隋淑梅，海 龍,，曾瑞萍

(1.遼寧工程技術大學力學與工程學院，遼寧 阜新 123000； 2.冀中能源集團有限責任公司，河北 邢臺 054000)

?

粉煤灰的路用土工性質試驗分析

隋淑梅1，海 龍1,2，曾瑞萍2

(1.遼寧工程技術大學力學與工程學院，遼寧 阜新 123000； 2.冀中能源集團有限責任公司，河北 邢臺 054000)

以阜新發(fā)電廠煤粉爐粉煤灰為研究對象，通過室內(nèi)試驗研究了粉煤灰的路用土工性質。該粉煤灰屬于含砂低液限粉土，級配不良；粉煤灰的比重為2.27，明顯低于一般粘土和砂土。在含水率18%～35%范圍內(nèi)均可獲得較為理想的壓實密度，表明粉煤灰擊實密度對含水率不是很敏感。該粉煤灰滲透性較強，遇水易崩解。粉煤灰壓縮系數(shù)小，因此路基填成后的沉降量也小，利于路基穩(wěn)定。粉煤灰的抗剪強度主要依賴于內(nèi)摩擦角，其內(nèi)摩擦角遠大于一般的粘土。粉煤灰的回彈模量E0值與粘土的回彈模量值差別不大。在相應的壓實度條件下，該粉煤灰可用于下路堤填料、上路堤填料和下路床填料。

粉煤灰； 公路； 路基； 土工性質

1 前 言

粉煤灰是燃煤電廠排出的一種具有火山灰活性、呈顆粒狀的微細工業(yè)固體廢棄物。目前我國燃煤電廠每年的排灰量約3億噸，如不加以利用，不僅制約電力工業(yè)發(fā)展，還占用大量土地，造成粉塵污染等環(huán)境問題[1-2]。目前，粉煤灰用于砂漿和混凝土制備的工藝已經(jīng)較為成熟[3-6]，也有將粉煤灰用于灌漿材料的報道[7]。另外，粉煤灰物理組織多孔，比表面積大，具有較高的吸附活性和吸收微波能量的特性，已作為良好的吸附劑和吸波材料，運用在環(huán)境工程治理中[8]。然而，這些方面的用量相對于巨大的粉煤灰排量極其有限。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國的公路工程量迅速發(fā)展。高等級公路的普遍特點是路基較高，路基取土與農(nóng)業(yè)爭地的矛盾日趨尖銳。利用粉煤灰來填筑路基，不失為解決上述問題的好辦法，加之公路需用的填料用量大，而粉煤灰又屬于輕質材料，特別適用于軟土地區(qū)的路基填筑，對路基的穩(wěn)定有著重要意義，也是將粉煤灰變廢為寶的主要途徑[2,5-6]。不同地區(qū)、不同種類的粉煤灰性質差異較大，這種差異使得不同粉煤灰的使用效果明顯不同[5-6,9]。國內(nèi)各地的試驗研究表明粉煤灰和一般細顆粒土相比，具有自重輕、強度高、壓縮性小、固結快等特點。但粉煤灰粘聚力小、毛細水作用影響較大，則又對路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的不利影響[10]。因此，對粉煤灰的路用土工性質進行系統(tǒng)研究十分必要，以發(fā)揮粉煤灰的優(yōu)勢，避免其不利因素，從而對路基設計、施工提出較為全面的技術方案提供幫助。

2 粉煤灰的基本物理性質

試驗研究選用的粉煤灰為阜新發(fā)電廠煤粉爐粉煤灰，未經(jīng)任何破碎、篩分等處理，顏色為暗灰色。

2.1 粉煤灰的顆粒組成

顆粒分析按《公路土工試驗規(guī)程》[11]的要求進行試驗(本文的其余試驗方法均按照《公路土工試驗規(guī)程》要求進行)，對于粒徑大于0.075mm的粉煤灰顆粒用篩分試驗來測定，對粒徑小于0.075mm的粉煤灰顆粒用密度計法測定。

試驗結果如表1所示，粉煤灰顆粒分布曲線如圖1所示。

表1 阜新發(fā)電廠粉煤灰細篩分析表

圖1 阜新發(fā)電廠粉煤灰顆粒分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of fly ash in Fuxin power plant

