CFB粉煤灰路基填料無側(cè)限抗壓強度試驗研究

周 鑫，高福寧，任希慶，杜菊平，鄧小鵬

(1.山西誠達公路勘察設(shè)計有限公司,山西 太原 030006;2.汾陽市交通運輸局,山西 呂梁 032200；3.山西能源學(xué)院,山西 晉中 030600)

0 引言

CFB粉煤灰是循環(huán)流化床粉煤灰的簡稱，指的是由循環(huán)流化床鍋爐(Circulating Fluidized Bed Combustion Boiler)燃煤時產(chǎn)生的主要固體廢棄物，循環(huán)流化床鍋爐一般采用的是高硫劣質(zhì)煤、煤矸石等低熱值煤燃燒，燃燒時噴入一定量固硫劑脫硫，達到高效脫硫、低氮排放等優(yōu)點，是新一代高效、低污染、清潔燃煤技術(shù)，因此在低熱值燃料利用中得到了廣泛的使用[1-2]。然而由于CFB鍋爐燃燒的溫度遠低于傳統(tǒng)煤粉爐的燃燒溫度，其產(chǎn)生的CFB粉煤灰在化學(xué)成分、礦物組成、物理性質(zhì)等方面與傳統(tǒng)粉煤灰存在較大差異[3-5]。因此無法對CFB灰采用常規(guī)方式處治，制約了CFB粉煤灰的資源化利用，目前對CFB灰依然以堆放處置為主[6]。山西G307線汾陽市過境改線公路工程實施中，結(jié)合汾陽市分布著大量堆置的CFB粉煤灰，為達到固廢利用目的，提出了將CFB粉煤灰應(yīng)用于路基填筑中，采用“以灰代土”的方法來修筑路基，減少取土填筑對環(huán)境的破壞。

公路路基是承受車輛荷載作用的載體，因此要求路基具有較高的強度，來抵抗車輛荷載的作用。無側(cè)限抗壓強度是反映路基填料物理力學(xué)性質(zhì)的一個重要指標，是表征路基填料在無側(cè)向壓力條件下抵抗軸向壓力的極限強度，也是路基設(shè)計中重要的依據(jù)之一，如果路基填料的抗壓強度降低容易造成路基沉降變形，從而引起路基不均勻沉降、開裂、邊坡失穩(wěn)等一系列的工程災(zāi)害，威脅車輛行駛安全，影響公路工程使用壽命[7-9]。

CFB粉煤灰具有一定的火山灰活性和自硬性[4]，國內(nèi)外學(xué)者在CFB粉煤灰作為建筑材料的資源化利用上展開了廣泛的研究。在建筑材料上，CFB粉煤灰作為凝膠材料，代替部分石膏用作水泥混合材和混凝土摻合料，研究其作為混合材對水泥性能、水化作用的影響，其研究結(jié)果表明，磨細CFB 灰渣可作為水泥混合材利用，強度、水泥安定性和凝結(jié)時間能滿足國家標準，CFB灰細度提高有利于水泥強度增加，CFB灰的最佳摻量為20%[10-14]。在道路工程上，采用CFB固硫灰改良云南紅黏土和固化淤泥質(zhì)軟土，能夠提高紅黏土和淤泥質(zhì)土的抗壓強度[15-18]。但CFB粉煤灰作為路基填料應(yīng)用研究上，目前報道較少。因此，基于山西G307線汾陽市過境改線公路工程中的CFB粉煤灰填筑路基開展CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度研究具有重要意義。

本研究制備不同壓實度的CFB試樣，擬在不同的養(yǎng)護條件、不同齡期及水作用下，對CFB粉煤灰試樣進行無側(cè)限抗壓強度測試。探討不同壓實度的CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度在不同養(yǎng)護條件、不同養(yǎng)護齡期及水作用下其強度變化規(guī)律，以期為CFB粉煤灰在公路工程中的應(yīng)用提供理論研究和工程借鑒。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 CFB粉煤灰材料性質(zhì)

本次試驗所采用的CFB粉煤灰取自山西省汾陽市某電廠所產(chǎn)的干灰。依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2019)的相關(guān)規(guī)定，對CFB粉煤灰樣品進行了比重、顆粒分析、液、塑限、含水率等基本的土工試驗并進行了化學(xué)成分分析。其主要物理力學(xué)性質(zhì)見表1，其主要化學(xué)成分見表2。

