粉煤灰中SO3对路面基层的危害分析
摘 要：粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后从烟道中回收的一种粉末，其主要成分中含有SO3，粉煤灰中硫含量过高会对路面基层产生影响，导致其膨胀开裂破坏。本文针对石灰粉煤灰稳定碎石基层沥青路面起拱开裂的问题对其原因进行深度分析。
关键词：粉煤灰；三氧化硫（SO3）；路面基层；膨胀开裂；
0.引言
我国粉煤灰产量丰富，石灰粉煤灰碎石基层已被广泛地应用于市政道路的修筑中。既节约了能源和资金，又改善了环境。然而，我国电厂排放的粉煤灰品质极不稳定，有80%以上的粉煤灰烧失量超过6%，有的达到20%以上，而国内相应的施工规范规定粉煤灰烧失量一般不应大于10%，使得许多烧失量较大的粉煤灰得不到利用，极大地限制了粉煤灰的应用范围和数量，导致我国粉煤灰利用率仅有40%-50%。近几年来，虽然国内对烧失量大的粉煤灰也作了一些研究，比如采取对粉煤灰进行脱碳处理，提高其密实性，降低空隙率等，但工艺较复杂费用较高，使得此种粉煤灰应用于路面基层难以实现。国内外对高烧失量粉煤灰在路面基层中的应用研究还很少，因此深入开展高烧失量粉煤灰修筑二灰基层的研究，提高我国粉煤灰的利用率，具有现实意义和经济价值。
1.起拱开裂路面的调查与研究
该高新区路网工程由多家单位承建施工，在沥青面层铺筑完成后数月，多条道路均不同程度地出现了鼓包起拱、纵向开裂及沥青路面向两侧膨胀顶翻路缘石现象，具体如下：
1.1 道路交叉口“波浪形”起拱
在道路的交叉口，局部路面产生“波浪形”起拱，起拱部位的沥青路面有放射状的裂缝存在，并无纵向规则裂缝。人工开挖后，发现因二灰基层上拱致使沥青面层起拱，但二灰碎石材料中并未发现消解不彻底的石灰块，底部路基路床质量正常。
此类型起拱开裂形态主要沿道路方向，在路中距离路边缘约3-5m处出现2条宽约1cm的纵向裂缝，并伴随路面波浪状起拱。人工开挖后，半刚性二灰基层呈现裂缝并起拱，裂缝两侧干燥的基层板体正常、无破碎状，且经取芯试试压强度合格，同时底部路床质量正常，可见沥青路面的起拱开裂是基层反射导致。
1.3 路缘石被路面顶翻
路面出现起拱开裂的地段，均伴随两侧路缘石被路面向两侧顶翻，致使路缘石同路面分离约3-5cm左右的裂缝，可见路面产生了向道路两侧膨胀延伸现象。
1.4 路面损坏部位的试修复及结果
（1）沿裂缝两侧1.0m对路面进行切缝，挖除开裂部位沥青路面，对基层的裂缝灌注高强水泥浆，并加铺高强土工布及土工格栅，最后铺筑高强度抗裂型钢纤维改性沥青封面，同时对两侧路缘石进行重新扶正安装。
（2）挖除沥青面层后，对基层表面进行清洗时，发现二灰基层表面着水后，会产生细小不规则的裂纹，由于裂纹较小且浮于基层表面，当时并未引起足够重视。
（3）对路面损害部位处理约半年后，路面原损害部位又出现了起拱开裂状态，两侧路缘石又被顶翻。
1.5 路面起拱开裂的推断分析
从力学角度推测，在道路交叉口所产生的波浪形起拱及道路标准段的纵向起拱开裂是由于基层内部某种应力，具体如下：
（1）道路交叉口部位，由于整个路面基层板体对称。内部产生的膨胀应力释放时，可受到四周均匀抵抗，因此会导致局部路面起鼓开裂；
（2）道路标准段落，基层板体呈长方形，长度随路面长度延伸。当内部应力释放时，来自四周的抵抗阻力，一定是路面两侧最为薄弱，所以基层内部所产生的应力自然会向路面两侧释放，就产生了沿道路方向的纵向起拱开裂，并将两侧路缘石顶翻。
1.6 初步推断
初步判断，在半刚性二灰基层中存在某种不稳定化学成分，经不断反应会造成路面起拱被损。于是，现场对基层取样，由当地建筑材料科研所进行化学成份分析及矿物鉴定。经化验发现基层材料中存在大量的石膏成分，将取样基层切块置于水中，会逐渐膨胀开裂松散，因此这些石膏不稳定矿物成份才是造成半刚性沥青路面起拱被损的主要因素。
2.石灰、粉煤灰、二灰胶结物化学组份定量分析及研究
2.1 石灰、粉煤灰化学成份定量分析
根据前面的推断，我们针对该区几个生产石灰粉煤灰稳定碎石基层材料的厂家，进行了取样筛查，主要是对石灰、粉煤灰进行常量元素定量分析。
（1）经取样化学实验分析，几家生产厂家采用的石灰符合规范要求。
（2）对各厂家所用粉煤灰的取样实验调查后，我们发现除两家的粉煤灰质量较好之外，其余所用的粉煤灰中的SO3含量明显较高。
2.2 二灰碎石半刚性基层沥青路面起拱开裂原因分析
高新区出现路面起拱开裂的几条道路，均由C拌合厂和D拌合厂供料给施工单位。
通过分析与研究，我们认为：粉煤灰中的“SO3”含量偏高是引起半刚性沥青路面起拱受损的罪魁祸首。由于SO3的大量存在，它与石灰中的CaO产生化学反应生成CaSO4（硬石膏）或生成无水钙质芒硝（CaSO4・Na2SO4）， 它们是影响体积不稳定的重要组成元素。
（1）SO3遇CaO 化学反应方式
CaO+SO3→CaSO4（硬石膏）
CaO+Na2O+2SO3→CaSO4・Na2SO4（无水钙质芒硝）
（2）硬石膏、无水钙质芒硝遇水反应方式
硬石膏遇水后产生次生矿物石膏的化学反应式如下：
CaSO4+2H20→CaSO4・2H20
无水钙质芒硝遇水后产生次生矿物钙质芒硝的化学反应式如下：
硬石膏和无水钙质芒硝在遇水时吸取水分形成石膏或钙质芒硝，体积会发生膨胀，并产生膨胀力，体积增大约20-30%。而无水钙质芒硝（CaSO4・Na2SO4）遇水分解后，能产生较大的内部应力，对结构层释放较大的压力，危害极大。
（3）分析结论
我们推断认为粉煤灰中的SO3含量偏高，能与石灰中的CaO产生化学反应生成硬石膏和无水钙质芒硝，而这两种矿物在遇到路面渗漏水时会发生化学反应，产生新的次生矿物石膏和钙质芒硝，并伴随发生体积膨胀，释放较大的内部膨胀应力，造成路面起拱受损。每逢雨季地表水便会通过裂缝及路面与路缘石之间的缝隙渗入基层，与基层中的硬石膏和无水钙质芒硝不断产生化学反应，使路面持续膨胀发展开裂。
3.结语
近几年，火电厂改进生产工艺后产生的粉煤灰均是环保产品，环保型的粉煤灰脱硫后增加了SO3的含量。而此类粉煤灰应用于工程建设后，有可能给国家和企业带来严重损失。因此，笔者认为道路施工粉煤灰应严格控制SO3的含量。在选定粉煤灰材料时，加强对粉煤灰料源的调查，使用前对粉煤灰材料化学成分分析，对SO3含量指标进行检测。另外为减少地表水的渗漏，应采用抗裂性路面设计方案。