2.2 粉煤灰的比重

因粉煤灰顆粒較細，采用比重瓶法測定粉煤灰的比重。試驗結果如表2所示。

一般砂土的平均比重為2.65，輕亞粘土2.70，亞粘土2.71，粘土2.74。從表中數(shù)據(jù)可以看出，粉煤灰的比重為2.27，明顯低于一般粘土和砂土。粉煤灰質輕的主要原因是部分粉煤灰顆粒的中空結構。另外，粉煤灰中含有碳顆粒(比重1.3)也是粉煤灰比重較小的一個因素。

表2 阜新發(fā)電廠粉煤灰的比重測試結果

2.3 粉煤灰的最大干密度

用擊實試驗測定粉煤灰的干密度和含水率的關系，從而確定最大干密度和相應的最佳含水率。試樣制備分為干法和濕法兩種，根據(jù)路基工程的實際，本次試驗中采用干法制備試樣。本次試驗采用重型標準擊實試驗。

試驗得出粉煤灰的干密度與含水率的關系曲線如圖2所示。

圖2 粉煤灰擊實曲線Fig.2 Compaction curve of fly ash

由試驗結果可見粉煤灰和一般土一樣都存在最佳含水率所對應的最大干密度。粉煤灰的最佳含水率為25%，最大干密度為1.3075g/cm3。粉煤灰的擊實特性具有典型的非粘性土特征，在含水率18%～35%范圍內(nèi)均可獲得較為理想的壓實密度，表明粉煤灰擊實密度對含水率不是很敏感。

3 粉煤灰的水理性質

3.1 粉煤灰的毛細性

測定土的毛細水上升高度和速度，可用于估計地下水位升高時路基被浸濕的可能性和浸濕的程度。結合道路工程的特點，按《公路土工試驗規(guī)程》[11]的要求，采用直接觀測法分析粉煤灰的毛細性。

粉煤灰中毛細水的上升高度與灰體密實程度及密封狀況有關。壓實度越小，毛細水上升高度越大?；殷w上部密封情況下，毛細水上升的高度比不密封情況下要低。當灰體上部密封，壓實度在90%左右時，灰體中毛細水上升高度可達60～80cm。

壓實后的粉煤灰中水分的分布規(guī)律是：在毛細水上升高度以下時，灰體含水率都超過其壓實成型時的含水率，并且是由下至上逐漸減小。在毛細水上升高度以上，灰體則基本保持成型時的含水率。因此，在有水源的情況下，毛細水上升高度之上的粉煤灰毛細吸水能力較強。

3.2 粉煤灰的濕化

濕化是土的水敏感特征的重要表現(xiàn)。濕化試驗的目的是測定粉煤灰土體在水中的崩解速度，作為濕法填筑路基的標準之一。

按《公路路基施工技術規(guī)范》[13]的要求，根據(jù)擊實試驗的結果，以93%壓實度制備粉煤灰土樣進行試驗。

本次試驗歷時2min，試樣剛放下時水槽有氣泡冒出，水變得十分渾濁，接近2min時立方體棱角處有明顯的塌落，隨后突然全部崩解，崩解量為100%?？梢姺勖夯茵そY能力差、遇水易崩解，這就可以解釋未經(jīng)防護的粉煤灰路基易形成較大沖溝，造成表層滑坡和局部溜坍。

4 粉煤灰的力學性質

4.1 粉煤灰的透水性

根據(jù)顆粒分析試驗，本項目中的粉煤灰均屬細粒土，按《公路土工試驗規(guī)程》[11]的要求，采用變水頭滲透試驗研究粉煤灰的透水性。實驗結果如表3和圖3所示。

表3 粉煤灰滲透系數(shù)與壓實度關系表Table 3 Relation table between penetration coefficient and degree of compaction of fly ash

圖3 粉煤灰滲透系數(shù)與壓實度的關系曲線Fig.3 Relation curve between penetration coefficient and degree of compaction of fly ash

粉煤灰的滲透系數(shù)k值較大，說明其透水性相對較大。粉煤灰的滲透性能和壓實度有關，壓實度越大，滲透性越差。當壓實度為96%時，粉煤灰滲透系數(shù)降低到1.8×10-4cm/s，介于粉質砂土(6×10-4～1×10-3cm/s)和亞粘土(6×10-6～1×10-4cm/s)之間。

4.2 粉煤灰的壓縮特性

按《公路土工試驗規(guī)程》[11]的要求進行固結試驗，根據(jù)擊實試驗的結果，按照93%的壓實度、最佳含水率25%制備試樣，試驗后測得真實含水率為23.7%?？紫侗扰c壓力的關系如圖4所示。

