關于液態粉煤灰最佳含水量的研究

楊春風，王朔，孫吉書，崔寧

（河北工業大學土木工程學院，天津 300401）

關于液態粉煤灰最佳含水量的研究

楊春風，王朔，孫吉書，崔寧

（河北工業大學土木工程學院，天津 300401）

采用液態粉煤灰作為路基填筑材料，與其他細顆粒土相比具有質量輕、強度高、工期短等優點．粉煤灰工程性質與含水量關系密切，結合液態粉煤灰材料性能驗證試驗，分析了含水量的變化對液態粉煤灰混合料的和易性、干縮性以及抗壓強度的影響．通過對試驗數據的總結、分析，得出液態粉煤灰各項性能參數達到最佳的含水量區間為70%～75%．

液態粉煤灰；路基填筑；和易性；干縮性；抗壓強度；含水量

道路拓寬路基填筑一般采用砂石料回填再經壓實的方法，但由于壓實不足、不良地質等因素的影響，新舊路基之間會產生不均勻沉降，引發路面病害以及橋頭跳車等現象．為了解決此類工程問題，輕質材料開始大量引入．比較常見的有：液態粉煤灰、泡沫輕質土、空心塑料填料以及EPS等等，其中以液態粉煤灰和泡沫輕質土較為常見，但泡沫輕質土價格比較昂貴，不利于大規模生產使用．

液態粉煤灰是由粉煤灰、水泥、水按不同配合比攪拌而成，具有一定的流動性，經一段時間的養護之后具備一定強度的混合料．它具有輕質性，良好的施工性，密實度高，壓縮性小等特點．工程中大量應用于橋涵基坑和涵洞涵背填土[1]，已在沿海高速河北省段、石黃高速、石張高速、天津津濱高速、貴州遵畢高速等工程中得到了成功的應用．

影響液態粉煤灰混合料性能的因素有很多，例如水泥種類、用量，外加劑種類、用量以及含水量[2-3]等．本文研究的主旨是量化含水量與液態粉煤灰各項性能指標之間的關系，以確定最佳含水量，使液態粉煤灰和易性、干縮性以及抗壓強度等達到要求．此項研究有助于提高應用液態粉煤灰做路基填筑的工程質量，并促進粉煤灰大量回收利用．

1 液態粉煤灰混合料

1.1 粉煤灰

粉煤灰和土壤顆粒相似，它的壓實曲線是向下凹形曲線，具有最大干密度和最佳含水量Wopt，文獻[4-5]得出結論：粉煤灰的抗壓強度在接近最佳含水率時最高；抗壓強度隨壓實功增加而增加；水泥的含量越大，強度越高．文獻[6]中提到粉煤灰含有較多的玻璃球，在堿性激發劑下，具有較強的水化活動和膠凝性，具備一定的耐久性．

不同種類粉煤灰所含化學成分不同，其物理性質和化學性質也有很大差別．本試驗所使用的粉煤灰其化學成分如下表1所示．

粉煤灰的液、塑限如表2所示．

本試驗所用粉煤灰各項指標滿足《公路路基施工技術規范》（JTG F10-2006）中對路基填筑材料的要求．

1.2 水泥

1.3 外加劑

本試驗中所使用的水泥外加劑為奈系（液態），摻入量為水泥質量的1%（本文不就外加劑的影響展開談論）．

1.4 水

人畜可飲用的水即可．

表2 粉煤灰液限、塑限Tab.2 Liquid lim itand plastic limitof fly ash

表3 水泥的化學組成Tab.3 Chemical compositionsof clinker%

2 粉煤灰各項性能驗證

由粉煤灰、水泥、水拌合后組成的混合料會發生一定的物理及化學反應，為了驗證混合料的工程性質，通過測定器和易性、干縮性、抗壓強度作為參考依據．

混合料開始以物理作用為主，粉煤灰起到微集料作用，使混合料有良好的和易性；后期以化學作用為主，混合料中CaO水化生成的Ca(OH)2與SiO2和A l2O3進行二次反應，通過結晶作用和火山灰反應，形成的熟石灰結晶網格和含水的硅酸鈣和鋁酸鈣結晶等膠凝物質．這些膠凝物質形成一層穩定保護膜，填充顆粒空隙，石顆粒間產生結合料，減少了顆粒間的空隙和透水性，同時提高密實度，使混合料在后期具有一定的強度和水穩定性．

