论粉煤灰中三氧化硫过高对道路基层的影响

市政道路基层运用石灰粉煤灰类混合料做为填料已是一个很平常的结构层了，然而在笔者的一项工程中竟然出现了基层起拱的问题，令许多人不解，但最终还是经过分析发现了答案。
一、二灰碎石中粉煤灰的技术要求
 
二灰碎石基层即为石灰、粉煤灰稳定集料基层，一般也叫二灰结石，二灰碎石以其水稳定性好、后期强度高、承载能力高、刚度大及材料来源丰富且价格低廉等特点得到广泛采用。二灰碎石的强度形成主要是通过加水拌和后，产生一系列的化学反应，这些反应首先只局限于在二灰即石灰与粉煤灰之间，当其加水后石灰水溶液呈碱性，与粉煤灰中的可溶性物质SiO₂、Al₂O₃产生一系列的离子交换、物理化学反应，将作为骨料的碎石紧紧地胶结在一起，形成一个坚实的整体，并逐渐产生一定的强度。
二灰碎石中检测项目为：1.所用石灰质量应符合本规范表4.2.2规定的III级消石灰或III级生石灰的技术指标，应尽量缩短石灰的存放时间，如存放时间较长，应采取覆盖封存措施，妥善保管。
表4.2.2  石灰的技术指标

类别 指标      项目

钙质生石灰

镁质生石灰

钙质消石灰

镁质消石灰

等   级

I

II

III

I

II

III

I

II

III

I

II

III

有效钙加氧化镁含量（%）

≥ 85

≥ 80

≥ 70

≥ 80

≥ 75

≥ 65

≥ 65

≥ 60

≥ 55

≥ 60

≥ 55

≥ 50

未消化残渣含量（5mm圆孔筛的筛余，%）

≤ 7

≤ 11

≤ 17

≤ 10

≤ 14

≤ 20

含水量（%）

≤ 4

≤ 4

≤ 4

≤ 4

≤ 4

≤ 4

细度

0.71mm方孔筛的筛余（%）

0

≤ 1

≤ 1

0

≤ 1

≤ 1

0.125mm方孔筛的筛余（%）

≤ 13

≤ 20

—

≤ 13

≤ 20

—

钙镁石灰的分类界限，氧化镁含量（%）

≤5

＞5

≤4

＞4

注：硅、铝、镁氧化物含量之和大于5%的生石灰，有效钙加氧化镁含量指标，I等≥75%，II等≥70%，III等≥60%；未消化残渣含量指标与镁质生石灰指标相同。
有效钙含量在20%以上的等外石灰、贝壳石灰、珊瑚石灰、电石渣等，当其混合料的强度通过试验符合表5.3.1的标准时，可以应用。
2.粉煤灰中SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃的总含量应大于70%，粉煤灰的烧失量不应超过20%；粉煤灰的比表面积宜大于2500cm²/g（或90%通过0.3mm筛孔，70%通过0.075mm筛孔）。干粉煤灰和湿粉煤灰都可以应用。湿粉煤灰的含水量不宜超过35%。
3.石料颗粒的最大粒径不应超过37.5mm；碎石、砾石或其他粒状材料的质量宜占80%以上。
可以看到粉煤灰中并无SO₃的检测要求，但在水泥中要求粉煤灰中三氧化硫不超过3%。
二、粉煤灰中SO₃过高后对基层的破坏
 
出现问题的工程实际结构层为50cm二灰碎石+0.6cm下封层+7cm中粒式沥青混凝土（AC-20C）+粘层油+6cm中粒式沥青混凝土（AC-20F）+粘层油+4cm细粒式沥青混凝土（AC-13F）掺聚脂纤维，其设计的安全系数可以说很高了，可在沥青混凝土摊铺前出现了基层大面积的起拱，二灰钻心也不成型（见图1），局部二灰起拱部位弯沉值不达标等问题（见图2）。

