粉煤灰在高速公路施工中的应用

　　内容提要：就地就近利用粉煤灰修筑路基、路面底基层和基层，既可以变废为宝，减少占地及环境污染，又能提高道路质量，降低工程成本，具有较大的技术经济价值，是一件利国利民的事。路堤施工中使用粉煤灰，可以减少与农业争地，采取一定技术措施，能够满足不同等级公路的技术要求。施工路面基层和底基层时掺拌粉煤灰后筑路材料更能发挥其优点，使成型且养生的结构层具有良好的力学性能、板结性、水稳定性和一定的抗冻性。有些省市结合所在地区的自然条件和资源特点，通过对影响二灰类使用特性的各种因素——如材料品质、规格及材料组成设计，施工工艺，含水量，密实度，温度及养生方法等——进行大量实践和探索，得出此类材料不同于一般刚性基层和底基层结构的特征；通过对该种材料的路面结构组成设计，施工工艺等进行分析总结，认为二灰类混合材料系一种缓凝性硅酸盐类材料，用它铺筑出来的基层和底基层将会形成整体层。在一定温度、湿度下其强度随龄期而增加，属滞后型，其后期工作强度一般情况下均超过初期强度的数倍甚至十多倍。本文就粉煤灰的应用，施工工艺，工程实践中应注意的事项做一些分析。
　　1.概述
　　１.随着国民经济的发展，交通量增长非常迅速，我国高等级公路建设近几年掀起了高潮。路堤的大量填方用土与农业争地的现象日益增多，而随着加上多年陈灰积压，侵占农田、污染环境，急待开发利用。据八十年代末资料统计，我国年粉煤灰排放量就在四千万吨以上，利用率很低。就地就近利用粉煤灰来修筑公路，变废为宝，既减少环境污染，又能减少占用农田，提高道路工程质量，降低成本，具有较大的社会经济效益。
　　粉煤灰是火力发电厂燃烧煤粉产生的粉状灰渣。其主要成分是二氧化硅（SiO2）和三氧化二铝（Al2O3），其总含量常超过70%，氧化钙（CaO）含量一般在2%~6%，通常称这种粉煤灰为硅铝粉煤灰。粉煤灰的烧失量一般小于10%，但由于燃烧工艺等原因，有的粉煤灰烧失量则在20%以上。
　　2. 粉煤灰在填筑路基方面的应用
　　2.1 粉煤灰填筑路堤的应用程序首先根据拟填筑路基的高度和原地基土质水文条件，采取相应的设计措施，对施工工艺及控制标准提出要求。路堤设计中要根据地基的状况采取措施排除地下水，加速土的固结，满足工后沉降和稳定性要求，其方法有：设碎石桩，把原基作成一定拱度，铺碎石垫层或碎石加砂垫层，可以在碎石垫层上敷设两层土工织物加筋层，每层厚度30cm，填筑砂土或亚砂土，加筋层设置的目的上，一是加筋作用起增加路堤的抗滑稳定性，二是隔离毛细水，防止粉煤灰填料含水量过大而引起路堤粉煤灰强度降低。在土工物加筋隔离层上按规定30cm一层纵向填筑粉煤灰并碾压至要求的密实度。路槽标高以下设置50cm的亚砂土覆盖层封顶。边坡用宽2m（水平方向）的亚砂土作包边，形成土质包边外壳，以保护粉煤灰路堤边坡的稳定性。土质边坡上要纵横设置无纺土工织物碎石盲沟。在路堤设计中要对粉煤灰路堤及土质边坡进行稳定验算。在稳定验算中，不计粘结力C值，内摩擦角φ值也应取用饱水后的φ值为宜，以策安全。
　　2.2 粉煤灰路堤施工粉煤灰路堤施工的施工方法和压实机械基本上与土质路基施工类似，但增加了包边土摊铺和设置盲沟等工作内容。路堤施工质量的好坏，特别是粉煤灰压实度能否满足要求，取决于摊铺厚度、含水量控制，压实机械的种类及碾压遍数这四项基本要求。
　　2.2.1 摊铺厚度 粉煤灰的摊铺厚度与摊铺方式（人工或机械）和压实机械的能力有关。摊铺厚度要通过施工试验段来决定。一般讲，国产20t振动压路机要求压实厚度不大于20cm，不宜太厚，这样才能保证压实层中压实度均匀一致。如有大功率的振动压路机，如原西德产的BW-217D型50t级振动压路机，压实厚度可控制在30cm左右。
