关于路用石灰土和二灰碎石

关于路用石灰土和二灰碎石
施工图设计审查中心吴祖德
提要：2010年前我市道路的基层、底基层材料主要采用二灰碎石和石灰土，是一种强度高、耐久性好、造价低、便于施工、质量易保证，可以就地取材，一方面具有良好的路用性能,另一方面可以充分利用工业废料,减少环境污染,具有
重要的经济意义和很大的社会和环保效益。

近年来高等级公路、城市道路建设中，得到了越来越广泛的应用。

本文主要收集这两种材料的路用性能作分析介绍，供交流参考。

2010年后，所用粉煤灰的三氧化硫含量大于3%，所做基层产生膨胀、开裂，不能满足路用要求，已改用水泥稳定碎石基层。

但只要控制粉煤灰的三氧化硫含量小于3%，二灰碎石还是可以满足路用要求的。

关键词：二灰碎石石灰土路用性能防止半刚性基层收缩裂缝措施
1前言
由于石灰、水泥在土中的水化、水解和结晶作用，使混合料产生强度和板体性，这类材料完工初期，具有柔性材料的工作特性，随着时间的推移，强度逐渐提高，板体性增加，刚度增大。

它的最终强度、弹性模量比不掺石灰或水泥的柔性基层要大几倍，但比水泥混凝土要小得多，二灰碎石和石灰土故称为半刚性基层。

半刚性基层具有一定的强度和水稳性，适宜用作高等级路面的基层或底基层。

但应注意其干缩和温度收缩的特性，表面出现的裂纹容易反射到路面上来，工程中特别要注意防治。

2石灰土
2.1石灰土概况
1)宜采用塑性指数10～15的粉质土、黏土。

2)土中的有机物含量宜小于10%。

3)使用旧路的级配砾石、砂石或杂填土等应先进行试验。

级配砾石、
砂石等材料的最大粒径不宜超过分层厚度的60%，且不应大于250px。

土中掺入碎砖等粒料时，粒料掺入含量应经试验确定。

《粉煤灰石灰类道路基层施工及验收规程》（CJJ 4-97）规定土应符合下列要求：
1）土的塑性指数（用100g平衡锥测定）宜为11～25，并不得小于6或大于30。

当土的塑性指数小于6或大于30时，应采取压实混合料或粉碎土团粒的措施。

2）当温度为700℃时，土中有机质含量应小于8%。

硫酸盐含量宜小于
0.8％。

塑性指数偏大的重粘土，不易粉碎、拌和，石灰难以与其充分反应，对强度形成不利，这种情况
下，可采用两次拌和工艺，即：第一次加部分石灰拌和后，闷放1～2d，再加入其余石灰进行第二次拌和。

塑性指数10以下的亚砂土和砂土，使用石灰较多，难以碾压成型，施工时应采取适当的措施，或采用水泥稳定。

塑性指数为15以上的粘性土更适宜于用石灰和水泥综合稳定。

2.2.2石灰质量
石灰中氧化钙加氧化镁的含量直接决定了石灰对土的稳定效果，石灰等级愈高，在掺加相同合灰量的情况下，有更多的CaO和MgO起作用，因而稳定效果愈好。

《城镇道路工程施工与质量验收规范》（CJJ 1-2008）规定石灰应符合下列要求：
1）宜用1～3级的新石灰，石灰的技术指标应符合表2的规定。

表4建筑生石灰技术指标(《建筑生石灰》（JC/T
原设计所规定的石灰等级宜高于Ⅲ级，应注意按建筑生石灰技术指标《建筑生石灰》（JC/T 479-92）为合格品时，CaO+MgO含量比原标准高出10%。

石灰中CaO+MgO含量随堆放时间(特别是野外的堆放时间)而减少，因此最好能在生产后不迟于三个月内使用完毕。

活性CaO+MgO含量如经试验略低于原Ⅲ级标准，可根据活性氧化物的实际含量，适当提高石灰剂量。

对于高速公路和一级公路，宜采用磨细生石灰粉。

生石灰在土中消解，可放出大量热能，加速灰土的硬化。

另外，刚消解的石灰其活性和溶解度均较高，能保证石灰与土中胶粒更好地作用。

因此，采用生石灰稳定土的效果优于熟石灰，但施工成本要高些。

2.2.3水质量
《城镇道路工程施工与质量验收规范》（CJJ 1-2008）规定水符合下列要求：
2）确定混合料的最佳含水量和最大干密度，应做最小、中间和最大3个石灰剂量混合料的击实试验，其余两个石灰剂量混合料的最佳含水量和最大干密度用内插法确定。

