二灰及二灰碎石施工延迟性分析

1、二灰及二灰碎石施工延迟性分析道路工程中，石灰和粉煤灰称为二灰，二灰中的主要材料是粉煤灰。粉煤灰是 一种火山灰质材料，其自身不具有胶凝性或仅具有微弱的胶凝性，常温下养护或提 高养护温度时均不会自我凝结。但当以粉状及有水存在时能在常温下与氢氧化钙反 应形成具有胶凝性的化合物，具有较好的火山灰活性。石灰提供碱性环境并作为富 含活性钙质的激发剂，使二灰类材料溶液中的OH-能打破粉煤灰表面的SiO2、A12O3 网络,并与液相中的Ca2+反应生成类似于硅酸盐水泥水化产物的凝胶物质而获得很 好的强度。一、二灰类材料施工规范要求原交通部公路路面基层施工技术规范(JTJ0342000)石灰工业废渣稳定 土部分

2、在“5.5中心站集中厂拌法施工”中规定：拌成混合料的堆放时间不宜超过 24h，宜在当天将拌成的混合料运送到铺筑现场，不应将拌成的混合料长时间堆放。 在“5.6人工沿路拌和法施工”中规定：对于二灰集料和石灰煤渣集料，应先将石 灰和粉煤灰或煤渣拌和均匀，然后再与集料一起拌和均匀。为使混合料的水分均匀， 宜在当天拌和后堆放闷料，第二天再摊铺。公路路基施工技术规范(JTG F102006)粉煤灰路堤中规定：粉煤灰摊铺 后，必须及时碾压，做到当天摊铺，当天碾压完毕。原建设部粉煤灰类道路基层施工及验收规程(CJJ497)(已废止)规定： 混合料从拌和均匀到压实时间应根据不同温度混合料水化结硬速度而定，当气

3、温在 20C以上时，不宜超过21d；当气温在520C时，不宜超过42d。现行城市道路工程施工与质量验收规范(CJJ12008)在粉煤灰石灰类混 合料中规定：拌制石灰粉煤灰砂砾均应做延迟时间试验，以确定混合料在贮存 场存放时间及现场完成作业时间。在长期从事市政道路施工的过程中，我们发现一般情况下，设计、监理包括施 工单位都按照“从拌制到摊铺、碾压成活在24小时之内完成”的要求去执行，但是 工程施工影响因素众多，有时也会出现拌好的混合料2天、3天才摊铺、碾压完的 情况，经质量检测，符合设计和规范要求，说明二灰及二灰碎石施工具有延迟性。二、施工实例新民洲通港大道位于镇江市共青团农场内，路基采用粉煤灰

4、掺8%石灰铺筑。粉 煤灰取自农场内扬州二电厂的灰池，烧失量5.83%，细度：0.3mm通过量79.3%, 0.075mm通过量43.7%。石灰经测定有效钙镁含量为81.4%，符合使用要求。K0+700K2+100段路床下0.3-0.45cm层施工历经三天。2008年3月29日将 该段落填筑所需的二灰混合料全部拌制完成，经检测合格。因现场的场外因素影响， 当日未能按计划铺筑。3月30日开始铺筑，当日完成K0+700K1+000段。考虑到现场的交通状况及 施工便道，31日完成K1+800K2+100段，4月1日完成K1+500K1+800段。养护 成型后进行强度检测，结果如下:设计灰剂量： 8%最

5、大干密度：1.17g/cm3最佳含水量：34%压实度标准：96%施工日期取样桩号含灰量(%)含水量(%)压实度(%)2008.03.30（1d 料）K0+7157.737.596.7K0+7257.236.396.1K0+7357.137.797.8K0+7507.836.997.5K0+7607.437.996.0K0+7707.236.796.92008.03.31（2d 料）K1+8107.237.597.8K1+8207.539.396.7K1+8357.838.397.5K1+8457.137.296.9K1+8557.438.796.0K1+8707.137.196.12008.0

6、4.01（3d 料）K1+5107.637.496.7K1+5207.238.296.1K1+5307.437.197.7K1+5457.139.096.9K1+5557.838.797.5K1+5707.537.798.57d无侧限抗压强度(MPa)取样1d料0.860.820.860.920.820.862d料0.820.860.960.920.820.863d料0.960.860.860.820.820.82二灰混和料按照拌和完成时的顺序，先拌好的先行使用。3月30日施工段落使 用的粉煤灰可视为从拌和到碾压在24小时之内完成，记为1天(d)料；3月31日在 48小时之内完成，记为2天(d