　　根据工地实测，摊铺的松方系数按下列建议值控制：用人工摊铺，松方系数1.6-1.8用推土机摊铺，松方系数1.2-1.3用平地机摊铺，松方系数1.1-1.2 2.2.2 含水量控制 从粉煤灰的击实特性可看出，达到90%压实度（重型）的含水量变化范围为10%，而比土的变化范围2-5%要宽得多。而实际上土的含水量超过3-5%是根本不易压实的。粉煤灰吸水量大，但失水也快，控制好碾压时的含水量接近或略大于最佳含水量是至关重要的一环。掌握好含水量可以起到事半功倍的效果。
　　2.2.3 碾压 压实度与碾压机械压实能力的大小和碾压遍数密切相关。钢三轮压实效果差。振动压路机随其自重吨位由小到大，压实效果越来越好。
　　2.2.4 粉煤灰路堤的强度测定和沉降观测施工完粉煤灰路堤要进行弯沉值、回弹模量的测定；需要进行路堤的沉降观测，把测得的沉降量与计算的最终沉降量进行比较，并与同样高度土质路基的计算沉降量比较。
　　2.3 结论与建议
　　2.3.1 粉煤灰是一种质轻、多孔隙、颗粒均匀，具有一定水稳定性的无粘结性材料。其路用性能满足公路路堤的技术要求。采用粉煤灰修筑路堤是完全可行的，为开发利用粉煤灰找到了一条有效途径。
　　2.3.2 粉煤灰具有重量轻、压缩性小、渗透性好、摩擦系数大、强度高等优点，特别适用于软弱地基上高路基的修筑。
　　2.3.3 粉煤灰吸水量大，泄水能力强，施工压实含水量要求范围比较宽，给施工带来方便，尤其是雨季施工，更能体现出其优越性。
　　2.3.4 粉煤灰是一种细颗粒材料，其强度主要由颗粒间摩擦力构成，其内阻角φ一般在35-40度，饱水后φ值降低到25-35度，而粘结力C值饱水后几乎丧失，为偏于安全，验算稳定时，不计C值，值应取饱水后的φ值为宜，设计时必须考虑到这一点。
　　2.3.5 修筑粉煤灰路堤必须掌握好摊铺厚度、含水量控制、压实机械的选择和压实遍数等几项关键因素。
　　2.3.6 应充分重视粉煤灰路堤的边坡防护及隔离层设置，防止地表水或地下水进入路堤，使路基的土质地面高于周围田地，设置必要的排水系统。
　　2.3.7 急需国家有关部门制订相关的技术及经济法规。粉煤灰作为路堤材料，应就其设计和施工制订规程，使设计和施工人员有法可依；还要制订政策鼓励设计单位和施工单位尽可能利用粉煤灰，为大规模利用粉煤灰创造条件。
　　3 粉煤灰在路面基层和底基层施工中的应用3.1 二灰混合料将石灰、粉煤灰及其他掺入材料，按照合适的比例、最佳含水量、合理的工艺过程拌和均匀，经压实、养生后具有规定抗压强度的混合料，称为石灰、粉煤灰混合料（简称二灰混合料）。常见的有二灰碎石、二灰砂砾、二灰砂和二灰土等。据我国交通部颁布《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-93）之规定，二灰土禁止用作高等级路面的基层，而只能用作底基层。
　　二灰稳定土，具有良好的力学性能、板结性、水稳定性和一定的抗冻性，其抗冻性比纯石灰土高得多。
　　3.2 材料在做二灰混合料配合比之前，所使用的各单质材料要做试验检测，使之符合JTJ034技术规范的要求。
　　3.3 二灰混合料的配合比设计
　　3.3.1 配合比设计的目的 根据设计规定的强度标准，选择满足设计要求的二灰稳定的材料，以确定各种材料的最佳比例、混合料的最大干密度和最佳含水量。
　　3.3.2 配合比设计的步骤A. 根据技术规范和设计文件，检测拟用各单质材料理化指标，对料源储量、质量、运距和运输道路状况进行综合考察。
　　B. 材料的采集和处理 取有代表性石灰进行有效成分检验，确定其等级，消解备用；取粉煤灰送检，复核其各项指标是否符合技术规范要求。以上两试样过筛备用。拌和用土或碎石也按规范进行检验；风干后放入烘箱内烘干待用。
　　C. 原材料的掺配 按照交通部规范JTJ034-93和设计建议的各种材料比例进行掺配。按不同比例确定各相应比例的材料数量，用拌和器材进行充分拌和后制作试件。一般各材料比例确定是按石灰剂量一一个百分点在设定最佳剂量附近变化。
　　D. 击实试验 对上述制作的一系列试件进行击实试验，得出准确结果，作出含水量—最大干密度曲线，求得最大干密度和最佳含水量。制作试件前可以预估最佳含水量，上下按两个百分点增减，即含水量级差2%，进行试件的制作。
