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【摘 要】二灰碎石基层是近年来公路工程普遍采用的半刚性结构，因其施工工艺和质量控制较难，易产生收缩裂缝，从而造成工程质量隐患。本文阐述了二灰碎石混合料的组成结构、技术性能要求及其强度形成机理等，供同行借鉴。
【关键词】二灰碎石混合料；组成结构；技术性能；强度机理
二灰碎石基层属于石灰工业废渣稳定土基层的一种。它是用石灰、粉煤灰与具有一定级配的碎石加水拌和，经压实及养生后所形成的路面基层。这种基层具有强度高、板结性好、抗水毁能力强、分布荷载能力大，料源丰富和造价低廉的优点，因而倍受青睐。
1、二灰碎石组成结构
1.1矿料级配理论
矿质混合料的级配是将各种不同的粒径的集料，按照一定的比例搭配起来，以达到较高的密实度和较大摩擦力，良好的矿料级配应使矿料之间紧密接触，集料能与二灰结合料之间形成较好的交互作用，压实成形后使混合料的空隙率最小，以保证二灰碎石混合料具有足够的力学强度、水稳定性、抗收缩性能、抗冲刷性能及疲劳性能等路用性能。
1.2二灰碎石组成结构
二灰碎石混合料的路用性能与它的结构特点有着非常密切的关系。混合料的结构是指混合料各组成材料之间相互作用的特点，相对位置分布及相互联系的状况。因此，混合料的结构特性与其材料组成、材料力学性能及各组成部分之间的相对位置密切相关，混合料受力变形特性是各结构特性组成因素的综合反映，即混合料力学特性与结构特性成对应关系。当组成二灰碎石混合料结构特点的各因素发生变化时，混合料的力学特性也会发生变化。
混合料的结构强度在很大程度上取决于混合料的内摩阻力和粘结力。在混合料中，各结构组分的变化，会对整个混合料受力产生直接影响，从而使混合料具有不同的变形特性。其结构特点主要有以下三种情况：
1.2.1.密实悬浮结构
这种结构形态的二灰碎石混合料，通常采用连续型密级配，骨料的颗粒尺寸由大到小连续存在。这种结构中含有大量细料，而粗料数量少，且相互间没有接触，不能形成骨架，粗颗粒犹如“悬浮”于细颗粒之中。三轴试验表明，该种结构虽然具有较高的粘聚力，但摩阻角较低，其强度主要受粘结力所控制，在外部荷载作用下，易产生破坏。由此而修筑的二灰碎石基层，受二灰性质的影响较大，因而其抗收缩性能较差，使基层容易开裂，破坏了基层的整体性，是造成路面结构破坏的因素之一。
1.2.2骨架空隙结构
采用连续开级配的二灰碎石混合料属于这一结构类型。在这种结构中，粗骨料较多，而细料数量过少，因此，虽然能够形成骨架，但其残余空隙较大。三轴试验表明，虽然此种结构粘聚力较低，但其内摩阻角较大，其强度主要取决于内摩阻力，粘聚力相对是次要的。由此而修筑的二灰稳定碎石基层，受二灰性质的影响较小，因而其抗收缩性能较好，但由于其空隙率太大，使基层的耐久性受到影响。
1.2.3密实骨架结构
密实骨架结构是综合以上两种类型组成的结构。二灰碎石混合料既有一定数量的粗骨料形成骨架，又根据残余空隙的多少加入细料，从而使混合料形成较高的密实度。这种结构的混合料三轴试验表明，此种结构不仅具有较高的内摩阻角，而且具有较高的粘聚力。理论上讲，属于该种结构类型的二灰碎石混合料具有最优的力学性能、抗收缩性能和抗冲刷性能。
2、二灰碎石混合料技术性能要求
2.1要有足够的强度和刚度：在结构厚度一定的条件下，从材料组成上看，基层的强度主要来自于两个方面，一是依靠集料的骨架嵌挤作用，二是取决于无机结合料的水硬性胶结及填充作用。