增加水泥含量，可以提高混合料強度，但容易使混合料溫縮和干縮過大，也使材料成本增加；減少水泥含量，導致粉煤灰容易松散，使混合料達不到預期強度．因此在試驗中綜合考慮各類因素，采用94∶6，92∶8，90∶10（粉煤灰質量∶水泥質量）的比例，分別用代號1，2，3表示．在這3種不同的粉煤灰與水泥的配合比下測定含水量對液態粉煤灰的各項性能指標的影響．

2.1 和易性

和易性對液態粉煤灰施工（攪拌、運輸、澆灌、搗實等）有著重要影響．在本試驗中，以稠度作為其和易性參考標準，采用儀器為SZ145型砂漿稠度儀．

混合料稠度隨含水量增加變化如圖1所示．

當含水量在60%以下時，3組混合料過稠，難以攪拌，不利于施工泵送，并且伴隨有大量氣泡、空隙無法排除，對強度有不良影響；當含水量達80%以上時，混合料過稀，難以成型，即使成型后干縮也太大．

圖1 含水量與稠度之間關系Fig.1 Relation betweenwater contentand consistency

為了滿足現場拌合、澆灌等條件，液態粉煤灰稠度達到110～130mm時，比較理想，便于施工攪拌、泵送、澆灌．因此，含水量取值在70%～80%時較為理想．因此，后續的干縮性試驗和抗壓強度試驗含水量均取值于70%～80%．

2.2 干縮性

由于液態粉煤灰中含有大量水，澆筑后隨著水分的反應、蒸發以及擴散，在后期出現一定的干縮現象．為了保證工程質量，確定不同含水量下的干縮值是有必要的．

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試驗中，混合料采用40 mm×40 mm×160 mm棱柱體試模，澆筑后混合料帶模在標準養護條件下養護7d后拆模，編號，進行量測．測定初始長度后，置于溫度（20±2）℃，相對濕度（60±5）%的室內，到第7 d、14 d、21 d、28d、56 d、90 d分別測定長度．

混合料在不同含水量下隨觀測天數增加干縮值變化如圖2、圖3、圖4所示．

通過試驗數據可看出：混合料隨著水的含量增加干縮值增大；同一含水量下，水泥含量越多，干縮越明顯．

2.3 抗壓強度

路基承載著路基自重力和汽車輪載兩種荷載，雖然液態粉煤灰內部有大量的空隙，但周圍形成的硬化結構難以壓縮，不易碎散，因此與其他土體材料相比，硬化的漿體可壓縮性很小，強度較高．

試驗中，混合料采用70.7mm×70.7mm×70.7mm標準砂漿試模成型，可視情況進行插搗使混合料密實（60%～70%含水量時混合料攪拌時伴隨有大量氣泡，75%～85%含水量時無明顯氣泡存在），具體參照混凝土立方體抗壓強度試驗方法進行．從試件澆筑成型開始，用路面材料強度試驗儀分別測7 d和28 d抗壓強度，一般要求7 d0.3MPa，28 d0.6MPa．

混合料各配合比28 d抗壓強度隨含水量變化如圖6示．

含水量為75%時，混合料在各齡期的抗壓強度如圖7所示．

從試驗數據可以看出：隨著含水量的增加，混合料抗壓強度降低；同一含水率下，水泥含量越多，抗壓強度越高；含水量在70%～75%時，抗壓強度變化較小．

圖2 70%含水量的混合料干縮值Fig.2 Shrinkage valueofm ixturewith 70%water content

圖3 75%含水量的混合料干縮值Fig.3 Shrinkage valueofm ixturew ith 75%watercontent

圖4 80%含水量的混合料干縮值Fig.4 Shrinkagevalueofmixturew ith 80%water content

圖5 7d抗壓強度與含水量關系Fig.5 The relation between compressive strengthand watercontent in 7 d

3 性能驗證結果分析

通過稠度試驗，得出結論：粉煤灰和水泥比例變化對稠度影響不大，主要影響因素為含水量；當含水量在70%以下時，混合料稠度變化明顯，但稠度太低，給施工帶來不便；當含水量在80%以上時，稠度太稀，且難以成型，干縮性變化太大，不利于工程質量；當含水量在70%～80%時，混合料處于最佳狀態，既能保證施工的便利性又能很好的保證工程質量．

