一、引言
自 20 世纪 70 年代我国大规模推广二灰稳定土以来,二灰基层因其良好的整体性、板体性和水稳性,已成为高速公路和一级公路底基层、基层的主要结构形式之一。与单一石灰稳定土相比,二灰稳定材料在火山灰反应活性、后期强度、抗裂性及环保性方面均具明显优势。在"双碳"战略背景下,深入研究二灰稳定基层的路用性能,对提升道路品质、延长使用寿命、消纳大宗工业固废均具有重要意义。
二、二灰稳定材料的强度形成机理
2.1 石灰的激发与解离
熟石灰溶于水后形成 Ca(OH)₂ 溶液,使混合料孔隙液 pH 迅速升高至 12 以上,为后续火山灰反应提供强碱性环境。
2.2 粉煤灰的火山灰活性激发
粉煤灰中含有大量活性 SiO₂、Al₂O₃,在高碱性环境下与 Ca(OH)₂ 发生火山灰反应,生成水化硅酸钙(C-S-H)与水化铝酸钙(C-A-H)凝胶:
xCa(OH)₂ + SiO₂ + nH₂O → C-S-H yCa(OH)₂ + Al₂O₃ + nH₂O → C-A-H
这些水化产物相互交织,形成空间网状胶结结构,赋予二灰稳定材料较高的强度与稳定性。
2.3 石灰的碳酸化与结晶硬化
部分 Ca(OH)₂ 与空气中 CO₂ 反应生成 CaCO₃,提高表层致密性,增强抗磨耗能力。
三、原材料技术要求
1.石灰: 有效钙镁含量 ≥ 70%(Ⅲ级钙质石灰),消解完全,过 10 mm 筛。
2.粉煤灰: SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃ 总含量 > 70%,烧失量 ≤ 20%,比表面积 ≥ 2500 cm²/g,含水率适中且无结块。
3.集料: 级配良好,最大粒径 ≤ 31.5 mm(基层)、37.5 mm(底基层),压碎值、含泥量等指标满足规范要求。
4.水: 洁净可饮用水,pH ≥ 4。
四、配合比设计要点
4.1 配合比范围
常用配合比为 石灰 : 粉煤灰 : 集料 = (59) : (1525) : 70~80(质量比)。具体应通过重型击实试验和 7 d、28 d、90 d 无侧限抗压强度试验综合确定。
4.2 强度发展规律
二灰稳定材料的强度发展具有"早期慢、后期长"的典型特点:
- 7 d:反应初期,强度约为 28 d 的 40%~50%;
- 28 d:火山灰反应加速,强度大幅增长;
- 90 d
180 d:反应进入稳定期,后期强度持续增长,可达 28 d 的 1.52 倍。
因此二灰基层在交通开放前应保证至少 28 d 龄期,重载道路应延长至 90 d 以上。
五、关键路用性能
5.1 抗压强度
二灰稳定粒料 7 d 无侧限抗压强度一般可达 0.81.5 MPa,二灰稳定土 7 d 强度约 0.51.0 MPa,完全满足高速、一级公路基层要求。
5.2 抗拉性能
二灰稳定材料的劈裂强度约为抗压强度的 1/10~1/12,虽较水泥稳定类略低,但收缩系数小,实际工程中抗裂性更优。
5.3 抗冲刷性
由于粉煤灰的"微集料"效应与水化产物的胶结作用,二灰稳定基层的抗冲刷能力优于纯石灰稳定土,适合多雨地区。
5.4 抗冻性
在负温地区,二灰稳定材料冻稳性良好,冻融循环 5 次后强度损失一般小于 15%。
六、施工控制要点
1.厂拌: 强制式拌和机,投料顺序为集料→粉煤灰→石灰→水,拌和时间 ≥ 60 s。
2.运输与摊铺: 含水率高出最佳值 0.5%~1%,采用 ABG 或 Vögele 类摊铺机连续作业。
3.碾压: 30 t 以上振动压路机振压 6~8 遍,压实度 ≥ 95%(基层)。
4.养生: 保湿养生不少于 7 d,交通封闭至 28 d 后方可铺筑面层。
七、结论与展望
二灰稳定基层兼具良好的力学性能、耐久性与经济性,适合作为高等级公路的承重层。未来研究方向应聚焦于:
- 大掺量粉煤灰—脱硫石膏—石灰三元体系的协同效应;
- 早强型二灰材料(添加少量水泥或早强剂);
- 工业固废的多元化综合利用与碳足迹评价;
- 长期性能与全寿命周期成本分析。
参考文献
[1] 沙爱民. 半刚性基层材料性能与设计方法[M]. 北京:人民交通出版社, 2014.
[2] 沈旦申. 粉煤灰混凝土[M]. 北京:中国铁道出版社, 1989.
[3] 蒋应军,陈忠达. 二灰稳定碎石基层路用性能研究[J]. 公路交通科技, 2007, 24(2): 38-42.
[4] 交通运输部. JTG/T F20-2015 公路路面基层施工技术细则[S]. 北京:人民交通出版社, 2015.
[5] Shen W, Zhou M, Zhao Q. Study on lime-fly ash stabilized aggregate base[J]. Construction and Building Materials, 2020, 251: 118971.
