粉煤灰對紅土工程特性改良的實驗研究

梁啟琴 高穎 盧琴 吳昌明 陳星

摘 要：土工護坡與生物護坡是常用的邊坡穩固方法。但是工程造價高，花費大量人力物力，國內外已經開始嘗試研究其他穩固方法，如粉煤灰的研究。六盤水儲存了大量的低價粉煤灰，粉煤灰不加處理將會產生揚塵進入空氣污染大氣，但是粉煤灰成分復雜，活性物質較多，由于六盤水地區粉煤灰特性與其他地區不同，特別是三稀礦產富集。常規粉煤灰有活性物質，但特殊地質成因地質條件下的粉煤灰可能有更好的改性效果。通過設計有關試驗驗證粉煤灰對紅黏土工程特性改良。

關鍵詞：粉煤灰;紅黏土;自由膨脹率;無側限抗壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.070

0 前言

中國是個產煤大國。由于火電廠的發展，粉煤灰排放量增加。大量的粉煤灰不僅污染大氣，排入河流也會造成河淤塞，其中有毒物質還會對人類和生物帶來危害。但粉煤灰可資源化利用，國內外開始嘗試將煤炭燃燒產生的粉煤灰大規模利用到工程加固和土壤改良上，已作為混凝土的摻合料等。貴州省六盤水市煤儲量居全省之首，但是由于煤層產生的地質背景差異較大，比如部分粉煤灰還富有三稀礦產，這使得其改性作用復雜，需要深入開展相關的研究。

1 天然狀態下紅粘土礦物組成及物理特性

1.1 紅粘土主要礦物組成：高嶺石、伊利石

一般紅粘土的粘粒組分含量較高，最高可達到75%，最低也能達到55%。粒度較均勻，具有高分散性。

紅粘土的物理特性：具了解紅粘土風干脫水其塑、液限沒有明顯影響，比如用含水量較高的紅粘土作為地基時，經陽光酷曬后雖然含水量降低了，但是塑性的大小一般沒有太大改變。在達到壓實度的最佳含水量時，紅粘土的壓實度遠高于一般粘性土。

1.2 相對應實驗設計

（1）六盤水是典型的紅粘土地區，一般情況下，紅粘土具有高分散性，但是不同地區紅粘土具有較大的差異性，因此設計顆粒分析試驗驗證六盤水紅粘土是否具有高分散性。顆粒分析試驗分為篩析法、密度計法。紅粘土的粒徑較小，因此選擇密度計法來測定。

紅粘土顆分實驗：①選取六盤水紅粘土制作土粒懸液;②用攪拌器在量筒中充分攪拌1～2min左右，使懸液內土粒分布均勻;③取出攪拌器的同時開動秒表，每過20秒讀一次密度計讀數。④當試驗完成后發現下沉顆粒超過總土質量的14%～15%時，將量筒中的紅粘土用0.075分析篩進行洗篩，再進行大于0.075的粒徑分析。

（2）根據紅粘土的物理性質，紅粘土的塑限和液限一般情況下沒有太大變化（在風干脫水時）。塑液限還是粘性土的重要物理特性指標，反映了粘性土中的水對粘性土性質的影響。測定粘土的塑液限指標具有很重要的意義。設計實驗，測定六盤水紅粘土在含水量較高和含水量較低的情況下，驗證塑、液限是否有明顯變化。

設計實驗：由塑、液限聯合測定法，測定一個含水量相對較高的紅粘土試樣和一個含水量相對較低的紅粘土試樣的塑、液限。①首先將六盤水紅粘土試樣潤濕過夜并充分調勻后，裝入試樣杯中刮平表面。②將試樣杯放在聯合測定儀的升降座上，調整升降座使聯合測定儀上部由磁鐵吸附住的圓錐尖端接觸土面，當指示燈亮起且穩定后（按下按鈕）使圓錐自由下落沉入試樣，5s后讀取圓錐入土深度H（mm）并測定含水率w（%）。按照相關試驗規程規定，測點不能少于3個，試驗中一般控制圓錐下垂深度宜為4mm，8mm，16mm。根據這些測點，在雙對數坐標上，繪制圓錐入土深度h與含水率W關系直線。在直線上求得2mm時的相應含水率為塑限，17mm時含水率為液限。③同上所述再測量一個含水量相對較高的式樣，并繪制h～w關系直線。進行兩組式樣的對比，驗證塑、液限是否有明顯變化。