7、)料；4月1日在72小时之内完成，记为3天(d)料。 从上表看，二灰施工在3天内的7d无侧限抗压强度无明显差异。九华山道路工程II段K2+050K2+150段二灰结石于2007年12月施工，因突 遇降雨降温未及碾压，迅速简单稳压后，覆盖薄膜等待处理。两日后对该段二灰碎 石进行修整，按规定步骤和程序碾压、养生。碾压前取样检测，其质量指标与其它 段落无明显差异，见下表。K2+050K2+150 段：设计值：0.8MPa试件编号12345678910111213抗压强度 (MPa)0.880.840.800.900.900.820.880.860.840.860.880.840.82某正常施工段：设

8、计值：0.8MPa试件编号12345678910111213抗压强度 (MPa)0.820.900.800.880.840.880.840.860.840.880.880.820.86道路沥青面层弯沉检测值设计值：28 X 10-mm桩号快车道右侧快车道中侧快车道左侧左轮右轮左轮右轮左轮右轮K2+0608.208.204.921.64K2+0804.929.846.564.92K2+1004.924.924.929.84K2+1204.921.643.283.28K2+1404.921.644.923.28K2+5006.563.288.206.56K2+5209.843.283.289.84

9、K2+5408.208.206.568.20K2+5606.569.844.923.28K2+5809.849.846.563.28三、延迟性分析石灰粉煤灰混合料，是由固相石灰、粉煤灰，液相一一水溶液和气相 空气三相组成的。石灰粉煤灰在一定含水量下混合拌和，压实、成型，在其初期， 可以认为石灰粉煤灰混合料未发生化学反应，其强度主要来自密实混合料的内摩擦 力，还有通常称之为“原始粘聚力”的颗粒间水膜与相邻颗粒之间的分子引力所形 成的粘聚力。随着龄期的增长，三相之间发生一系列物理化学变化，生成水化硅酸 钙、水化铝酸钙等一系列胶结性的物质，使二灰类材料板结固化，呈现一定的强度 和稳定性。石灰粉煤灰的

10、反应过程主要有：石灰在水溶液中的解离作用、结品作用和碳化 作用，石灰粉煤灰之间的火山灰反应。石灰在水溶液中的解离作用石灰消解后的的主要成分是Ca(OH)2，在水溶液中可溶解并发生电解：Ca(OH)2 BCa2+20H-同时散发少量的热量。该过程提供了大量的Ca2+和OH-离子，使混合料液相的PH值 升高，这是其它后续反应的基础。Ca(OH)2虽是强碱，但在水溶液中由于离子间的相 互吸引，使它表现出一定的电离度，且电离度随Ca(OH) 2溶液浓度的减小或温度的 升高而增大。富含SiO及A12O3的材料如粉煤灰等物质，通常表面带负电荷，吸附的反离子层 是由带正电荷的阳离子组成，并且这些阳离子大多是

11、一些低价的离子，如一价的H+、 K+、Na+等。石灰遇水溶解之后解离出的二价Ca2+能够与粉煤灰颗粒上原有的低价离 子之间发生离子交换作用，并吸附于粉煤灰表面。这一过程造成石灰粉煤灰材料初 步的体态变化，如粉煤灰颗粒吸湿性降低，粘聚性增加，塑性指数变小，颗粒表面 粗糙化等一系列物理性质上的改变。这些变化主要集中在石灰粉煤灰材料与水混合 之后的初期阶段。石灰的结晶作用消石灰(Ca(OH)掺入粉煤灰中，由于水分较少，只有少部分解离，还有少部分 2的Ca(OH)2直接参与化学作用，绝大部分Ca(OH)2在消石灰遇水不断溶解，达到过饱 和时产生胶体化现象，析出Ca(OH)2微品体。在胶体分散相自发聚集

12、的作用下，逐 渐形成大的品体颗粒，产生强度。化学反应式为：Ca(OH) +nH O - Ca(OH) nH O222 *2石灰吸收水分(胶体含水晶体(晶体由于结品作用，Ca(OH) 2由胶体逐渐变为晶体。这种新生晶体一方面起胶结作用， 一方面形成所谓的晶体空间网架结构，与粉煤灰结合形成共品体，将粉煤灰胶结为 整体，促进石灰粉煤灰混合料的早期强度的形成。但是析出的晶体数量少，强度增 长也不大。Ca(OH)2晶体相互连接，与不定形的Ca(OH)2相比，晶体Ca(OH)2的溶解度几乎 减小一半，因而由晶体Ca(OH)2形成的结晶结构的水稳定性比由Ca(OH)2胶体形成的 凝聚结构的水稳性好，使得二灰

