石灰\粉煤灰稳定碎石材料的抗冻性研究

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摘要：通过对路面基层冻胀机理的分析，在研究了石灰、粉煤灰稳定碎石基层结构的抗冻性能的基础上，提出在季节性冰冻地区的设计、施工等方面的处理措施。

关键词：二灰碎石;基层;抗冻性

Abstract: based on the pavement frost heaving mechanism analysis, in the study of lime, fly ash stabilized macadam frost resistance of the structure of the presented, based on the icy area in seasonal design, construction, and other aspects of the treatment measures.

Keywords: two ash gravel; Grassroots; Frost resistance

中图分类号：TU521.2+5文献标识码： A 文章编号：

1 引言

贵州要发展，交通必先行。我国越来越重视对大西南经济的发展，但是由于受地形的限制，交通建设就成了发展经济的先决条件。二灰稳定碎石作为一种半刚性基层材料，除具有整体性强、承载力高、刚度大、水稳性好等一般特性外，还具有环保、经济实用等特点，而且西南地区具有广泛的材料来源，便于采用二灰碎石作为基层，因此它已得到了越来越广泛的应用[1]。但是，二灰碎石亦具有一些缺点，如早期强度低，基层铺筑后不能及时开放交通；施工对气温有一定要求，冬季施工时，二灰碎石强度发展缓慢，不足以抵抗冻害，所以必须采取覆盖等防冻措施。即使如此，通常在日平均气温为5℃以下时，就必须停止施工，以防止二灰碎石在没有形成足够强度时被冻裂，并且还须将已铺筑的基层用覆盖的方法过冬，从而严重影响了施工进度，这在一定程度上限制了二灰碎石的应用。况且西南地区多属季节性冰冻或永冻地区，如果处理不当，路面结构包括基层遭受冰冻时，将导致施工中的基层起皮、开裂，完工后的路面则可能在来年产生春融翻浆等病害，因此研究二灰碎石的抗冻性有着广泛的工程实践意义。

本研究从二灰碎石基层受冰冻的机理分析出发，开展了冻融循环试验、防冻溶液的冰点试验以及二灰水泥净浆试验，从而得到了一些防冻性的措施，对二灰碎石的施工质量控制不无裨益。

2 基层受冰冻的机理分析

在季节性冰冻地区，当气温下降时，整个路面层受到负温度梯度作用，并渗透至路基深处，直到与路基土深层正温度达到平衡。在此过程中，路基土中的水分得以迁移，若此时其下部水源供应充足，则可能在某一层位形成聚冰，体积膨胀，破坏原有土体结构，造成冻胀。至于在永冻区，若路基土受施工或升温影响而解冻，则将形成正温度梯度，水分将迁移储存于某一层位，待气温下降时，发展形成聚冰。路面基层的受冻过程与路基土类似(如图1所示)，若路基属于中湿或潮湿类型，地下水位较高，则基层下部的水源供应较为充足，为形成聚冰提供了条件。此时若防冻垫层厚度不够，地下水位会继续上升至垫层某一层位形成聚冰，以致破坏基层乃至路面结构。

图1 地下水迁移形成示意图 图2 铺设隔温层材料的路面结构示意图

3 二灰碎石材料的抗冻性

二灰碎石是含有固、液、气三相的混合物，其中含水量的大小对于施工压实、早期强度及抗冻性至关重要。二灰碎石中的水广泛存在于各孔隙之中，包含大孔隙、毛细孔及凝胶孔。大孔隙中含有自由水，毛细孔和凝胶孔中含有毛细水， 固相材料的表面存在结合水，晶胞和凝胶物层间含有层间水，碎石及二灰晶体内部含有结构水和结晶水，其中自由水通常占据优势地位。当气温降至冰点以下时， 碎石及胶凝体将收缩，而水由液态转为固态，体积膨胀9%，约在-10℃附近，两者矛盾最为显著[2]。

3.1 冻融循环试验

对于室内静压成型的二灰碎石试件，采用冻融循环后的残留抗压强度及质量损失率评价其抗冻性表明，7天7次冻融循环的残余抗压强度为0.22MPa，与标准养护条件下的抗压强度相比，下降了37%，质量损失率为6.41%。具体如表1所列。试件规格为直径15cm×15cm，混合料配比为m(石灰)∶m(粉煤灰)∶m(碎石)=5∶15∶80，最大干密度为2.032g/cm3。