（3）測天然狀態下紅粘土的含水率。

a.取適量的六盤水紅粘土放入稱量盒中，蓋好盒蓋稱質量。

b.打開盒蓋，將裝有紅粘土的盒放入烘箱中，在高溫下烘干。烘干時紅粘土不得少于8h。

c.將烘干后的試樣取出并冷卻。

d.冷卻后蓋好盒蓋，稱質量。

2 粉煤灰的礦物成分及物理特性

2.1 粉煤灰成分分析

（1）元素成分分析：選取六盤水地區火力發電廠（盤南，盤北電

廠、發耳電廠）進行粉煤灰取樣.編號后采用XRF對其主要元素進行分析。經以往大量數據分析可以推測出，粉煤灰中的鐵含量較高、硅含量相當、鋁含量較低、同時還含有一定量的鈦 、鈣 。

（2）礦物成分分析：為了了解粉煤灰的晶相結構，采用XRD對盤南盤北樣品進行分析。經以往大量數據分析推測六盤水地區的粉煤灰主要以莫來石和少量石英組成 ，并有少量的藍晶石，鐵的存在形式主要是磁鐵礦，其中Fe2O3、SiO2和Al2O3質量分數約為80%。

2.2 粉煤灰的物理特性

經文獻調查六盤水粉煤灰土粒的密度較小，一般為2.2～2.4g/cm，粉煤灰顆粒呈多孔型蜂窩狀，具有較強的吸附活性（因為表面積大），從而使粉煤灰具有較高的持水性，較大的膨脹性及較小的密度，因此灰渣具有孔隙大，含水量高，密度小，易擾動，高摩擦角的特點。

3 設計實驗驗證粉煤灰對紅土工程特性是否有改良

3.1 固結時間對強度的實驗研究

（1）取天然狀態下的紅粘土做三個相同的試樣，并貼上標簽A1、A2、A3;取粉煤灰加入紅粘土做三個相同的試樣，并貼上標簽B1、B2、B3;取水泥加入紅粘土做三個相同的試樣，并貼上標簽C1、C2、C3;取土壤固結劑加入紅粘土做三個相同的試樣，并貼上標簽D1、D2、D3。取A1、B1、C1、D1試樣做固結時間為一天的抗剪強度實驗;取A2、B2、C2、D2試樣做固結時間為二天的抗剪強度實驗;取A3、B3、C3、D3試樣做固結時間為三天的抗剪強度實驗。

（2）預測結果：無論固結時間為一天、二天或是三天，加入粉煤灰的紅粘土抗剪強度均比天然狀態下的紅粘土抗剪強度大，與其他試樣需具體實驗后才能驗證。

3.2 紅粘土的自由膨脹率實驗設計

根據含水量對紅粘土塑液性沒有改變，但粉煤灰自身具有較大膨脹性，較高的持水性。設計實驗驗證粉煤灰加入紅粘土后的自由膨脹系數變化。

設計實驗：（1）取天然狀態下的紅粘土測其自由膨脹性;（2）再取天然狀態下的紅粘土加入一定量的粉煤灰測量自由膨脹率;（3）單獨測量粉煤灰自由膨脹性;（4）根據具體數據進行比較。

3.3 抗壓強度實驗設計

影響粉煤灰改良紅黏土強度的因素有：粉煤灰摻入量、壓實度、齡期、養護條件、與水拌和延遲制樣時間、配制試樣時含水量等， 若全面考慮這些影響因素， 則需要花費大量的人力物力。綜合考慮試驗條件的限制和實際工程需要， 本文選取粉煤灰摻入量、壓實度、養護條件、配制試樣時含水量作為影響要素進行試驗分析。