圖4 真實含水率為23.7%時孔隙比與壓力之間的關系曲線Fig.4 Relation curve between Void ratio and pressure when the true moisture content is 23.7%

土的壓縮系數(shù)不是常數(shù)，它隨初始壓力p1和壓力增量(p1-p2)而變化，為了判斷和比較土的壓縮性，并考慮到土基礎通常受到的壓力大小，實用上采用p1=100kPa和p2=200kPa，根據(jù)土的室內(nèi)壓縮試驗孔隙比與壓力的曲線(e～p)來確定土的壓縮系數(shù)a1-2，根據(jù)a1-2來評價土的壓縮性大小。粉煤灰壓縮試驗結果表明，粉煤灰的壓縮系數(shù)a1-2為0.114MPa-1，而一般土的壓縮系數(shù)a1-2為0.24MPa-1。粉煤灰屬于粉質土，灰體本身呈蜂窩結構，但顆粒本身變形很小。壓縮時顆粒內(nèi)部的水和氣不易排出，所以盡管粉煤灰的比重較小，但其壓縮性不是很大。由于壓縮系數(shù)小，路基填成后的沉降量也小，即在同等條件下，粉煤灰路基沉降變形將小于土質路基，更易于穩(wěn)定。

4.3 粉煤灰的抗剪強度特性

在地基承載力、土坡和路基穩(wěn)定性評價中，土的抗剪強度指標是最重要的基本力學參數(shù)。在不同的含水狀態(tài)下，土體的抗剪強度存在顯著差異[14-15]。土的剪切強度通過粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值來表征。對同一種土，即使在同一法向壓力下，由于剪切前試樣的固結過程和剪切試樣的排水條件不同，其強度指標也是各異的。按剪切前的固結過程、剪切時的排水條件以及加載快慢情況，直剪試驗分為快剪，固結快剪和慢剪三種試驗方法。

粉煤灰的滲透系數(shù)較大，本次試驗采用固結快剪試驗。另外，土的抗剪強度還受干密度的影響，對于路基工程，土的結構和密度在局部范圍不會有太大變化，根據(jù)《公路路基施工技術規(guī)范》[9]中對粉煤灰壓實度的要求，試驗選用93%的壓實度制樣。含水率分別取為10%，15%，20%，25%和飽和狀態(tài)。

試驗得出93%壓實度下不同含水率時的抗剪強度指標如表4所示。

1）需要提高藏族大學生對元認知策略重要性的認識。元認知策略是更高級別的策略，它是使用認知策略和社會情感策略的基礎。語言學習者應該根據(jù)自身的情況和特點對英語聽力學習進行合理的規(guī)劃安排，選擇合適自己水平的聽力材料來練習，針對自己的聽力薄弱環(huán)節(jié)，及時加強練習并評估自己的聽力學習方法，找出自己所存在的問題和解決方案。

表4 粉煤灰93%壓實度下不同含水率的抗剪強度指標Table 4 Shear strength index of fly ash under different moisture content when the degree of compaction is 93%

當粉煤灰在飽和含水率條件下，粘聚力降低為零，這一點和粘土相似。但是在其他相同含水率條件下，粘土的c值比粉煤灰要高得多。因此，粉煤灰的抗剪強度主要依賴于內(nèi)摩擦角φ值，這一點又和細砂土的性質相似。

可見，在各種含水率條件下，粉煤灰的粘聚力c值均較小，而內(nèi)摩擦角φ值均較大，粉煤灰的抗剪強度主要依靠內(nèi)摩擦角φ的貢獻。隨著含水率的提高，粉煤灰的粘聚力c呈減小趨勢，當粉煤灰含水率達飽和后，粘聚力完全被破壞，這一點和粘土相似。

隨著含水率的提高，內(nèi)摩擦角φ也呈減小趨勢，但減小幅度不大。無論含水量如何變化，在相同含水率條件下，粉煤灰的φ值均高于一般粘土。

因為粉煤灰的抗剪強度主要依靠內(nèi)摩擦角φ的貢獻，本次試驗給出內(nèi)摩擦角與含水率的關系曲線如下：對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到壓實度為93%條件下粉煤灰內(nèi)摩擦角φ與含水率x的函數(shù)關系為：