图1

图2
三、调查分析
 
事后，对二灰碎石中各种原材料，级配，施工工艺，施工的时间等进行分析，排除其他原因后发现问题还是在于粉煤灰，再进一步通过化学分析才发现SO₃含量明显过高，根据实验报告分析源头，觉得问题还是出在粉煤灰。推理论证：经过环保处理后的粉煤灰中SO₃的含量远远高于未环保处理的粉煤灰，因为环保型的粉煤灰脱硫后增加了SO₃的含量。
由于脱硫反应比较复杂，下面仅列出了三种脱硫剂脱硫反应的主要反应方程式如下：
脱硫剂 反应方程式 序号
CaO CaO+SO₂→CaSO₃CaO+SO₂+1/2O₂→CaSO₄ (1)(2)
Ca(OH)₂ Ca(OH)₂+SO₂+H₂O→CaSO₃·1/2H₂O+1/2H₂OCaSO₃·1/2H₂O+1/2O₂+3/2H₂O→CaSO₄·2H₂OCa(OH)₂+SO₂+1/2O₂+H₂O→CaSO₄·2H₂O (3)(4)(5)
CuO CuO+SO₂+1/2O₂→CuSO₄ (6)
CaO作脱硫剂，炉内喷钙法脱硫，反应(1)在大约1038℃时逆向，而且温度必须低于650℃左右，气相中SO₂平衡浓度才能低到满足烟气脱硫的要求。因此锅炉内烟气脱硫主要按反应(2)进行。
Ca(OH)₂作脱硫剂湿法脱硫，希望得到比较稳定的产物CaSO₄·2H₂O，在粉煤灰中SO₃是以CaSO₄的形式存在，用此材料做基层时，遇水发生反应，产生水化产物，在路面基层强度形成的后期发生体积膨胀，使路面拱起
CaO + H₂O→ Ca(OH)₂
CaSO₄+ H₂O→CaSO₄·2H₂O
3 CaO·Al₂O₃·6 H₂O+3 CaSO₄·2H₂O+ H₂O→3 CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O
上述反应都能使体积膨胀，其中CaO与H₂O反应生成Ca(OH)₂时，固体体积增加到原来的1.98倍；CaSO₄溶解于H₂O后一部分与活性Al₂O₃等、Ca(OH)₂和水反应生成3 CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O。（俗称钙矾石AFt），固体体积增加到原来的2.22倍，另一部分结晶生成二水石膏CaSO₄·2H₂O固体体积增加到原来的2.26倍由此可见SO₃对粉煤灰的影响很大，直接导致基层稳定。
对于粉煤灰中化学成分分析，见表1

本来粉煤灰作为基层的一种填料运用已是一项十分成熟的技术，而为何在这几年出现此类问题。国内竟几年对火电场环保要求越来越高，制定的规则也是很高的，随着环保意识的研究和实践结果，而事实上电厂的生产工艺经过改进后产生的粉煤灰均为环保后的产品
四、结语
 
就此工程来说，损失很严重，解决问题也只能全部把二灰碎石反开挖后回填SO₃不超标的二灰碎石，就工期来也是相当紧张。但是给我们整个市政行业敲响了警钟。再此，笔者认为粉煤灰应严格控制SO₃的含量，或者用水泥稳定碎石代替。
五、致谢
本文在撰写过程中，参考部分文献，在此表示衷心感谢。
参考文献：
[1]钱觉时。粉煤灰特性与粉煤灰混凝土[M]。北京：科学出版社，2002。
[2]吴德曼，陈先勇，杨兵，等。高含硫粉煤灰对路用性能的影响[J]。公路交通科技，2004，（3）；42-43
[3]高艳龙，黄莘，刘峰，高含硫粉煤灰对二灰基层膨胀开裂的影响与分析重庆交通学院学报，2005第5期第24卷
[4]JTJ034-2000公路路面基层施工技术规范[S]，北京：人民交通出版社，2000
[5] 李秋荣 白明华 郑海武三种脱硫剂的脱硫反应的热力学分析及机理研究 [J];燕山大学学报; 2007年02期

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文章名称： 论粉煤灰中三氧化硫过高对道路基层的影响

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