　　E. 无侧限抗压强度试验 强度试验的目的，是核实一下同一种粉煤灰和石灰及土或碎石，在不同石灰剂量时混合料的标准试件标养后其强度变化情况。影响强度的因素主要有：石灰有效成分、结合料所占比例以及制件时所用干密度。制件时一定要考虑到施工要求的压实度。无侧限抗压强度试件平均抗压强度R平应符合公式（1）的要求：R平≥R设/（1-ZαCν） （1）
　　Zα——试验结果的偏差系数Cν——标准正态分布随保证率而变化的系数，高速公路、一级公路：保证率95%，Zα=1.645，其它公路：保证率90%，Zα=1.282. F.石灰剂量的确定 根据《技术规范》规定，石灰增加而强度无明显改进时石灰含量，即为设计石灰含量。施工实际剂量允许比设计含量高1%. 3.4 二灰类混合料的施工
　　3.4.1 施工一般要求 剂量准确、拌和均匀、碾压密实、封闭交通、及时养生。二灰土施工，可以采用厂拌或路拌，二灰碎石施工则必须厂拌。另外一定要把好材料质量关，毫无疑问，没有合格的原材料是施工不出来合格的产品。
　　3.4.2 施工程序
　　3.4.2.1 二灰土施工程序 路拌法：准备下承层à施工放样à土料运输码方、洒布à粉煤灰运输码方、洒布à运输石灰并洒布于粉煤灰上à人工培路肩及分隔带土方à推土机排压à路拌机拌和à整型à排压à测量人员跟踪找平à刮平à碾压à养生。
　　3.4.2.2 二灰土（二灰碎石）厂拌法施工程序：准备下承层à人工培路肩及中央分隔带土方à拌制混合料à运输混合料à按每延米用量布料à测量放样à推土机摊铺à推土机排压à测量标高à平地机初平à再人工找平à平地机精平à振动压路机碾压（先静后振）à胶轮压路机终压à封闭交通养生à交下道工序施工。
　　3.4.3 施工应特别注意的几个事项
　　3.4.3.1 材料要用合格的设备来均匀拌和，拌和过程中严格控制石灰剂量，尤其要防止给料机口堵塞，这就要求石灰含水量要控制好，并在石灰下料口处设置振动器。各给料皮带要作好标定，最好是采用电子称计量。路拌施工时，边缘布灰要适量增加。
　　3.4.3.2 混合料含水量要掌握好，要根据季节及气温酌定。在没加水泥的情况下，混合料可以闷放一定时间再铺筑。
　　3.4.3.3 下承层的压实度必须合格，不能存在软弹等不良情况。水准点要引到附近，恢复好中线。二灰混合料铺筑时一定按规定分层，否则压实质量将无法保证。还要注意施工中宁高勿低，宁刮勿补。倘若一定要补，就要把先施工的路面翻松一定深度，互相拌和，控制好混合料的含水量，严格碾压。
　　3.4.3.4 接头处理 二灰土施工到达端头时，可留下5~8米不进行碾压，后段施工时将前一段未压实部分一起碾压。二灰碎石混合料也可以照此办理，但如果近期不连续施工，就要把端头压好，待下次施工前切断成直茬，再望前铺筑。
　　3.4.3.5 养生 二灰类基层或底基层施工压实成型后，从适当时间开始洒水养生，使成型段保湿并严格控制车辆通行。养生期在夏季一般为3~4天，春秋季为7~9天，在此期间防止出现表面过分干燥、松散、起灰现象。要及时进行下道工序。
　　3.5 结论与建议3.5.1 二灰土用于高级路面底基层具有良好的力学性能、板结和水稳定性。二灰土中粉煤灰用量越多，混合料初期强度越低，三个月龄期的增长幅度也越大。二灰碎石中如果加入少量水泥，可以提高其早期强度，但给施工带来难度。
　　3.5.2 养生温度对二灰类基层或底基层的抗压强度有明显影响，养生温度越高，其抗压强度提高越快。在气温低于4度时，石灰稳定混合料的强度几乎没有增长。所以在施工时必须严密注意天气气温变化，一般日平均气温低于5度，严禁二灰类的施工。
　　3.5.3 粉煤灰开发利用的前景非常广阔，公路上用其填筑路堤、修筑路面基层和底基层是一件利国利民的好事。有将粉煤灰用于水泥中的，这个利用项目的技术经济价值也是很可观的。
　　3.5.4 粉煤灰的路用价值还有待开发，有许多新的课题有待进一步探索。