3）按规定的压实度，分别计算不同石灰剂量的试块应有的干密度。

4）强度试验的平行试验最少试件数量，不应小于表6的规定。

如试验结果的偏差系数大于表中规定值，应重做试验。

如不能降低偏差系数，则应增加试件数量。

表6最少试件数量（件）
偏差系数
＜10%10%～15%15%～20%
土壤类别
细粒土69—
中粒土6913
粗粒土—913
5)试件应在规定温度下制作和养护，进行无侧限抗压强度试验，应符合国家现行标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTJ 057有关要求。

6）石灰剂量应根据设计要求强度值选定。

试件试验结果的平均抗压强度
应符合下式要求：
≥R d/（1－Z a C V）
试中R d——设计抗压强度C V——试验结果的偏差系数（以小数计）
2.3实例（《公路与城市道路设计手册》1053页）
某一级公路底基层石灰土的配合比的设计示例。

已知：土为黏性土，塑性指数Ip=11.5；石灰属3
级钙石灰；压实度要求96%。

采用集中厂拌法施工。

试求：石灰土的设计抗压强度R c,d=1.2MPa时，石灰剂量？最大干密度？最佳含水率？
过程：因为土Ip=11.5（接近12），选定石灰剂量范围6%～14%。

然后，通过试验确定石灰土的最佳含水量和最大干密度，各种含灰量下的抗压强度（其中石灰剂量8%、12%为通过内插方法得到）。

表8击实试验及强度检验
（%）（%）（g/cm3）（g/cm3）（MPa）
6.018.7 1.71 1.640.24
8.019.4 1.68 1.610.76
10.020.1 1.65 1.58 1.24
12.020.9 1.62 1.56 1.70
14.021.8 1.58 1.52 2.12
随石灰剂量
的增加而增
加
随石灰剂量的增
加而减小
随石灰剂量的增
加而减小
随石灰剂量的
增加而增加
（见图1）
图1石灰剂量与石灰土的强度关系图
强度试验结果的偏差系数C V=12.2%，一级公路应取保证率95%，此时
Z a=1.645，计算出石灰土的平均抗压强度值应满足：
c≥R c,d/（1-C V Z a）=1.20/（1-0.122×1.645）=1.50 MPa
粉煤灰是火力发电厂烟道排出的废物，它是磨细煤粉燃烧后的残渣，为灰色粉末，分干粉和湿粉两种。

粉煤灰颗粒是实心的或空心的球状物，玻璃体含量占71％～88％，这些成分是石灰粉煤灰火山灰反应中的主要成分。

粉煤灰本身很少或没有粘结性．但是它以细分散的状态与水和消石灰或水泥混合时，在常温下与Ca(OH)2发生反应能形成一种具有粘结性的化合物。

粉煤灰的主要成分是SiO
2、Al2O3，其次要成分有Fe2O
3、CaO、MgO、SO3等，大多数粉煤灰中各种氧化物的总含量超过85％，其中氧化钙含量为2％～6％的称之为硅铅粉煤灰，氧化钙含量为10％～40％的称之为高钙粉煤灰。

高钙粉煤灰中含有足够量的游离石灰，不需另外掺加石灰或水泥，就能自行硬化。

粉煤灰（硅铝灰）的质量对于石灰粉煤灰火山灰反应的影响大于石灰的影响，实际工作中，应选用符合下列标准要求的粉煤灰（《城镇道路工程施工与质量验收规范》（CJJ 1-2008））：
①氧化物(SiO
2+ Al2O3+ Fe2O3)含量＞70％；
②烧失量(又称含碳量，即在700°C温度下烧失量)≤10％；粉煤灰中含炭量过多会影响其活性，从而降低混合料的强度。

当烧失量＞10％时，应做试验，当其混合物强度符合要求时方可采用；
③粉煤灰颗粒愈细，比表面积愈大，活性愈强。

细度应满足90%通过0.3mm筛孔，70%通过0.075mm筛孔。

粉煤灰的比面积宜大于2500㎝2／g；
湿粉煤灰的含水量不宜超过30％。

干粉煤灰堆放时．要采取防尘措施，以避免污染环境。

干粉煤灰和湿粉煤灰都可以采用,使用时应除去凝固的灰块(打碎或过筛)，并清除杂质。

重型击实的最大干密度
（g/cm3）
1.10 1.15 1.19 1.25
7天无侧限抗压强度
（MPa）
1.26 1.48 1.65 1.64
图2不同石灰粉煤灰比例与强度关系图从上表中可以看出：在石灰含量较低时，石灰和粉煤灰的强度随着石灰含量的增加，强度在增长，但当石灰含量增加到一定程度后，试件的强度不增反降。