13、混合料的稳定性得以提高。随着石灰的不断消耗，这一过程会向反方向发展，即晶体状的石灰与粉煤灰活 性成分反应，生成另外的产物。石灰的碳化作用石灰中的主要成分Ca(OH)2能与溶解于水中的CO2或空气中的CO2反应，产生碳 化作用：Ca(OH) +CO -CaCO+HO2232反应所生成的CaCO3难溶于水，是坚硬的结晶体，具有一定的胶结性和较高的 强度。随着CaCO3晶体的持续生长而相互交叉连生或与氢氧化钙共生，形成紧密交 织的结晶网，促进了二灰结构的形成，对粉煤灰的胶结作用使粉煤灰得到了加固。但是随着石灰粉煤灰初期结构的形成，石灰粉煤灰的表面碳化后形成的硬壳阻 碍了 CO2与内部材料的进一步接触

14、，从而大大延缓碳化作用的程度。因而Ca(OH)2 的碳化作用是一个长期而缓慢的过程，它是形成混合料后期强度的原因之一。石灰与粉煤灰的火山灰反应粉煤灰是一种典型的火山灰物质，这类物质的特点是都含有较多的SiO2和A12O3 成分。当与石灰加水混合，石灰水化后形成的Ca(OH)2溶胶使得粉煤灰颗粒中玻璃 小球体表面的SiO、A1 O缓慢溶解，与Ca(OH)逐步反应生成具有水硬性的胶凝材料。22 32反应的原理如下式所示：SiO2+xCa(OH) 2+(n-x)H2O=xCaO.SiO2.nH2OAl O +xCa(OH) +(n-x)H O=xCaO Al O nH O2 322*2 3*2随着龄

15、期的增长，石灰与粉煤灰间的火山灰反应逐渐增强。生成的胶凝物质是含有结品水的水化硅酸钙(xCaO.SiO2.nH2O)和水化铝酸钙 (xCaSA”M。)，这种生成物在形成的初期是一种非晶态物质:随后不断地向晶 体过渡。当体系生成物浓度达到一定值时，它们便互相啮合形成网状结构，进而形成 凝胶。上述反应都是通过离子吸附和交换而完成。这种反应产物具有良好的粘接作用和显著的水不溶性，能够将分散的粒状材料 有效地胶结在一起而形成整体结构，这是石灰粉煤灰混合料形成强度具有良好力学 性质的根本原因。该过程的发生是在二灰加水混合一段时间之后进行，开始时间的 早晚和持续时间的长短，将随粉煤灰材料自身的结构特点和成

16、分中有效物质的多少 等内因、以及适宜的外部环境条件而定。在以上各种反应中，石灰的解离作用是所有作用过程的基础，石灰的碳化结品 作用增加了材料之间的胶结性，二灰的火山灰反应生成的凝胶物质是二灰形成结构 强度的主要原因。上述各种反应不是立刻完成的，而是随着养生时间的推移逐渐发 展，经一段时期后才会结束。在此期间胶体、品体不断增多、长大，彼此逐渐接触、 交叉，除将未参加化学反应的粉煤灰中的其他矿物粘结在一起外，还形成一个胶体 加晶体的空间网络结构，这个坚固的空间网络是最终形成了石灰粉煤灰混合料的整 体强度和稳定性。四、结束语二灰材料的强度和稳定性主要源于火山灰反应，而火山灰反应并没在在二灰拌 合后立即展开，具有时间上的“延迟性”。石灰的碳化作用过程缓长，影响的也主要 是二灰材料的后期强度。在二灰材料拌和的早期，主要发生的是石灰的解离作用和 结品作用，二者对二灰材料的强度和稳定性影响不大，因此：二灰及二灰材料的施工具有一定的延迟性，利用这种特性不会影响施工质量；这种延迟性具有一定的尺度，是基于火山灰反应的迟滞。火山灰反应展开后， 再进行二灰材料的延迟施工，将影响施工质量。这也是堆放一段时间后的二灰混合 料会“失效”，不能直接使用的原因。延迟时间的长短，需要通过试验确定。二灰反应非常复杂，与二灰材料的化 学成份、物理特性、施工现场