二灰碎石石灰劑量化學(xué)分析之若干問(wèn)題探討

劉 葵

（吉林省交通投資開(kāi)發(fā)公司,吉林 長(zhǎng)春 130033）

0 前言

由石灰、粉煤灰及具有一定級(jí)配的碎石組成的二灰碎石，由于其后期強(qiáng)度高，板體性好且有良好的封水性能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地用于高等級(jí)道路的基層。然而，二灰碎石雖然后期強(qiáng)度較高，但其早期強(qiáng)度卻較低，故在《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJo34-93）中，規(guī)定對(duì)于高速和一級(jí)公路7 d強(qiáng)度為0.5 MPa，二級(jí)及二級(jí)以下7 d強(qiáng)度為0.6 MPa，遠(yuǎn)低于其后期強(qiáng)度。粉煤灰在早期強(qiáng)度中發(fā)揮很小的作用，早期強(qiáng)度的高低主要取決于其中的石灰質(zhì)量和劑量。其次，二灰碎石中設(shè)計(jì)石灰劑量的含量，是根據(jù)二灰碎石混合料的抗壓強(qiáng)度、溫縮和干縮試驗(yàn)確定的。石灰劑量過(guò)多或過(guò)少都不利于發(fā)揮二灰材料的優(yōu)良路用性能。為了讓二灰碎石中石灰與粉煤灰的比例滿足混合料組成設(shè)計(jì)的要求，測(cè)定二灰碎石中的石灰劑量是工程質(zhì)量控制中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有二灰碎石中石灰劑量的快速測(cè)定方法。筆者在“長(zhǎng)哈高速公路路面結(jié)構(gòu)研究”課題路面試驗(yàn)段的實(shí)施過(guò)程中，曾經(jīng)對(duì)二灰碎石中石灰劑量的測(cè)定方法進(jìn)行探索研究，提出了一整套測(cè)定二灰碎石石灰劑量的方法，并取得很好的效果，對(duì)高質(zhì)量完成試驗(yàn)路任務(wù)起到了積極的作用。因此，如何準(zhǔn)確測(cè)定二灰碎石中的石灰劑量，對(duì)二灰碎石的施工具有一定的指導(dǎo)作用和現(xiàn)實(shí)意義。

1 原材料

1.1 石灰

石灰采用生石灰,產(chǎn)于河北省靈壽縣,經(jīng)試驗(yàn),其主要的化學(xué)成分及其他性質(zhì)如下表1所列。

按交通部JTJ034-2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》的石灰的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),該石灰CaO+MgO的含量為86.33%,達(dá)到I級(jí)鈣質(zhì)石灰的要求。

表1 生石灰主要化學(xué)成分一覽表

1.2 粉煤灰

粉煤灰取江蘇省五小浦熱電廠的濕排灰,根據(jù)其中心實(shí)驗(yàn)室提供的資料及結(jié)合自己分析的結(jié)果,其主要的化學(xué)成分及其他性質(zhì)如表2所列。

表2 粉煤灰主要化學(xué)成分一覽表

其比表面積為 2 800 cm2/g。其SiO2+Al2O3+Fe2O3的含量占83.4%。從表2可知,該粉煤灰的各項(xiàng)指標(biāo)均符合交通部JTJ034-2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

1.3 水

一般情況下均采用自來(lái)水。

2 粉煤灰、石灰比例確定

2.1 石灰、粉煤灰比例的確定

根據(jù)前面對(duì)粉煤灰、石灰的化學(xué)分析結(jié)果,石灰∶粉煤灰不同的比例基本確定。其比例如表3所列。

表3 石灰、粉煤灰比例分配表

分別對(duì)不同的比例做了擊實(shí)試驗(yàn),并對(duì)不同比例做了7 d、14 d、28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,得出二灰配合比的最佳區(qū)間。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