2.2具有足够的水稳性和冰冻稳定性：路表水会通过各种途径进入路面结构中；在地下水位接近地表的地段，特别在路基填土不高时，地下水可通过毛细作用进入土基上部和路面结构层：在冰冻地区，由于冬季水分重分布的结果，路基上层和路面底基层都有可能处于潮湿或过湿状态。这就要求基层材料在水的作用下，其强度、整体性和刚度不会明显的下降，并且在冬季有一定的承受冻融循环作用的能力。
2.3具有足够的抗冲刷能力：国内外的调查研究表明，二灰碎石基层材料的冲刷及由之而产生的唧泥现象是经常存在的，而这些现象均与基层材料的组成特性有关。无论冲刷作用发生在水泥混凝土路面还是发生在沥青路面上，其冲刷过程大都是相同的，即在较大行车荷载作用下，首先在路面各层的交界面上形成空隙（冲刷腔），然后在流动水的参与下发生冲刷作用，冲刷作用的发生进一步扩大了冲刷腔，冲刷现象在这个“恶性循环”中越来越严重，路面的脱空现象也随之迅速增大，直至路面结构发生破坏。
2.4具有良好的抗裂性能：基层材料随着温度和湿度的变化，产生一定的拉应变，如果超过材料允许拉应变，基層就会开裂。基层的收缩开裂不仅破坏基层结构的整体性而降低其强度，并且这种裂缝很容易在面层上形成反射裂缝，因此希望基层的收缩量越小越好。二灰碎石基层材料的收缩主要包括由于失水而产生的干燥收缩和因温度降低而产生的温度收缩两大方面。
3、二灰碎石混合料强度形成机理分析
石灰粉煤灰稳定碎石在压实成型后，系由固相（石灰、粉煤灰、碎石）、液相（水溶液）和气相（空气）三相组成。三相之间相互作用的结果，使得石灰粉煤灰稳定碎石混合料具有较高的强度和刚度，从而满足了二灰碎石混合料作为路面基层的性能要求。
构成二灰碎石混合料强度的因素包括两方面，即由矿质颗粒之间的内摩阻力和嵌挤力，以及二灰结合料及其与矿料之间的粘结力和内聚力所构成。
二灰碎石混合料加水拌合后，通过机械压实，使得集料在混合料中重新紧密排列，使其充分发挥骨架作用。成型初期，可以认为二灰混合料未发生化学反应，其强度主要来自密实骨架的内摩阻力，以及颗粒间水膜与相邻颗粒之间的分子引力所形成的“原始粘聚力”。随着时间的推移，混合料内的固液相之间发生一系列物理和化学作用，并生成一系列具有胶结作用的物质，使得混合料中颗粒与颗粒之间的连接加固，形成“固化粘聚力”，这是二灰碎石混合料强度形成的主要来源。
当体系生成物浓度达到一定值时，它们便互相啮合形成网状结构，进而形成凝胶，此时，尽管体系中仍有大量的水分存在，但它们已被大量的网状胶粒包围而不能自由运动。上述反应都是通过离子吸附和交换而完成。如果生成物胶粒水化膜的粘滞力小于胶粒间的范德华作用力，就有可能把微粒间夹层水膜排挤出去，当微粒直接接触后，将形成化学键，缓慢地生成硅、铝等含氧酸的复合物结晶，新生晶体会逐渐长大、发展，形成网络结构，并逐渐脱水干涸以稳定的结晶缩合结构成为结晶整体，而成为具有较高强度的水稳性材料。
不言而喻，形成二灰碎石混合料强度的另一个必要条件是压实。当混合料加水拌和后，应及时碾压，让上述的化学反应在压实了的混合料中进行，如果不压实，化学反应照常进行，但形不成网络结构，充其量，反应后的混合料变为一堆具有一定水稳定性的松散集合体，没有强度，不能形成板体结构。
随着龄期的延长，水化产物在过饱和溶液状态下以微晶体形式析出，并由玻璃体表面伸展到二灰稳定碎石固相间的空隙，互相联生，形成二维的结晶体网状结构，且将固相颗粒联结成一整体，形成了很高的联结强度。火山灰反应是一个缓慢、长期的过程，这是使二灰稳定碎石混合料具有较高后期强度的根本原因。当二灰中的水化硅酸钙胶体析出之后，犹如水泥石一样，能将作为骨料的碎石紧紧地胶接在一起，形成一个坚实的整体，逐渐产生一定的强度。并且强度随着龄期的增长而增大。