φ=A+Be(-x/t)

其中，A=38.66955；B=11.38231；t=14.8749。

圖5 粉煤灰內(nèi)摩擦角與含水率的關系圖Fig.5 Relation curve between the internal friction angle and moisture content of fly ash

4.4 粉煤灰的回彈模量

回彈模量E0值是路基強度的常用指標，用來表征材料抵抗垂直變形的能力。按照《公路土工試驗規(guī)程》的要求，采用干土法(土不重復使用)，按四分法準備5份土樣，分別加入不同水分(按2%～3%含水率遞增)，拌勻后悶料一夜。根據(jù)公路工程的實際情況選擇重型擊實法，按照最佳含水率25%，取壓實度為95%制備試件。試驗后測得試樣的干密度為1.23g/cm3，與預定95%的壓實度基本吻合。試驗結果見表5所示。

表5 回彈模量試驗結果表

該試件回彈模量的大小范圍是31MPa～37MPa。需要說明的是，粉煤灰的回彈模量與其壓實度和含水率均有一定關系?？子窭16]研究了鐵阜高速公路K147+100～K147+260、K147+360～K147+700兩段路基挖方的“強風化粘土礦”和“全風化粘土礦”的回彈模量，得出：對于“強風化粘土礦”，在壓實度為93%時，回彈模量為49MPa；壓實度為96%時，回彈模量為54MPa。對于“全風化粘土礦”，在壓實度為93%時，回彈模量為21MPa；壓實度為96%時，回彈模量為34MPa。對比本研究的粉煤灰的回彈模量，可見粉煤灰的回彈模量與其他學者得到的阜新地區(qū)粘土的回彈模量值差別不是很大。

4.5 粉煤灰的承載比

根據(jù)上述擊實試驗的結果，在最佳含水率25%的條件下，在承載比試筒內(nèi)按照《公路路基施工技術規(guī)范》[9]要求的路基不同部分的壓實度94%、96%、97%制備試件。由承載比試驗得到的阜新發(fā)電廠粉煤灰在最佳含水率、不同壓實度條件下的承載比試驗結果如表6所示。

表6 粉煤灰在最佳含水率、不同壓實度條件下的承載比Table 6 Fly ash’s CBR value table under the optimum moisture content and different degree of compation

表中所列承載比標準為《公路路基施工技術規(guī)范》[9]中所要求的高速公路、一級公路的承載比標準值?？梢?，當壓實度為94%時，該粉煤灰可以作為下路堤填料；當壓實度為96%時，該粉煤灰可以作為上路堤填料；當壓實度為97%時，該粉煤灰可以作為下路床填料。

5 結 論

以阜新發(fā)電廠煤粉爐粉煤灰為研究對象，通過室內(nèi)試驗研究了粉煤灰的路用土工性質，以期為實際公路路基工程提供科學依據(jù)。研究得出的結論如下：

1.該粉煤灰呈暗灰色，屬于含砂低液限粉土，級配不良。粉煤灰的比重為2.27，明顯低于一般粘土和砂土。

2.粉煤灰和一般土一樣都存在最佳含水率所對應的最大干密度。其最佳含水率為25%，最大干密度為1.3075g/cm3。粉煤灰的擊實特性與粘性土不同，具有典型的非粘性土特征，在含水率18%～35%范圍內(nèi)均可獲得較為理想的壓實密度，表明粉煤灰擊實密度對含水率不是很敏感。

3.壓實度在90%左右時，粉煤灰體中毛細水上升高度可達60～80cm，毛細水作用較為強烈。粉煤灰黏結能力差、遇水易崩解。

4.粉煤灰的透水性相對較大。其滲透性能還和壓實度有關，隨著壓實度提高，滲透性降低。

5.盡管粉煤灰的比重較小，但其壓縮性不是很大。由于壓縮系數(shù)小，路基填成后的沉降量也會較小，即在同等條件下，粉煤灰路基沉降變形將小于土質路基，更易于穩(wěn)定。

6.在各種含水率條件下，粉煤灰的粘聚力c值均較小，而內(nèi)摩擦角φ值均較大，粉煤灰的抗剪強度主要依靠內(nèi)摩擦角φ的貢獻。隨著含水率的提高，粉煤灰的粘聚力c呈減小趨勢，當粉煤灰的含水率達飽和后，粘聚力減小為零。隨著含水率的提高，內(nèi)摩擦角φ也呈減小趨勢，但減小幅度不大。無論含水量如何變化，在相同含水率條件下，粉煤灰的φ值均高于一般粘土。

7.粉煤灰的回彈模量E0值與粘土的回彈模量值差別不大。

8.在相應的壓實度條件下，該粉煤灰可用于高等級公路下路堤填料、上路堤填料和下路床填料。

[1] 張莉. 粉煤灰的環(huán)境影響與綜合利用[J]. 北方環(huán)境, 2011, 4(11): 239～249.