为了使配制的石灰粉煤灰碎石具有较高的强度，在选择石灰粉煤灰比例时，应选择强度最高的比例。

按照试验结果，选定为1: 2。

3.4.2.2集料级配的确定
单一粒径粗集料组成的石灰粉煤灰稳定碎石，分散在石灰粉煤灰中成悬浮结构，而且施工中易发生离析而不均匀；而连续级配集料石灰粉煤灰稳定碎石，由于细集料较多，易产生收缩裂缝。

因此，采用密实结构石灰粉煤灰稳定碎石，最大粒径仍按规范要求，使之不仅有足够数量的粗骨料可以形成空间骨架，而且又有必要数量的细料和石灰粉煤灰填充于骨架间的空隙，使混合料有较高的密实度而形成一种骨架密实结构，其内摩阻力和粘结力均较高。

3.2.
4.3石灰粉煤灰与集料（级配碎石）比例的确定
在石灰粉煤灰稳定碎石基层混合料中，集料起骨架作用，结合料起填充和胶结作用，集料在混合料中的分布呈松方状态，并且填充混合料空隙的结合料得以
图3不同石灰粉煤灰与级配碎石比例与强度关系图从图3可以看出在同等条件下，18: 82的强度最高，因而是选择18: 82。

在实际工程中，由于产地的不同，材料的各方面性质会有所变化，因此，集料含量就必须进行相应的调整，以确定合适的集料比例。

石灰粉煤灰与碎石的比例对于石灰粉煤灰碎石的强度和耐久性影响很大。

石灰粉煤灰作为混合料中的胶结材料，如果填充不了级配碎石之间的空隙或者被压实的程度低，材料的整体性就比较差，强度低;如果胶结材料的含量较高，远远大于级配碎石的空隙，使集料都悬浮在胶结材料中间而无法形成致密的骨架结构，使混合料收缩变形大，而使施工后的石灰粉煤灰碎石出现很多裂缝。

因此存在一个合理的比例。

通常我们按石灰粉煤灰的比例固定不变，将粒料含量在由80%到85%之间变化，制作15X375px的圆柱体试件，测定不同龄期的抗压强度，确定粒料比例对混合料强度的影响，找出粒料最佳比例范围。

这个比例既能保证混合料有足够强度，又使混合料具有良好的抗收缩能力，减少收缩裂缝。

适宜做石灰稳定基层的材料有；级配碎石、未筛分碎石、砂砾、碎石土、砂砾土、煤歼石和各种粒状矿渣等。

石灰土集料混合料中集料的含量应在80％以上，并具有良好的级配，土中15～20mm的土块不宜超过5%。

作基层时，颗粒最大粒径不应超过40mm，作底基层时，最大粒径不应超过50mm。

集料中碎石
表14集料的最大粒径要求（《公路路面基层施工技术规范》（JTJ
3.2.
4.4石灰粉煤灰稳定集料的配合比计算示例（《公路与城市道路设计手册》1057页）
4防止半刚性基层收缩裂缝的措施
4.1裂缝的形成机理
半刚性基层的非荷载型裂缝通常有二种类型：一是干缩裂缝，另一种是温缩裂缝。

干缩裂缝是因为半刚性材料中的水分蒸发和混合料内部发生水化作用，使其水不断减少，从而引起体积收缩。

温缩裂缝是因为在降温过程中，材料产生体积收缩引起的。

由于半刚性材料在压实完成后的头几天抗拉强度铰小，此时体积收缩(干缩+温缩)产生的拉应力很容易使半刚性基层中产生规则的横向裂缝。

研究表明，半刚性材料干缩性大小与以下因素有关：结合料类型和剂量，被稳定土的类别(细粒土、中粒土或粗粒土)，粒料的含量，小于0.5mm的细土含量和塑性指数，含水量和龄期等。

土中粘粒愈多．干缩应变愈大；水泥剂量越大，干缩应力越大，裂缝也越多。

因此，许多国家在规定水泥稳定土的强度指标的同
时，规定了水泥的最大剂量不超过6％，以减少干缩裂缝。

另外，施工碾压时，混合料的含水量越大，干缩应力也越大，导致裂缝增多，缝宽增大。

影响半刚性材料温度收缩性质的主要因素是含水量、集料中土的含量、结合料类型、环境温度和龄期等。

稳定细粒土温缩系数大，特别是石灰土和水泥土，而二灰土和水泥粉煤灰土温缩系数明显要小些。

稳定中粒土和粗粒土(简称稳定粒料土)的温缩系数明显小于稳定细粒土的温缩系数，粒料土中含土量对温缩系数有较大影响，温度愈低，含土量对温缩系数的影响愈大，如相同石灰粉煤灰作稳定剂，二灰碎石土的温缩性明显大于二灰碎石。

