浅析粉煤灰中SO3对二灰基层路面的影响危害

中图分类号：U416.217文献标识码： A 文章编号：

摘要：本文针对石灰粉煤灰稳定碎石基层沥青路面起拱开裂的问题，结合现场实体问题现状，对石灰、粉煤灰基层材料胶结物进行化学成份性质定量分析后，最终得出结论，发现粉煤灰中的SO3含量过高会造成路面膨胀起拱开裂，应加强对粉煤灰的调查选用，严格控制粉煤灰中SO3含量。

关键词：粉煤灰三氧化硫（SO3）二灰基层路面 影响危害

Abstract: in this paper, lime and fly ash stabilized aggregate base course asphalt pavement arch cracking problems, combined with the real problems, to the lime, fly ash base course materials cement chemical composition quantitative analysis, conclude finally, found in fly ash by SO3content is too high will cause of road expansion arch cracking, should strengthen pair investigation and selection of fly ash, strict control of SO3 content in fly ash.

Key words: fly ash three sulfur dioxide ( SO3) two ash base course pavement effect harm

1．前 言

粉煤灰原本是火力发电厂燃烧煤粉产生的残渣, 但与石灰、碎石等组成的胶结物，铺筑成型养生后作为路面基层结构具有良好的板结性、水稳性和一定的抗冻性。因此，利用粉煤灰来修筑道路，可变废为宝、减少环境污染，提高道路工程质量，降低建设成本，带来较大社会经济效益。

到本世纪初，作为路面基层的二灰碎石施工工艺已相当成熟，因此在一些省市市政工程的路面结构设计也大量运用石灰粉煤灰类混合料做为路面基层。华东某市高新区路网工程在路面沥青施工完成后，竟令人意外地出现了路面大面积膨胀起拱、纵向裂缝的问题。根据以往多年的路面施工经验，在铺筑沥青路面后，因温度收缩、干燥收缩及疲劳荷载常常会导致半刚性基层产生横向反射裂缝，极少会产生大面积的纵向裂缝。我们邀请多位业内专业人士现场会诊查看，排除了路基质量、石灰消解不彻底、现场施工不规范、工后养生不足、水损坏等常规性原因，无法明确能引起路面起拱膨胀开裂的真正原因。偶然通过南京质监总站的一条简讯：粉煤灰中大量存在的三氧化硫可能会造成二灰碎石基层路面损坏。于是。我们从该角度针对该工程实体及周边拌和厂的粉煤灰抽查取样进行化学性质分析，最终找到了引起该工程路面起拱、膨胀及纵向裂缝的真正原因，确实是粉煤灰中的三氧化硫含量过高所引起。

2．起拱开裂路面的调查与研究

该高新区路网工程由多家单位承建施工，在沥青面层铺筑完成后数月，多条道路均不同程度地出现了鼓包起拱、纵向开裂及沥青路面向两侧膨胀顶翻路缘石现象。具体现象如下：

2.1 道路交叉口“波浪形”起拱

在多条道路的交叉口，局部路面产生“波浪形”起拱，起拱部位的沥青路面有放射状的裂缝存在，并无纵向规则裂缝。人工开挖后，发现因二灰基层上拱致使沥青面层起拱，但二灰碎石材料中并未发现消解不彻底的石灰块，底部路基路床质量正常。

2.2 “纵向形”起拱开裂

此类型起拱开裂形态主要是沿道路方向，在路中距离路边缘约3-5m处出现2条宽约1cm的纵向裂缝，并伴随路面波浪状起拱。在裂缝处人工开挖后，半刚性二灰基层相应呈现裂缝并起拱，裂缝两侧干燥的基层板体正常、无破碎状，且经取芯试试压强度合格，同时底部路床质量正常，可见沥青路面的起拱开裂是基层反射导致。

2.3 路缘石被路面顶翻

同时，但凡路面出现起拱开裂的地段，均伴随两侧路缘石被路面向两侧顶翻，致使路缘石同路面分离约3-5cm左右的裂缝，可见路面产生了向道路两侧膨胀延伸现象。

2.4 路面损坏部位的试修复及结果

（1）沿裂缝两侧1.0m对路面进行切缝，挖除开裂部位沥青路面，对基层的裂缝灌注高强水泥浆，然后加铺高强土工布及土工格栅，最后铺筑高强度抗裂型钢纤维改性沥青封面，同时对两侧路缘石进行重新扶正安装；

（2）在挖除沥青面层后，对基层表面进行清洗时，发现二灰基层表面着水后，会产生细小不规则方向的裂纹，由于裂纹较小且浮于基层表面，当时并未引起足够重视；

（3）在对路面损害部位处理约半年后，路面原损害部位又出现了原来的起拱开裂状态，两侧路缘石又被顶翻，其状令人百思不得其解。

2.5 路面起拱开裂的推断分析

我们从力学角度推测，在道路交叉口所产生的波浪形起拱及道路标准段的纵向起拱开裂是基层内部某种应力释放所为：

（1）在道路交叉口部位，由于整个路面基层板体对称，内部产生的膨胀应力释放时，可受到四周均匀抵抗，因此会导致局部路面起鼓开裂；

（2）在道路标准段落，基层板体呈长方形，即可视为板体宽度为路面设计值，长度随路面长度延伸，当内部应力释放时，来自四周的抵抗阻力，当然是路面两侧最为薄弱，于是基层内部所产生的应力自然会向路面两侧释放，于是就产生了沿道路方向的纵向起拱开裂，随之将两侧路缘石顶翻。

