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
石灰土是属于石灰稳定土类，用石灰稳定细粒土（颗粒的最大粒径小于10mm，且其中小于2mm的额粒含量不少于90%）得到混合料简称石灰土。

其特点是，具有扳体性．强度比砂石路面要高。

有一定的水稳性和抗冻性，初期强度低，但其强度随龄期较长时间增长。

其收缩性大，容易开裂。

适宜于作二级和二级以下公路与城市道路的基层，也可作各级路面的底基层。

石灰土不宜用于潮湿路段。

石灰土的7d浸水抗压强度标准（表 1）：
表 1 石灰稳定土的抗压强度标准（《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034-2000））
二级和二级以下公路高速公路和一级公路公路等级
层位
基层（MPa）≥0.8①—
底基层（MPa）0.5～0.7②≥0.8
注：①在低塑性土（塑性指数小于7）地区，石灰稳定砂砾土和碎石土的7d浸水抗压强度应大于0.5MPa （100g平衡锥测液限）。

②低液限于塑性指数小于7的粘性土，且低限值仅用于二级以下公路。

高限用于塑性指数大于7
的粘性土。

2.2 石灰对土的改善主要是提高强度，而强度的形成与很多因素有关，如土质、灰质、石灰剂量、含水量和密实度。

2.2.1 土质要求
《城镇道路工程施工与质量验收规范》（CJJ 1-2008）规定土应符合下列要求：
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
≥
c
有表8第5列内插，确定相应的石灰剂量为11.2%。

根据施工条件，工地上
实际采用的石灰剂量为11.7%。

再根据表8第2列和第3列的数据内插，该石灰土的最大干密度为1.62 g/cm3，最佳含水量为20.8%。

3 二灰碎石
3.1二灰碎石概况
二灰碎石（石灰粉煤灰稳定碎石）属于石灰工业废渣稳定土类的二灰粒料，用石灰、粉煤灰稳定粗粒土和中粒土得到的混合料，视所用材科情况分别简称二灰砂砾或二灰碎石。

粒料起骨架作用，二灰起填充和胶结作用，形成密实式二灰粒料，其特点是早期强度偏低外，同水泥粒料，强度高，水稳性好，抗冻性好．耐冲刷，温缩性和干缩性均较小，抗裂性更好的一种优良的基层材料。

适用于高等级公路与城市道路的水泥混凝土路面基层及各级沥青路面基层。

二灰碎石的7d 浸水抗压强度标准（表9）：
表 9 二灰混合料的抗压强度标准（《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034-2000））
公路等级
层位
二级和二级以下公路高速公路和一级公路基层（MPa）0.6～0.80.8～1.1①
底基层（MPa）≥0.5≥0.6
注：①设计累计标准轴次小于12×106的高速公路用低限值；设计累计标准轴次大于12×106的高速公路用中值；主要行驶重载车辆的高速公路用高值。

对于具体一条高速公路，应根据交通状况采用某一强度标准。

3.2 二灰碎石材料组成
3.2.1 石灰质量同石灰土灰质的要求。

3.2.2 粉煤灰质量
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、Al
2
O
3
，其次要成分有Fe
2
O
3
、CaO、MgO、
SO
3
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+ Al
2
O
3
+ Fe
2
O
3
)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。

注：根据近期粉煤灰生产情况，另应增加三氧化硫含量不大于3%的要求。

3.2.4水质量同石灰土的要求。

3.2.4 集料的粒径级配以及在混合料中的含量和结构型式
首先确定石灰粉煤灰的比例；其次确定几种集料的合成级配；最后确定石灰粉煤灰与集料的比例关系。

3.2.
4.1 石灰与粉煤灰比例的确定
由于石灰中实际起作用的是有效氧化钙和氧化镁，所以在配合比计算时，不能只是简单地考虑石灰粉煤灰中的石灰含量，必须确定石灰中有效氧化钙和氧化镁的含量。

这样才能使得设计比较准确，以进一步达到配合比选择的目的。

在进行石灰粉煤灰配合比设计时，可在配比范围，按石灰：粉煤灰=1：2～1：4拌合试样，通过重型击实试验确定石灰粉煤灰含水量和最大干密度，按照规定的压实度成型试件，根据标准养生后试件的强度，结合使用要求与经济性的要求合理选取石灰与粉煤灰比例。

根据石灰和粉煤灰的品质，通过试验确定出石灰与粉煤灰的配合比例。

根据《二灰碎石的实验研究》介绍，石灰粉煤灰配比，一般石灰的有效钙镁含量为40%-50%时，取1: 2;有效钙镁含量为50%-70%时，取l: 3;有效钙镁含量为70%以上时，取l: 4。

实例（《二灰碎石的试验研究》28页）：石灰与粉煤灰比例的确定。

消石灰的有效氧化钙镁含量为58%，属老标准钙质消石灰Ⅲ类。

粉煤灰性能指标，氧化物(SiO2+ Al2O3+ Fe2O3)含量=79.92％，烧失量=12.2%。

试验结果数据如下：表 10 不同石灰粉煤灰比例的7天无侧限抗压强度
比例1：41：31：21：1.5
1.10 1.15 1.19 1.25
重型击实的最大干密度
（g/cm3）
7天无侧限抗压强度
1.26 1.48 1.65 1.64
（MPa）
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。

天无侧限抗压强度（MPa） 1.34 1.39 1.46
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。