【关键词】二灰碎石混合料；组成结构；技术性能；强度机理
二灰碎石基层属于石灰工业废渣稳定土基层的一种。它是用石灰、粉煤灰与具有一定级配的碎石加水拌和，经压实及养生后所形成的路面基层。这种基层具有强度高、板结性好、抗水毁能力强、分布荷载能力大，料源丰富和造价低廉的优点，因而倍受青睐。
1、二灰碎石组成结构
1.1矿料级配理论
矿质混合料的级配是将各种不同的粒径的集料，按照一定的比例搭配起来，以达到较高的密实度和较大摩擦力，良好的矿料级配应使矿料之间紧密接触，集料能与二灰结合料之间形成较好的交互作用，压实成形后使混合料的空隙率最小，以保证二灰碎石混合料具有足够的力学强度、水稳定性、抗收缩性能、抗冲刷性能及疲劳性能等路用性能。
1.2二灰碎石组成结构
二灰碎石混合料的路用性能与它的结构特点有着非常密切的关系。混合料的结构是指混合料各组成材料之间相互作用的特点，相对位置分布及相互联系的状况。因此，混合料的结构特性与其材料组成、材料力学性能及各组成部分之间的相对位置密切相关，混合料受力变形特性是各结构特性组成因素的综合反映，即混合料力学特性与结构特性成对应关系。当组成二灰碎石混合料结构特点的各因素发生变化时，混合料的力学特性也会发生变化。
混合料的结构强度在很大程度上取决于混合料的内摩阻力和粘结力。在混合料中，各结构组分的变化，会对整个混合料受力产生直接影响，从而使混合料具有不同的变形特性。其结构特点主要有以下三种情况：
1.2.1.密实悬浮结构
这种结构形态的二灰碎石混合料，通常采用连续型密级配，骨料的颗粒尺寸由大到小连续存在。这种结构中含有大量细料，而粗料数量少，且相互间没有接触，不能形成骨架，粗颗粒犹如“悬浮”于细颗粒之中。三轴试验表明，该种结构虽然具有较高的粘聚力，但摩阻角较低，其强度主要受粘结力所控制，在外部荷载作用下，易产生破坏。由此而修筑的二灰碎石基层，受二灰性质的影响较大，因而其抗收缩性能较差，使基层容易开裂，破坏了基层的整体性，是造成路面结构破坏的因素之一。
1.2.2骨架空隙结构
采用连续开级配的二灰碎石混合料属于这一结构类型。在这种结构中，粗骨料较多，而细料数量过少，因此，虽然能够形成骨架，但其残余空隙较大。三轴试验表明，虽然此种结构粘聚力较低，但其内摩阻角较大，其强度主要取决于内摩阻力，粘聚力相对是次要的。由此而修筑的二灰稳定碎石基层，受二灰性质的影响较小，因而其抗收缩性能较好，但由于其空隙率太大，使基层的耐久性受到影响。
1.2.3密实骨架结构
密实骨架结构是综合以上两种类型组成的结构。二灰碎石混合料既有一定数量的粗骨料形成骨架，又根据残余空隙的多少加入细料，从而使混合料形成较高的密实度。这种结构的混合料三轴试验表明，此种结构不仅具有较高的内摩阻角，而且具有较高的粘聚力。理论上讲，属于该种结构类型的二灰碎石混合料具有最优的力学性能、抗收缩性能和抗冲刷性能。
2、二灰碎石混合料技术性能要求
2.1要有足够的强度和刚度：在结构厚度一定的条件下，从材料组成上看，基层的强度主要来自于两个方面，一是依靠集料的骨架嵌挤作用，二是取决于无机结合料的水硬性胶结及填充作用。