取石灰與粉煤灰,風(fēng)干后過(guò)5 mm的圓孔篩,測(cè)出它們的風(fēng)干含水量,含水量進(jìn)行不同的預(yù)制,加水拌和浸潤(rùn)后,對(duì)不同比例的二灰做重型擊實(shí)試驗(yàn)。測(cè)定不同比例二灰的最大干密度與最佳含水量。測(cè)定結(jié)果如表4所列。

表4 二灰比例測(cè)定表

根據(jù)表4中的不同比例二灰的最大干密度與最佳含水量,對(duì)不同比例二灰按規(guī)定達(dá)到的壓實(shí)度(95%)分別制取3組7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件,1組14d、28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件(試件尺寸為直徑與高度均為10 cm的圓柱體)。在規(guī)定的溫度(25℃+2℃)封閉恒溫濕汽養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)保溫保濕封閉養(yǎng)生至規(guī)定齡期前一天,然后浸水1d,測(cè)定其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。其各組強(qiáng)度如表5所列。

表5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果一覽表（單位：MPa）

2.3 二灰配合比的最佳區(qū)間的確定

分析表5的數(shù)據(jù)可以看出:隨著二灰比例的增大,其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也增大,當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)最高強(qiáng)度后,隨著二灰比例的增大無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而降低。由此可以確定最佳的二灰比例應(yīng)在35/65左右。而此時(shí)CaO與粉煤灰中SiO2含量的比值CaO/SiO2為0.95,這與前文所提到的，當(dāng)CaO與粉煤灰中SiO2含量的比值，即CaO/SiO2為0.8～1.0時(shí),對(duì)火山灰反應(yīng)推動(dòng)力最大,反應(yīng)生成物最多,有利于二灰集料的強(qiáng)度的理論是相符的。

3.恐龍化石。二連浩特是亞洲最早發(fā)現(xiàn)恐龍及恐龍蛋化石的地區(qū)之一，是世界最大的白堊紀(jì)恐龍化石埋藏地，境內(nèi)擁有134平方公里國(guó)家級(jí)地質(zhì)公園。近百年來(lái)，先后有俄、美、瑞典、加拿大、日本、比利時(shí)、意大利等國(guó)的古生物學(xué)家來(lái)二連進(jìn)行科學(xué)考察，發(fā)現(xiàn)了大量的恐龍化石，取得了重要研究成果。二連盆地的恐龍化石生物群是晚白堊紀(jì)恐龍生物群的代表，恐龍化石種類(lèi)多、分布廣、保存完好，反映了晚白堊紀(jì)恐龍生物群的主要特征。這些恐龍化石雖然不能直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，但是作為一份來(lái)自遠(yuǎn)古歷史的禮物它們成為了二連浩特一張獨(dú)特的名片，吸引著世界范圍內(nèi)游客的目光，這真是一種取之不盡、用之不竭、綠色生態(tài)可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)。

另外,分析表5的數(shù)據(jù)可以看出:隨著齡期的增長(zhǎng),強(qiáng)度的峰值會(huì)逐漸往二灰比例增大的方向移動(dòng)。對(duì)此，可以這樣理解:在二灰中以顆粒狀態(tài)存在的居多,在短時(shí)間內(nèi)參加反應(yīng)的石灰數(shù)量較少,多余的石灰就以“游離狀態(tài)”存在,對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)不利,所以峰值出現(xiàn)較早。隨著時(shí)間增長(zhǎng)參與反應(yīng)的石灰逐漸增加,所需的石灰數(shù)量也相應(yīng)增加,所以峰值在隨著齡期的增長(zhǎng)會(huì)逐漸后移。

所以,根據(jù)以上數(shù)據(jù)及分析,該項(xiàng)試驗(yàn)確定二灰的最佳比例為35/65,即石灰與粉煤灰中的比值，即CaO/SiO2為 0.95。