表1 CFB粉煤灰土工試驗結(jié)果

1.2 試驗方案

按重型擊實試驗制作CFB粉煤灰試樣，因G307汾陽過境改線為一級公路，按《公路路基設(shè)計規(guī)范》中路基壓實度的要求，試樣壓實度分別按90%，92%，94%和96%進行制備，齡期分為1 d，3 d，7 d 和14 d，養(yǎng)護條件分自然養(yǎng)護和標準養(yǎng)護。自然養(yǎng)護是將試樣裝入塑料袋中封口后進行養(yǎng)護，如圖1所示，模擬CFB粉煤灰路基中包邊土的隔離功能，標準養(yǎng)護是將試樣放入FH-V型標準恒溫恒濕箱中進行養(yǎng)護，箱中的溫度為(20±2) ℃，濕度≥95%，如圖2所示。每組無側(cè)限抗壓強度測試6個試件，共計288個試件。測試不同齡期、不同壓實度在不同養(yǎng)護條件下的CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度，如圖3所示。

圖2 恒濕恒溫箱標準養(yǎng)護

圖3 無側(cè)限抗壓強度試驗

2 試驗結(jié)果與分析

不同齡期、不同壓實度在不同養(yǎng)護條件下CFB粉煤灰所對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度如表3所示。

表3 CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度

2.1 壓實度對CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度的影響

為分析不同的壓實度對CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度的影響，分別繪制了自然養(yǎng)護與標準養(yǎng)護條件下CFB粉煤灰抗壓強度隨壓實度的變化曲線(圖4，圖5)。從圖4可以看出，在自然養(yǎng)護的條件下，相同的養(yǎng)護齡期，除1 d的無側(cè)限抗壓強度隨著壓實度增加不顯著外，其余養(yǎng)護齡期的CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度均隨著壓實度的增大而增大；特別是養(yǎng)護天數(shù)在3 d和7 d時，壓實度的影響尤為顯著；但在14 d養(yǎng)護齡期時，壓實度從90%增大至92%，CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度增長迅速，但隨著壓實度的增大，其無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)增長停滯的趨勢。

圖4 自然養(yǎng)護下CFB粉煤灰抗壓強度隨壓實度變化

圖5 標準養(yǎng)護下CFB粉煤灰抗壓強度隨壓實度變化

圖5是標準養(yǎng)護下CFB粉煤灰抗壓強度隨壓實度的變化曲線，從圖中可以看出，在標準養(yǎng)護下的CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度要小于自然養(yǎng)護下的無側(cè)限抗壓強度。在標準養(yǎng)護下，同樣的養(yǎng)護齡期，壓實度的增大對CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度影響不大，僅在養(yǎng)護7 d齡期時，CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度隨著壓實度的增大呈現(xiàn)稍增長的趨勢。因此在自然養(yǎng)護的條件下，隨著壓實度的增大，CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度也是在逐漸增長的；標準養(yǎng)護條件下，壓實度的增大對CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度增長影響不大。

2.2 養(yǎng)護齡期對CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度的影響

為分析不同養(yǎng)護齡期對CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度的影響，分別繪制了自然養(yǎng)護與標準養(yǎng)護條件下CFB粉煤灰抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的變化曲線(圖6，圖7)。從圖6可以看出，在自然養(yǎng)護的條件下，隨著養(yǎng)護齡期的增加，CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)近似直線型增長，特別是養(yǎng)護齡期在3～7 d間，而齡期在7～14 d間，CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度增長較緩慢些，壓實度為92%，94%和96%的CFB粉煤灰養(yǎng)護14 d后，3者的無側(cè)限抗壓強度基本能達到一致，約為9.70 MPa，而壓實度為90%的CFB粉煤灰養(yǎng)護14 d后，其無側(cè)限抗壓強度小于前3者，為7.62 MPa，相差約2.0 MPa。這說明CFB粉煤灰的壓實度達到92%以上，隨著齡期的增長不同壓實度的CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度最終會基本一致，因此公路工程中用CFB粉煤灰填筑路基時沒有必要追求高壓實度。

圖6 自然養(yǎng)護下CFB粉煤灰抗壓強度隨養(yǎng)護齡期變化

圖7 標準養(yǎng)護下CFB粉煤灰抗壓強度隨養(yǎng)護齡期變化

圖7是標準養(yǎng)護下CFB粉煤灰抗壓強度隨養(yǎng)護齡期變化曲線，從圖中可以看出，在標準養(yǎng)護的條件下，隨著養(yǎng)護齡期的增加，CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)增長趨勢，不同養(yǎng)護齡期段，1～3 d和3～7 d的CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度增長率基本一致，而7～14 d增長率明顯高于前兩個齡期段，但不同壓實度的CFB粉煤灰經(jīng)標準養(yǎng)護14 d后，無側(cè)限抗壓強度基本能達到一致，約為7.40 MPa。

對CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度增長與齡期采用二項式進行擬合，發(fā)現(xiàn)自然養(yǎng)護條件下，壓實度為92%，94%，96%的CFB粉煤灰其無側(cè)限抗壓強度與齡期有較好的擬合關(guān)系；標準養(yǎng)護條件下各壓實度的CFB粉煤灰其無側(cè)限抗壓強度與齡期有較好的擬合關(guān)系，具體見圖6、圖7中的擬合公式，其R2值均在0.95以上，說明擬合關(guān)系較好。因此不管是自然養(yǎng)護還是標準養(yǎng)護，CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度會隨著養(yǎng)護齡期的增加而增大，除壓實度為90%的自然養(yǎng)護條件下外，不同壓實度下的CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度增長最終會達到基本一致。

2.3 水對CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度的影響

為研究水對CFB粉煤灰抗壓強度的影響，試驗中對各齡期養(yǎng)護好的試樣采用浸水24 h后再測試其飽水無側(cè)限抗壓強度。其中齡期1 d及3 d的試樣浸泡后試樣散開破壞無法測試其強度，如圖8所示；齡期7 d及14 d的試樣浸水后試樣完整，其飽水無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果見表4。

圖8 齡期1 d及3 d的試樣泡水后破壞

表4 CFB粉煤灰飽水無側(cè)限抗壓強度

為分析水對CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度的影響，分別繪制了自然養(yǎng)護與標準養(yǎng)護條件下CFB粉煤灰飽水與不飽水狀態(tài)的無側(cè)限抗壓強度隨壓實度的變化對比曲線(圖9，圖10)。可以看出，不同齡期CFB粉煤灰的飽水無側(cè)限抗壓強度均低于不飽水狀態(tài)的無側(cè)限抗壓強度，而且均隨著壓實度的增大而增大，特別是在自然養(yǎng)護的條件下，壓實度大于92%后，各齡期的CFB粉煤灰飽水抗壓強度增長較迅速，但在壓實度為96%時，7 d及14 d的CFB粉煤灰的飽水抗壓強度與不飽水抗壓強度基本一致，說明壓實度96%時，自然養(yǎng)護超過7 d后，水對CFB粉煤灰路基的無側(cè)限抗壓強度基本無影響。

圖9 自然養(yǎng)護CFB粉煤灰飽水與不飽水抗壓強度對比

圖10 標準養(yǎng)護CFB粉煤灰飽水與不飽水抗壓強度對比

參照巖石軟化系數(shù)的概念，對CFB粉煤灰試樣進行軟化系數(shù)進行計算，其計算結(jié)果見表5。可以看出，標準養(yǎng)護下的CFB粉煤灰軟化系數(shù)均小于自然養(yǎng)護狀態(tài)，說明自然養(yǎng)護條件下CFB粉煤灰的耐水浸能力強；除在標準養(yǎng)護條件下，壓實度為90%的CFB粉煤灰的軟化系數(shù)最小為0.75外，其余壓實度的軟化系數(shù)均大于0.75，說明壓實度大于90%的CFB粉煤灰具有耐水浸能力強，水穩(wěn)性較好的性能。

表5 CFB粉煤灰軟化系數(shù)計算結(jié)果

3 結(jié)論

通過對用于路基工程的CFB粉煤灰試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，分析了不同壓實度的CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度與不同養(yǎng)護條件、不同養(yǎng)護齡期及水的作用下強度變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)養(yǎng)護條件對CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度影響較大，套袋自然養(yǎng)護下對CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度影響較大，而恒溫恒濕箱標準養(yǎng)護對CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度影響不明顯，且自然養(yǎng)護條件下CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度要大于標準養(yǎng)護條件下的。

(2)CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度會隨著壓實度的增大、養(yǎng)護齡期的增長而增大，但在壓實度超過92%，養(yǎng)護齡期達到14 d后，壓實度的增大對CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度無顯著影響。

(3)自然養(yǎng)護條件下，在壓實度大于90%，養(yǎng)護至14 d后，各壓實度下的CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度會達到基本相同值；標準養(yǎng)護條件下，養(yǎng)護至14 d后，各壓實度下的CFB粉煤灰的無側(cè)限抗壓強度也會達到基本相同值。因此用CFB粉煤灰填筑路基時，可不必要追求高壓實度。

(4)水對CFB粉煤灰無側(cè)限抗壓強度有一定的影響，不同齡期下CFB粉煤灰的飽水無側(cè)限抗壓強度均低于不飽水狀態(tài)的無側(cè)限抗壓強度。但在壓實度達到96%，自然養(yǎng)護超過7 d后，水對CFB粉煤灰路基的無側(cè)限抗壓強度影響不明顯。各壓實度下CFB粉煤灰試樣的軟化系數(shù)均不小于0.75，因此CFB粉煤灰填筑路基具有耐水浸能力強，水穩(wěn)性較好的性能，是一種優(yōu)質(zhì)的路基材料。