采用不同结合料的混合料，收缩性质也不同，石灰稳定粒料或石灰稳定粒料土的温缩系数和干缩系数明显大于水泥粒料和二灰粒科。

4.2防止措施
对于半刚性基层，可以采取以下某种措施或几种综合措施减轻或防治收缩裂缝：
①控制集料中细粒含量和塑件指数。

将通过0.075mm筛孔的细料含量控制为约5％—7％，若细料收缩性特别明显，则应控制为2％～5％，此时若用水泥稳定，则可掺加部分粉煤灰(水泥与粉煤灰之比为1：1)。

细粒的塑性指数应尽可能小(不大于4)。

②在满足强度要求的情况下，用最小的水泥剂量。

例如，在比利时，一般只用4％水泥，以控制干缩裂缝，有的国家则规定水泥剂量不超过5％。

③掺加一定数量的粒料。

粒料含量愈多，混合料干缩性愈小，稳定粒料比稳定粒料土干缩性小，而稳定粒料土又比稳定细粒土干缩性小。

稳定细粒土的干缩性和温缩性都较稳定粒料大得多，因此，稳定细粒土基层可能产生的收缩裂缝严
重得多，单位长度内裂缝的条数多，缝的宽度大。

应尽量采用稳定粒料基层，而不采用稳定细粒土基层，若条件所限，粒料来源困难，则应采用石灰粉煤灰作结合料(即采用二灰土)，而不采用石灰土。

④对于稳定粒料土，水泥稳定粒料和密实式二灰稳定粒料是所有半刚性材料中收缩系数最小的材料。

粒料可以是碎石、砂砾、矿渣和其它具有一定强度的粒状废渣，原粒料中含有少量塑性土时也可以使用，但不要人工向粒料中加土。

⑤严格控制施工碾压时的含水量。

混合料的含水量不能超过压实需要的最佳含水量或控制在施工规范容许的范围内。

采用重型压实标准施工，混合料的最佳含水量较小，有利于减少干缩裂缝。

⑥预锯缝或压槽半刚性基层厚度大于等于500px，一般情况下，每隔约5m 锯横向锯缝一条。

如果基层宽度超过8m，并且是一次摊铺，还要纵向压槽。

前苏联建议在水泥土基层上每隔8～12m做一假缝，深6～250px，缝宽10～12mm，切缝后立即用沥青玛蹄脂填缝。

⑦碾压完成后及时养生，保证混合料的含水量不受损失，更不能让基层曝晒变干开裂。

碾压完成后，最迟在养生结束后，立即喷洒稀释沥青或沥青乳液，做成透层或粘层，在透层或粘层上要撤布3～8mm的碎石或砾石，石料不需密布，应露黑，用量约3kg/m2(不能撒布砂和0～5mm的石屑)。

石料既可作为摊铺沥青混合料时的工作平台，使运料卡车和摊铺机不致将粘层沥青卷起，又可保证上层沥青混合料与个刚性基层间有良好的粘结。

透层或粘层完成后，应尽快铺筑沥青面层。

透层或粘层虽有一定的保温保湿作用，但时间稍长，半刚性基层混合料中的水分也会损失而出现干缩裂缝，在温差大的情况下，也可能产生温缩裂缝。

为了保护基层不产生收缩裂缝，必须尽快铺筑沥青面层。

⑧在石灰粉煤灰稳定碎石中通常采用经充分消解的熟石灰。

当石灰粉煤灰中的石灰含量增加时，就会加大混合料水化过程的碱度，从而易产生高碱度的水化硅酸钙产物，它的干燥收缩量比一般碱度的水化硅酸钙高出2～3倍，因此过多的石灰含量会增大石灰粉煤灰碎石的收缩，在石灰粉煤灰稳定碎石强度足够的情况下，应适当减少石灰的含量。

⑨在石灰粉煤灰稳定碎石中，集料能够抑制收缩开裂，粉煤灰不会对材料整体的收缩开裂产生不利影响，未充分消解的石灰颗粒往往引起石灰粉煤灰稳定碎石的后期膨胀开裂，太大的石灰含量会增加石灰粉煤灰的收缩系数，过多的水份易引起石灰粉煤灰稳定碎石的早期收缩开裂。

因此，必须严格控制石灰粉煤灰稳定碎石混合料中的含水量，通过调整石灰、粉煤灰和水的组成配比，将石灰粉煤灰自身的收缩控制在最低，在石灰粉煤灰稳定碎石中适当增加集料的含量，降低石灰粉煤灰比例，从而达到减少收缩的目的。