3 測(cè)試方法

3.1 準(zhǔn)備階段

石灰:消解石灰，Cao含量58.3%，三級(jí)石灰。碎石:經(jīng)篩分試驗(yàn)，符合級(jí)配要求。試劑;均按《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ057—94）重新配制。石灰、粉煤灰、碎石烘干，然后按表6稱取混合料3 000 g，再按最佳含水量每份加人225 ml水，并悶料8 h，之后用四分法分為二組，二份直接稱取300 g濕料，其余二份過(guò)5 mm篩后稱5 mm以下細(xì)料300 g，備作試驗(yàn)用。

表6 混合料用量一覽表

3.2 滴定試驗(yàn)

操作嚴(yán)格按JTJO57一94進(jìn)行。結(jié)果如表7及表8所列，標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。

由表7及表8結(jié)果可知，過(guò)5 mm篩后，在同等石灰劑量條件下，其EDTA消耗量較混合料大，這主要是由于在同樣300 g重的試樣中，細(xì)料中的實(shí)際石灰劑量較混合料高。

3.3 比較試驗(yàn)

為了驗(yàn)證采用哪一條標(biāo)準(zhǔn)曲線更能反映實(shí)際情況，在同一施工現(xiàn)場(chǎng)分別從不同的7個(gè)點(diǎn)取7組試樣，其中一組用于篩分試驗(yàn)，級(jí)配符合設(shè)計(jì)要求，另6組進(jìn)行石灰劑量對(duì)比試驗(yàn)，每組一分為二，一份用混合料測(cè)定，另一份過(guò)篩后用細(xì)料測(cè)定，均按上述標(biāo)準(zhǔn)曲線試驗(yàn)方法進(jìn)行(但免去加水悶料過(guò)程)，測(cè)定結(jié)果如表9所列。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用細(xì)料法測(cè)得的石灰劑量都比較相近，而采用混合料法，則離散性大。從實(shí)際情況出發(fā)，實(shí)驗(yàn)配比石灰劑量雖為6%，但在生產(chǎn)過(guò)程中，石灰按7%控制。因而，采用細(xì)料法滴定石灰劑量較符合實(shí)際。所以，該路段二灰碎石施工中均采用過(guò)5 mm篩的細(xì)料法來(lái)控制其石灰劑量。

表7 混合料滴定試驗(yàn)結(jié)果表

表8 細(xì)料滴定試驗(yàn)結(jié)果表

圖1 標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

表9 對(duì)比試驗(yàn)匯總表

3.4 鈣電極法的測(cè)定

用鈣離子選擇電極測(cè)定石灰劑量是基于Nernst原理。按該原理，由鈣離子選擇電極和參比電極構(gòu)成的測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)E與鈣離子活度成對(duì)數(shù)線性關(guān)系。

式中，a1為鈣離子濃度。

測(cè)量溶液的離子活度等于活度系數(shù)與溶液鈣離子濃度的乘積。當(dāng)活度系數(shù)固定為一常數(shù)時(shí)，測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)與離子濃度成對(duì)數(shù)關(guān)系。對(duì)于不同摻灰量的石灰土混合料，經(jīng)氯化鈣溶液浸提后，生成不同量的氯化鈣。而鈣離子選擇電極能將不同量的鈣離子以電位的形式在儀器上顯示出來(lái)。將一組事先制備好的不同灰劑量的浸提液，用鈣電極測(cè)定對(duì)應(yīng)的一組電位值，由此繪制電位—灰劑量標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。施工現(xiàn)場(chǎng)混合料經(jīng)處理浸提后，由鈣電極測(cè)定其電位值，查事先繪制好的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，可求得摻灰劑量。

4 影響二灰碎石中石灰劑量測(cè)試結(jié)果的主要因素

4.1 配合比的影響

對(duì)于集中采用拌和機(jī)拌料，只要調(diào)試準(zhǔn)確，加強(qiáng)控制，配合比一般不成問(wèn)題，但采用路拌，常常會(huì)導(dǎo)致配合比失控，所以測(cè)得的石灰劑量自然就不準(zhǔn)了。