表1不同养护条件下二灰碎石抗压强度及质量损失率

3.2 防冻溶液的冰点试验

试验共配制了表2中的三组溶液同水进行比较，溶液的冰点是通过测量其冰水混合物的温度而得出的。

表2 各组溶液的冰点

由以上数据可以看出，几种防冻溶液的冰点不尽相同，而且并不是冰点越低所表现出的防冻效果越好。比如，以上试验得出K2CO3-Na2CO3溶液的冰点并不是很低，但它们用于二灰碎石却得到了较好的防冻效果。这是因为防冻效果的好坏不仅取决于降低冰点作用的大小，还取决于早强、冰晶畸变、减水及引气等作用的发挥[3]。K2CO3-Na2CO3就是发挥早强和冰晶畸变等作用而具有较好的防冻效果。这可以通过下面的试验分析得到证明。

3.3 二灰水泥净浆试验

试验采用表2中的三种溶液以及水，设计了四组二灰水泥净浆和一组二灰净浆（不掺水泥）的试验。四组二灰水泥净浆的配合比为消石灰∶粉煤灰=6∶13(质量比)，水灰比为0.5，使用占胶凝材料15%的水泥等量取代石灰。这五组试件化学添加剂具体用量和其7d的力学性能测试结果见表3。

表3的数据表明:掺加水泥后的试件比不掺水泥的试件有显著的早强作用。对掺有相同剂量水泥的后四组试件来说，使用化学添加剂的试件比未用化学添加剂的试件具有更明显的早强作用，从表中还可以看出它们早强作用大小顺序，具体为第三组>第四组>第五组，即NaOH-CO(NH2)2的早强作用最显著，K2CO3-Na2CO3次之，NaCl虽然最小，但也有一定的早强作用。因此这三组化学添加剂均有促进二灰类材料水化反应的作用，从而有助于材料强度的发展，提高了材料的抗冻性能。

表3 试件7d的力学性能

4 抗冻措施小结

如前所述，用于二灰碎石基层的抗冻措施主要有以下几方面：

(1) 掺加少量水泥替代部分二灰，用以提高二灰碎石的早期强度，从而适应较低的施工温度。

(2) 在寒冷的天气下进行二灰碎石施工，采取防冻剂可以取得较好的抗冻效果，即在掺加水泥等外掺剂的同时掺加化学添加剂，本研究表明:NaCl、K2CO3-Na2CO3和NaOH等化学添加剂效果较好，其中K2CO3-Na2CO3效果更好，而NaCl和NaOH则更廉价且来源广泛。

(3) 防冻剂的降低冰点作用是二灰碎石防冻的前提。只有降低了液相冰点，在低温下才会有足够的液态水存在，从而使二灰类材料发生水化反应，形成强度结构。

(4) 防冻剂的早强和高强作用对二灰碎石防冻也很关键。二灰碎石本身强度不高，且强度发展缓慢，不足以抵抗较大的冻胀压力，特别是在早期更为明显，因此，早期强度和后期强度的提高是二灰碎石防冻的关键。

此外，改善碎石的级配、添加引气剂、在基层底部设置隔温隔湿材料如EPS塑料等(见图2)，也是提高二灰碎石抗冻性的方法。合理设计二灰碎石的混合料组成，采用一定级配的碎石，提高粗骨料的含量，适当减少细集料，形成骨架嵌挤结构，可以提高其抗冻性。设置隔温隔湿材料可阻断地下水的供应，避免形成聚冰，这在俄罗斯的季节性冰冻区及永冻区得到广泛的应用，收到良好效果[4]。添加引气剂可促使二灰碎石的洁净体中形成均匀的微气泡，兼有减水作用，从而提高二灰碎石的抗冻融能力[5]。

5 结语

(1) 二灰碎石基层下部若有足够的水源供应，易在一定的层次形成聚冰，体积膨胀，破坏路基土、基层结构乃至整个路面结构，造成冻胀破坏。同时二灰碎石空隙内广泛存在有自由水、毛细水、结合水等，在温度下降至0℃(常压)以下时，水由液态转为固态，体积增大9%，必然存在抗冻性问题。

(2) 改善二灰碎石材料组成的方法，如掺加水泥替代二灰或掺化学添加剂(NaCl、K2CO3-Na2CO3和NaOH)，可显著提高其抗冻性。

(3) 改善碎石的级配、添加引气剂或设置隔温材料也是提高二灰碎石抗冻性的有效措施。

参考文献：

[1] 沙爱民. 半刚性基层材料结构与性能. 北京: 人民交通出版社, 1998. 37～38

[2] 同济大学道路与交通工程研究所. 半刚性基层沥青路面. 北京: 人民交通出版社, 1991. 24～26

[3] 王保龙，李迎春，钱春香. 二灰碎石基层材料防冻剂及防冻机理研究.东南大学学报，2001.31(4). 75-80

[4] 卢璋, 洪雷. 混凝土防冻剂作用机理研究. 低温建筑技术, 1988(4). 10～14

[5] 邱云峰, 周泽. 二灰碎石路基材料抗冻性和早强技术试验研究. 新型建筑材料, 2001(3). 11～12