在干縮性試驗中發現：混合料含水量越多，干縮性越明顯；水泥含量越多，干縮性變化越大；含水量在80%時，干縮比較明顯，能達到1.726%；含水量在70%～75%時，干縮變化較小．在帶模養護的7 d里，試件均出現不同程度的干縮情況：同一粉煤灰和水泥比例下以80%含水量最為明顯，75%含水量其次，70%含水量變化最小；不同粉煤灰和水泥比例下干縮變化不大．主要原因是：澆筑初期存在泌水現象，水分流失，混合料凝固成型，存在干縮變形．因此，在施工過程中為了保證施工質量，要注意在澆筑完成初步成型后對干縮產生的裂縫進行灌漿．

在抗壓強度試驗中，通過試驗數據可以得出：混合料在初期強度增加較快，在后期趨于穩定；隨著含水量增加，抗壓強度降低；水泥含量越多時，抗壓強度越高；當含水量在75%～80%時，抗壓強度變化較大；含水量在70%～75%時，抗壓強度變化較穩定．在后期，雖然試件中存在一定空隙，但空隙周圍的膠凝物質及生成的硬化物質有足夠的強度和穩定性，使混合料具備承載自重力和汽車輪載兩種荷載的能力．

通過以上3組試驗數據的觀察發現：曲線3對應的各項參數都比另外兩條曲線高，即粉煤灰質量與水泥質量為90∶10時，粉煤灰的和易性和抗壓強度都達到最強．為保證工程質量，混合料要滿足足夠的強度，但水泥含量增加既增加了工程成本，又使混合料干縮性增加．而曲線2對應的各項參數都達到要求，且較曲線3更節約成本，即粉煤灰質量與水泥質量比值取92∶8為最佳取值．

綜合上述各方面影響因素，混合料中粉煤灰和水泥的比例取值在92∶8時，效果最理想；最佳含水量取值在70%～75%時，混合料各項性能參數最佳．

圖6 28 d抗壓強度與含水量關系Fig.6 The relation between compressive strength and water contentin 28 d

圖7 各齡期抗壓強度試驗結果Fig.7 The resultsof each age compressivestrength

4 結論

液態粉煤灰作為路基填筑材料，其物理特性和化學性質隨含水量變化有顯著不同．含水量的增加使和易性有較好提高，但對于干縮性和抗壓強度有不利影響．為保證施工便利以及工程質量，含水量應當保持在70%～75%，此時混合料各項指標最為理想，性能最為穩定．

在唐津高速道路拓寬工程中，選取某段橋臺后200m基坑作為液態粉煤灰路基材料的試驗段，根據實驗室數據和現場施工多方面狀況以及液態粉煤灰內在特性，得出最佳含水量為70%～75%，粉煤灰和水泥比例為92∶8．在確保工程順利施工同時，取得較為理想的結果．

[1]李啟冰．液態粉煤灰在張石高速公路中的應用[J]．路基工程，2008（3）：165-166．

[2]王彥章．澆注式水泥粉煤灰在橋涵臺背回填中的應用研究[D]．西安：長安大學，2008．

[3]鄒先云．高流態粉煤灰在回填路基三背中的適用性研究[D]．重慶：重慶交通大學，2012．

[4]Gray DH，Lin YK．Engineeringpropertiesofcompacted flyash．Journalof the SoilMechanicsand FoundationsDivision[J]，1972（SM 4）：361-367．

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[7]JTG F10-2006，公路路基施工技術規范[S]．

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[12]JGJ/T 70-2009，建筑砂漿基本性能試驗方法標準[S]．

[責任編輯 楊屹]

The bestwater contentof liquid fly ash

YANGChun-feng，WANG Shuo，SUN Ji-shu，CUINing

(Schoolof Civil Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

Using liquid fly ash as fillingmaterials in the projectcan be lighter inweightw ith higher strength and shorter construction period compared w ith the general fine grained soil.Its engineering property is closely related to thewater content.In combinationw ith the indoor testsmadeon fly ash,the influenceof the fly ashmixtureworkability,shrinkage and compressive strengthmadeby the change ofwatercontentareanalyzed.We conclude that theoptimalwater content rangewhichmakes the liquid fly ash reach the bestperformance is70%～75%afterour analysisof the testdata.

liquid fly ash;subgrade filling;workability;shrinkage;compressive strength;water content

U 414

A

1007-2373(2014)01-0092-04

2013-09-07

天津市市政局科技計劃創新項目

楊春風（1959-），男（漢族），教授．