（1）粉煤灰摻入量的影響。定量取4份相同質量的紅粘土試樣分別加入粉煤灰添加粉煤灰（粉煤灰用量分別為3%，5%，7%，9%，11%），分別測量各試樣的抗壓強度。畫出抗壓強度與摻入量的曲線圖。

預測實驗結果，剛開始時， 粉煤灰改良紅粘土的無側限抗壓強度隨著粉煤灰加入質量分數的增加而變大， 但當粉煤灰加入質量分數達一個數值Y%后， 無側限抗壓強度反而隨著粉煤灰摻入質量分數的增加而減小， 即粉煤灰摻入質量分數存在最佳值——X%， 此時無側限抗壓強度存在最大值。推測出現這種現象的主要原因是：粉煤灰的含量適當時， 粉煤灰主要起穩定作用（因為粉煤灰有高摩擦角的特點，）且它會使紅粘土的塑性、膨脹性降低， 使紅粘土樣初步具有較好的水穩定性， 并使土樣的密實度和強度得到增強， 隨著粉煤灰摻入量的增加， 土樣的強度和穩定性均得到提高;但當粉煤灰的含量超過一定量 （即最佳質量分數x%） 以后， 過多的粉煤灰將沉積在土樣孔隙中而不參加反應， 由于灰渣具有孔隙大，含水量高，因此過多粉煤灰將導致紅粘土強度降低。

（2）壓實度的影響。紅粘土經最佳質量分數粉煤灰改良后， 并經標準養護或自然養護條件養護一段時間后， 改良后的紅粘土無側限抗壓強度與壓實度的關系。

預測結果;在標準養護或自然養護條件下， 粉煤灰改良紅粘土試件的無側限抗壓強度都隨著壓實度的提高而增大?？梢酝茰y壓實度對粉煤灰改良紅粘土的無側限抗壓強度的影響非常大。

（3）含水量的影響。紅粘土+X% （即最佳質量分數粉煤灰）改良土制件 （在壓實度為W%和不同含水量下制樣） 的無側限抗壓強度值與配制試樣的含水量的關系。

預測結果， 試件的無側限抗壓強度隨配制試樣中含水量的變化曲線近似為拋物線， 其基本原因在于土樣中的自由水除充滿顆粒間的孔隙外， 粉煤灰與土粒的水解和水化作用需要一定量的水分。含水量較低時， 水解和水化作用不充分， 使得無側限抗壓強度較低。當含水量過高時， 由于多余水分的存在， 影響了無側限抗壓強度和水穩性， 致使土樣的強度和水穩性降低。

4 結語

綜上所述，文章對貴州紅粘土和粉煤灰的組成成分與物理特性進行了分析，通過對紅粘土與粉煤灰的物理特性分析，側紅粘土的自由膨脹率，設計粉煤灰改良紅黏土后的無側限抗壓強度，進行摻入量比較，含水量影響，壓實度影響綜合評價粉煤灰對紅黏土改良后效果曲線圖，評價粉煤灰改良紅黏土具體情況。

參考文獻：

[1]劉恒.貴州紅粘土工程地質特征[J].貴州理工學院，2016，642（42）.

[2]劉前明.貴州紅粘土工程地質特性探討[J].中國煤田地質，2002.

[3]黃輝.紅黏土無側限抗壓強度實驗影響因素研究[J].中南大學土木建筑學院.湖南省永州市交通局，2010.

基金項目：貴州省大學生創新創業訓練項目（2018521000）、六盤水師范學院重點學科項目（LPSSYZDXR201802）、六盤水師范學院教學內容與課程體系改革項目（LPSSYjg201813）、貴州省教育廳青年科技人才成長項目（黔教合KY字[2018]376）、貴州省教育廳青年科技人才成長項目（黔教合KY字[2018]386）

作者簡介：梁啟琴（1997-），女，貴州黔西人，本科，研究方向：地質工程。

*為通訊作者