2.6 初步推断

结合上述调查情况，我们从原材料的进场、施工过程中的工艺、施工成型后的养生等多角度进行复查，均未发现存在违规现象。那么导致路面起拱开裂所引起的力无非产生于化学或物理两个角度，而物理角度是由一定期限的，不会无限期地发展。但许多产生此类损坏的道路，在交工但尚未投入使用的2-3年中，一直不断出现新的起拱开裂。

初步判断，在半刚性二灰基层中存在某种不稳定化学成分，经不断反应才会造成路面起拱被损。于是，现场对基层取样交当地建筑材料科研所进行化学成份分析及矿物鉴定，经化验发现基层材料中存在大量的石膏成分，且将取样基层切块置于水中，会逐渐膨胀开裂松散，因此就是这些石膏不稳定矿物化学成份才是造成这类半刚性沥青路面起拱被损的罪魁祸首，即主要因素。

3．石灰、粉煤灰、二灰胶结物化学组份定量分析及研究

3.1 石灰、粉煤灰化学成份定量分析

根据前面的推断，我们针对周边几个生产石灰粉煤灰稳定碎石基层材料的厂家，进行了取样筛查，主要是对石灰、粉煤灰进行常量元素定量分析。

（1）经取样化学实验调查分析，几家生产厂家采用的石灰符合规范相关要求。

（2）在对各厂家所用粉煤灰的取样实验调查后，我们发现除A总公司和B公司的粉煤灰质量较好之外，其余两家所用的粉煤灰中的SO3含量分别为：21.89%、17.3%，含量明显较高。

表1 ：各拌和厂粉煤灰取样化学分析结果

3.2 二灰碎石半刚性基层沥青路面起拱开裂原因分析

高新区范围内出现路面起拱开裂的几条道路，其半刚性基层均由C拌合厂和D拌合厂供料给现场施工单位。

通过前面的分析与研究，我们认为：粉煤灰中的“SO3”含量偏高是引起半刚性沥青路面起拱受损的罪魁祸首。由于SO3的大量存在，它与石灰中的CaO产生化学反应生成CaSO4（硬石膏）或生成无水钙质芒硝（CaSO4・Na2SO4）, 是影响体积不稳定的重要组成元素。

（1）SO3遇CaO 化学反应方式

CaO+SO3CaSO4（硬石膏）

CaO+Na2O+2SO3CaSO4・Na2SO4(无水钙质芒硝)

（2）硬石膏、无水钙质芒硝遇水反应方式

硬石膏遇水后产生次生矿物石膏的化学反应式如下：

CaSO4+2H20CaSO4・2H20

无水钙质芒硝遇水后产生次生矿物钙质芒硝的化学反应式如下：

CaSO4・Na2SO4+10H20CaSO4・Na2SO4・10H20

无论是硬石膏还是无水钙质芒硝在遇水时吸取水分形成石膏或钙质芒硝，体积会发生膨胀，并产生膨胀力，体积增大约20-30%。而无水钙质芒硝（CaSO4・Na2SO4）遇水分解后，能产生较大的内部应力，对结构层释放较大的压力，危害极大。

（3）分析结论

综上所述，我们推断认为粉煤灰中的SO3含量偏高，能与石灰中的CaO产生化学反应生成硬石膏和无水钙质芒硝，而此两种矿物在遇到路面渗漏水时会发生化学反应，产生新的次生矿物石膏和钙质芒硝，并伴随发生体积膨胀，释放较大的内部膨胀应力造成路面起拱受损。而每逢雨季地表水便会通过裂缝及路面与路缘石之间的缝隙渗入基层，同基层中的硬石膏和无水钙质芒硝不断产生化学反应，致使路面持续地膨胀发展开裂。

4．结论与建议

国内近几年火电厂改进生产工艺后产生的粉煤灰均为环保后的产品，环保型的粉煤灰脱硫后增加了SO3的含量。而此类粉煤灰应用于工程建设后，将有可能给国家和企业带来严重损失。因此，笔者认为道路施工中粉煤灰应严格控制SO3的含量：

（1）在现行《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)中，粉煤灰的检测指标未见SO3含量规定。实践中，原材料方面应注意粉煤灰中的SO3总含量的控制。一般来说应控制在不超过化学成分总量的1.0%，因为SO3是影响体积不稳定重要的成份组成元素，该控制指标理应作为今后此类半刚性基层施工的技术指标进行控制；

（2）在选定粉煤灰材料时，加强对粉煤灰料源的调查，使用前取样加强对粉煤灰材料化学成分的分析和SO3含量指标的检测，工前有必要进行混合料各龄期的强度试验（7d、28d、60d、90d），分析其强度增长规律是否正常；

（3）为减少地表水的渗漏，应采用抗裂性路面设计方案。

参考文献：

〔1〕（JTJ034-2000）《公路路面基层施工技术规范》.北京.人民交通出版社.2000年。

〔2〕（JTJ057-94）《公路工程无机结合料的材料试验规程》.北京.人民交通出版社.1994年。