高于水泥价格,其施工过程主要是要防止外掺剂受潮而影响其性能,故施工要求要略高于正常的二灰碎石基层施工。但从提高路面质量,延长路面使用寿命考虑,实具有广阔的工程应用前景。