4.2 取樣影響

對(duì)于二灰碎石取樣，原則上應(yīng)在施工現(xiàn)場(chǎng)取，但一些試驗(yàn)人員為了方便，常在拌和廠取，由于在拌和廠混合料是堆放的，往往大顆粒碎石滾落在四周，越低碎石含量越高，而人又不容易爬上去，則只能在料堆四周取，這樣取的試樣若用混合料法勢(shì)必石灰劑量過(guò)低，而采用過(guò)篩法則能消除其部分誤差。總之，在拌和廠取樣，無(wú)論是在四周取還是在料堆頂部或中間取，由于其配合比發(fā)生變化，所測(cè)的石灰劑量均不能反映真實(shí)情況。正確的取樣方法應(yīng)在攤鋪機(jī)之后，且在壓路機(jī)未碾壓前取，這樣取的混合料經(jīng)裝卸車(chē)和攤鋪機(jī)拌和后比在拌和廠的料堆更均勻，更能反映施工實(shí)際情況。

4.3 含水量的影響

采用廠拌，一般來(lái)講，水量能得到控制。而對(duì)于路拌人工加水，常常含水量控制不好。從目前施工情況來(lái)看，采用人工加水，即使拌和均勻，但往往含水量偏高，一般要比最佳含水量高出3到5個(gè)百分點(diǎn)。如果取這樣的濕料做石灰劑量試驗(yàn)，在300 g濕試樣中，若最佳含水量為7.5%，則試樣中的干料要減少8～13 g，當(dāng)然測(cè)得的石灰劑量就偏低了。若遇到這種情況，正確的方法應(yīng)讓試樣涼曬至最佳含水量左右再測(cè)其石灰劑量。

4.4 試驗(yàn)中的人為影響

這主要表現(xiàn)在:(l)試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)曲線試驗(yàn)方法不一致;(2)化學(xué)試劑放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)失效;(3)操作不規(guī)范;(4)試驗(yàn)人員對(duì)溶液變色認(rèn)同不一或視差影響等。

5 工程實(shí)例

長(zhǎng)哈高速公路試驗(yàn)路段，二灰碎石的混合料組成設(shè)計(jì)為碎石80%，石灰粉煤灰占20%。設(shè)計(jì)石灰劑量為石灰:粉煤灰為l∶2。先摻制五種劑量為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5 的二灰，再按設(shè)計(jì)級(jí)配要求配制級(jí)配碎石，并按二灰:級(jí)配碎石為20∶80的比例配制五種二灰碎石混合料。充分拌勻，分制用四分法縮減至1 000 g，過(guò)2.5 mm篩孔，取50 g二灰樣本制備浸提液，8月10日首次測(cè)試結(jié)果為:

據(jù)此測(cè)量結(jié)果，在半對(duì)數(shù)紙上可作出灰劑量電位與相對(duì)應(yīng)的工作曲線。工作曲線須經(jīng)常校正，比如8月10日和8月18日測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)劑量為25%的電位值分別為51.3 mV和58 mV因偏差太大，須重新制作工作曲線。

6 結(jié)語(yǔ)

總之，二灰碎石作為路面基層，一般均有強(qiáng)度要求，但在施工過(guò)程中，一些施工單位往往不重視對(duì)二灰碎石早期強(qiáng)度起決定作用的石灰劑量的檢測(cè)。為此常常導(dǎo)致二灰碎石7 d抗壓強(qiáng)度不夠(當(dāng)然也可能還有其他原因)。因此，能否重視和加強(qiáng)施工期間石灰劑量的檢測(cè)，是二灰碎石質(zhì)量能否得以保證的一個(gè)重要手段。為了能準(zhǔn)確地控制好二灰碎石的施工質(zhì)量，建議在測(cè)石灰劑量的同時(shí)，應(yīng)做相應(yīng)的級(jí)配篩分試驗(yàn)，只有配合比滿足設(shè)計(jì)要求，測(cè)得的石灰劑量才是有意義的。

[1]盧征.重慶地區(qū)二灰碎石基層的設(shè)計(jì)和施工控制[J].山西建筑,2009，(28):262-264.