利用石屑制備鐵路水泥火山灰碎石樁材料

曾曉輝 李傳書 周劍波 胡小寶 辜英晗 潘自立 曾永平 龍廣成 謝友均 薛元 王艷峰

(1中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075；2中鐵五局集團有限公司拉林鐵路指揮部，貴州 貴陽550000；3中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031；4中鐵十七局集團第五工程有限公司，山西 太原 030006)

水泥粉煤灰碎石（CFG）樁是基于低強度混凝土復合地基理論發展起來的一種半剛性樁[1-4]，其作為復合地基處理技術已逐漸在工程應用中得到推廣，特別是在一些基礎穩定性要求高的重要工程中較常應用，CFG樁已成為我國客運專線和高速鐵路建設復合地基處理中的一種重要形式。由于樁基材料一般處于潮濕地下環境中，環境水中的侵蝕性物質如硫酸鹽、氯鹽、碳酸鹽等易對其產生腐蝕，因此需高度重視其抗腐蝕能力[5-7]。

大瑞鐵路保瑞段經保山市、龍陵縣、芒市、瑞麗市等地，是我國《中長期鐵路網規劃》中的重點項目，也是云南省“八入滇、四出境”鐵路網規劃中的重要出境通道之一。保瑞段有樁基處理70余萬m3，采用C25低標號樁基材料約14萬m3。鐵路沿線酸性侵蝕等級大多為H1級，CO2侵蝕等級可達H2級，當地水體的硫酸鹽濃度為400mg/L的水平，為中度硫酸鹽侵蝕環境，此外，保瑞段還有L1級侵蝕環境的工況，樁基材料易遭受侵蝕。

大瑞鐵路保瑞段沿線距離粉煤灰產地較遠，粉煤灰到工地價格較高，但保山、龍陵當地火山灰資源極為豐富，因此研究火山灰取代粉煤灰，開發相應的水泥火山灰碎石（CPG）樁十分必要。在本文中，通過對當地火山灰進行改性，并利用當地采石場石屑，制備了流動性、可泵性、強度以及耐久性優良的CPG樁基材料，并成功于應用工程中。

1 原材料與試驗

1.1 原材料

水泥：保山海螺水泥有限責任公司生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，3d抗壓強度32.1MPa，28d抗壓強度51.2MPa。

火山灰：如圖1所示，采用龍陵縣江騰火山灰有限公司生產的磨細火山灰，火山灰活性指數63.1%，燒失量為1.18%，需水量比105%。火山灰的化學成分如表1所示，XRD礦物組成分析結果如圖2所示，該火山灰主要含有硅、鋁氧化物和堿金屬氧化物，從XRD的衍射峰來看，該火山灰內部微觀組織結構主要為無定型的玻璃體氧化物。

圖1 火山巖及火山灰

表1 火山灰化學組成分析結果

圖2 火山灰XRD分析結果

改性火山灰：針對天然火山灰引氣能力強、需水量大、反應活性不足的問題，在工廠內對火山灰進行改性，全面提升其性能，改性后火山灰活性指數為77.2%，需水量比99%。

粉煤灰：原灰來自云南華電昆明發電有限公司，粉煤灰活性指數為76.2%，細度為13.1%，需水量比為101%，燒失量為6.1%，相關指標均符合Ⅱ級粉煤灰要求。

石屑：來源于瑞麗市當地采石場，為生產砂石料后的副產品，其篩分結果如表2所示。試驗時將石屑過篩，依據篩余將石屑分為0.15～9.5mm、0.075～0.15mm、0.075mm以下組，再進行復合摻配。

表2 石屑篩分結果

砂：瑞麗江潔凈河沙，細度模數2.72。

石：來自云南保山，非連續顆粒級配，分別對5～10mm，10～20mm，20～31.5mm單粒粒級篩分后進行分類堆放，將以上單粒級配按30:50:20的比例組成為5～31.5mm的連續級配。

減水劑：聚羧酸減水劑。

1.2 試驗

1.2.1 配合比

試驗用配合比如表3所示，混凝土設計強度等級為C20，設計坍落度為200mm，配合比中保持水膠比0.5不變，通過減水劑調整混凝土坍落度。配比中PO、VA、FA、MVA分別代表摻純水泥、摻火山灰、摻粉煤灰、摻改性火山灰。

表3 混凝土配合比(kg/m3)

1.2.2 和易性

CPG樁基施工中混凝土采用泵送，對拌合物和易性要求較高，以坍落度評價拌合物和易性，目標坍落度為200mm左右。

1.2.3 強度

CPG樁為C20 低標號素混凝土，試驗參照GB/T-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，以3d、7d、28d抗壓強度來表征混凝土強度發展。

1.2.4 電通量

電通量是表征混凝土耐久性的重要參數，實驗采用TB10005-2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》中規定的混凝土電通量測試方法。

1.2.5 抗腐蝕系數

實驗采用TB10005-2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》中規定的水泥或膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能快速檢測方法。