[2] 王亮. 粉煤灰綜合利用研究[D]. 天津大學碩士學位論文,劉應宗,天津,天津大學, 2006, 12.

[3] 豐曙霞,劉賢萍. 粉煤灰粒徑特征對水泥砂漿性能的影響[J]. 材料科學與工程學報, 2015, 33(5):707～710.

[4] 李北星,周長泉,等. 硫酸環(huán)境作用下粉煤灰混凝土性能劣化時變規(guī)律[J]. 材料科學與工程學報, 2014, 32(6):809～815.

[5] 茅沈棟,李鎮(zhèn),方瑩. 粉煤灰資源化利用的研究現(xiàn)狀[J]. 混凝土, 2011, (7):82～84.

[6] 黃謙. 國內(nèi)外粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析[J]. 中國井礦鹽, 2011, 42(4):41～43.

[7] 王朝強,譚克鋒,黎澤明,吳修勝. 粉煤灰基灌漿材料的制備及性能[J]. 材料科學與工程學報, 2013, 31(6):919～923.

[8] 歐陽平,范洪勇,張賢明,陳凌. 基于吸附的粉煤灰改性機理研究進展[J]. 材料科學與工程學報, 2014, 32(4):619～624.

[9] 陳孟伯,陳舸. 煤礦區(qū)粉煤灰的差異及利用[J]. 煤炭科學技術, 2006, 34(7):72～75.

[10] 孫海興. 粉煤灰路基施工技術研究[D]. 長安大學工程碩士學位論文,陳忠達,西安,長安大學, 2009, 12.

[11] 公路土工試驗規(guī)程[S]. JTG E40-2007.

[12] 土的工程分類標準[S]. JBT 50145-2007.

[13] 公路路基施工技術規(guī)范[S]. JTG F10-2006.

[14] 祝磊,洪寶寧.粉狀煤系土的物理力學特性[J]. 巖土力學, 2009, 30(5):1317～1322.

[15] 胡昕,洪寶寧,杜強,孟云梅.含水率對煤系土抗剪強度的影響[J]. 巖土力學, 2009, 30(8):2291～2294.

[16] 孔玉坤,劉海英. 風化粘土礦作為路基填料的探討[J]. 北方交通, 2006, (12):14～16.

Test Analysis of the Fly Ash’s Geotechnical Properties for Road Use

HAI Long1， SUI Shumei1,2， ZENG Ruiping2

(1.School of Mechanics & Engineering, Liaoning University, Fuxin 12300, China; 2.Jizhong Energy Resources Co. Ltd., Xingtai 054000, China)

Laboratory tests were carried out on the geotechnical properties for road used fly ash in Fuxin Power plant. The fly ash was bearing sand silt of low liquid limit and poorly graded soil. Its specific gravity was 2.27 which lower than the normal clay and sandy soil. When the moisture content of fly ash at the range of 18%～35%, the comparatively ideal compacted density can be achieved, which show that the hit-solid density of the fly ash is not sensitive to water content. The fly ash has a stronger permeability and an easier pulverization whenever it comes across water. Because the compressibility of fly ash is small, the settlement of the subgrade filler also becomes small, which benefits the stability of the subgrade. The shear strength of the fly ash depends mainly on internal friction angle which is usually much higher than normal clays. The fly ash’s modulus of resilience E0is slightly differentfrom the normal clay. Under the corresponding compaction, the fly ash can be applied to upper embankment、lower embankment、lower road bed.

fly ash； road； subgrade； geotechnical properties

1673-2812(2017)02-0278-06

2015-11-06；

2016-03-07

國家自然科學基金資助項目(50974070，51474120)

隋淑梅(1979-)，女，黑龍江大慶人，博士，講師，主要從事礦山災害預測與防治方面、工業(yè)固體廢棄物綜合利用方面的研究工作。E-mail:hailong8901@163.com。

TU 411

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.022