2.2具有足够的水稳性和冰冻稳定性：路表水会通过各种途径进入路面结构中；在地下水位接近地表的地段，特别在路基填土不高时，地下水可通过毛细作用进入土基上部和路面结构层：在冰冻地区，由于冬季水分重分布的结果，路基上层和路面底基层都有可能处于潮湿或过湿状态。这就要求基层材料在水的作用下，其强度、整体性和刚度不会明显的下降，并且在冬季有一定的承受冻融循环作用的能力。
2.3具有足够的抗冲刷能力：国内外的调查研究表明，二灰碎石基层材料的冲刷及由之而产生的唧泥现象是经常存在的，而这些现象均与基层材料的组成特性有关。无论冲刷作用发生在水泥混凝土路面还是发生在沥青路面上，其冲刷过程大都是相同的，即在较大行车荷载作用下，首先在路面各层的交界面上形成空隙（冲刷腔），然后在流动水的参与下发生冲刷作用，冲刷作用的发生进一步扩大了冲刷腔，冲刷现象在这个“恶性循环”中越来越严重，路面的脱空现象也随之迅速增大，直至路面结构发生破坏。
2.4具有良好的抗裂性能：基层材料随着温度和湿度的变化，产生一定的拉应变，如果超过材料允许拉应变，基層就会开裂。基层的收缩开裂不仅破坏基层结构的整体性而降低其强度，并且这种裂缝很容易在面层上形成反射裂缝，因此希望基层的收缩量越小越好。二灰碎石基层材料的收缩主要包括由于失水而产生的干燥收缩和因温度降低而产生的温度收缩两大方面。
3、二灰碎石混合料强度形成机理分析
石灰粉煤灰稳定碎石在压实成型后，系由固相（石灰、粉煤灰、碎石）、液相（水溶液）和气相（空气）三相组成。三相之间相互作用的结果，使得石灰粉煤灰稳定碎石混合料具有较高的强度和刚度，从而满足了二灰碎石混合料作为路面基层的性能要求。
构成二灰碎石混合料强度的因素包括两方面，即由矿质颗粒之间的内摩阻力和嵌挤力，以及二灰结合料及其与矿料之间的粘结力和内聚力所构成。
二灰碎石混合料加水拌合后，通过机械压实，使得集料在混合料中重新紧密排列，使其充分发挥骨架作用。成型初期，可以认为二灰混合料未发生化学反应，其强度主要来自密实骨架的内摩阻力，以及颗粒间水膜与相邻颗粒之间的分子引力所形成的“原始粘聚力”。随着时间的推移，混合料内的固液相之间发生一系列物理和化学作用，并生成一系列具有胶结作用的物质，使得混合料中颗粒与颗粒之间的连接加固，形成“固化粘聚力”，这是二灰碎石混合料强度形成的主要来源。
当体系生成物浓度达到一定值时，它们便互相啮合形成网状结构，进而形成凝胶，此时，尽管体系中仍有大量的水分存在，但它们已被大量的网状胶粒包围而不能自由运动。上述反应都是通过离子吸附和交换而完成。如果生成物胶粒水化膜的粘滞力小于胶粒间的范德华作用力，就有可能把微粒间夹层水膜排挤出去，当微粒直接接触后，将形成化学键，缓慢地生成硅、铝等含氧酸的复合物结晶，新生晶体会逐渐长大、发展，形成网络结构，并逐渐脱水干涸以稳定的结晶缩合结构成为结晶整体，而成为具有较高强度的水稳性材料。
不言而喻，形成二灰碎石混合料强度的另一个必要条件是压实。当混合料加水拌和后，应及时碾压，让上述的化学反应在压实了的混合料中进行，如果不压实，化学反应照常进行，但形不成网络结构，充其量，反应后的混合料变为一堆具有一定水稳定性的松散集合体，没有强度，不能形成板体结构。
随着龄期的延长，水化产物在过饱和溶液状态下以微晶体形式析出，并由玻璃体表面伸展到二灰稳定碎石固相间的空隙，互相联生，形成二维的结晶体网状结构，且将固相颗粒联结成一整体，形成了很高的联结强度。火山灰反应是一个缓慢、长期的过程，这是使二灰稳定碎石混合料具有较高后期强度的根本原因。当二灰中的水化硅酸钙胶体析出之后，犹如水泥石一样，能将作为骨料的碎石紧紧地胶接在一起，形成一个坚实的整体，逐渐产生一定的强度。并且强度随着龄期的增长而增大。