2 結果與討論

2.1 火山灰對混凝土拌合物性能的影響

如表4所示，在采用河沙時，摻天然火山灰混凝土表現出極強的引氣能力，且摻量越高，引氣能力越強，這可能與火山灰多孔結構吸附氣體有關[8]，拌合物含氣量高達15%以上，且氣泡極不穩定，含氣量損失較快，拌合物離析、泌水較為嚴重（圖3a），拌合物迅速板結并喪失流動性，可泵性較差。摻用改性火山灰后，拌合物引氣能力有所削弱，降低至6%以下，且坍落度≤80mm時，拌合物無離析、泌水，氣泡穩定，但坍落度較高時，拌合物仍泌水嚴重，坍落度無法測試。而摻用20%粉煤灰后，拌合物含氣量降低至4.6%，氣泡穩定性良好，但坍落度較高時，仍存在少許離析與泌水，拌合物易板結。

圖3 混凝土拌合物外觀

表4 拌合物性能測試結果

石屑對拌合物離析與泌水改善非常明顯，摻入石屑后氣泡也較為穩定，且石屑中粒徑≤0.15mm的粉體含量越高，拌合物含氣量損失越小，當石屑中0.15mm以下顆粒物含量≥15%或0.075mm以下顆粒物含量≥10%時，流動性甚至達到自密實混凝土的水平，擴展度達550mm（圖3b），且無離析與泌水。這些可能與石屑連續級配及粉體懸浮作用有關，由于CPG樁基混凝土中膠凝材料僅320kg/m3左右，其有效粉體含量不足，較大坍落度時拌合物易離析、泌水，而石屑中0.15mm以下顆粒物可充當粉體材料，因此采用石屑后拌合物和易性大為改善。

2.2 火山灰對硬化混凝土強度與電通量的影響

火山灰、粉煤灰對硬化混凝土強度與電通量的影響如表5所示。火山灰對混凝土強度降低的影響較明顯，摻50%天然火山灰時，3d強度甚至降低至基準值的50%以下，28d強度也僅有基準值的60%左右，這反映了當地天然火山灰活性較弱[9]，如不加以改性將嚴重降低混凝土的強度。對火山灰進行改性后，混凝土強度增長明顯，摻50%改性火山灰，28d抗壓強度為基準值的80%以上，且高于同摻量粉煤灰強度，滿足設計所要求的強度等級。石屑對混凝土的強度增加也比較明顯，在各組配比中，摻入石屑后混凝土強度均有所增加，這可能與石屑中含有大量的石灰石粉有關，石灰石粉在早期可加速水泥水化[10]，其后期填充效應可使混凝土更加密實[11]，因此有一定的增強效果。采用石屑+改性火山灰方案，即使改性火山灰摻量達50%，混凝土28d抗壓強度仍可達30.7MPa，遠高于設計所要求的強度。

表5 硬化混凝土強度與電通量

火山灰與粉煤灰均可降低硬化混凝土的電通量。由于混凝土水灰比較大，因此基準組的電通量達2795C，摻入50%火山灰后混凝土電通量降低至2102C，而摻入50%粉煤灰后電通量降低至1643C，這可能與摻合料的火山灰效應有關，通過與水泥水化產生的Ca(OH)2發生二次水化反應，形成的C-S-H凝膠使混凝土更加密實，因此混凝土電通量降低明顯[12]。石屑也顯著降低了混凝土的電通量，這可能與石屑中石灰石粉的密實效應有關[11]。對火山灰進行改性后，混凝土電通量降低尤為明顯，摻入50%改性火山灰，并摻入石屑，混凝土的電通量降低至626C。

2.3 火山灰對膠凝材料耐蝕系數的影響

圖4 膠凝材料耐蝕系數試驗

環境水侵蝕綜合防護技術是鐵路、公路、地下工程設計的重要內容之一。由于水泥基材料的組成與結構特點，當自然環境中含有酸、鹽等侵蝕性介質時，這些環境介質會對水泥基材料產生侵蝕作用，引起組成、結構的變化和使用性能的劣化，嚴重影響工程結構物的服役壽命和線路運營的安全性。CPG樁的服役環境特點決定了必須注意其抗水侵蝕能力，如圖4所示，本文對比分析了摻火山灰膠凝體系的耐蝕系數，結果如表6所示。粉煤灰摻量過高使得膠凝體系耐蝕系數下降，而火山灰可使膠凝體系的耐蝕系數在較高水平，滿足規范所要求≥80%。

表6 復合膠凝體系耐蝕系數

3 結論

本文針對滇西地區粉煤灰資源匱乏而火山灰資源豐富的現狀，研究了采用石屑制備水泥火山灰碎石（CPG）樁材料，獲得結論如下：

1）天然火山灰使拌合物引氣能力大大增強，拌合物易離析與泌水，氣泡上浮，和易性變差，且使混凝土強度大為降低，滿足不了工程需要；而對火山灰進行改性，可改善混凝土和易性，提高混凝土強度，大幅降低混凝土電通量。

2）使用河沙作為細骨料，拌合物粘聚性差，無法滿足泵送的需要；而石屑能顯著改善拌合物的和易性，其細顆粒物含量是影響拌合物流動性的關鍵因素，石屑0.15mm以下顆粒物含量≥15%或0.075mm以下顆粒物含量≥10%為宜。

3）基于改性火山灰與石屑技術，制備了性能優異的樁基材料，其膠凝材料用量為320kg，改性火山灰用量為160kg，拌合物坍落度為160～200mm，無分層、離析、浮泡，可泵性優良，成功用于大瑞鐵路工程建造中，芯樣28d抗壓強度≥30.0MPa，56d電通量≤1000C。