軟土地基強度脫硫灰改良性能機理研究

張慶明，張昶，汪平，向兵

（1重慶建工集團股份有限公司，重慶401122；2重慶交通建設（集團）有限責任公司，重慶401121）

軟土地基強度脫硫灰改良性能機理研究

張慶明1，張昶2，汪平2，向兵2

（1重慶建工集團股份有限公司，重慶401122；2重慶交通建設（集團）有限責任公司，重慶401121）

脫硫灰與普通粉煤灰在物理化學特性方面有較明顯不同。該文通過機理分析、擊實試驗等手段，將脫硫灰與亞粘土、淤泥質粘土通過比例混合獲得不同的改性狀態，由此揭示脫硫灰改良軟土的性能變化過程。

軟土改良；脫硫灰；粉煤灰；膠凝環保材料

0 引言

脫硫灰與普通粉煤灰在材料特性上有較大的差異。粉煤灰在公路建設方面的研究成果一般不能直接指導脫硫灰改性材料，現階段，脫硫灰的相關研究較少，有關利用脫硫灰改良軟土方面的研究成果更少，在一定程度上限制了脫硫灰資源的開發運用。深化對脫硫灰力學性能的研究，將有助于實現重慶區域綠色交通建設。脫硫灰和粉煤灰在火山灰活性和自硬性方面特性相似，對公路工程特別是處理軟土路基改良、高路堤公路穩定加固效果突出[1]。本文主要是針對脫硫灰改良力學效應進行研究，通過理論分析和試驗探討脫硫灰對軟土路基強度的提升機理及演化過程，如圖1。

1 “石灰-脫硫灰”材料改良軟土機理

1.1 物理化學過程

土體、脫硫灰、石灰經過拌合后，其微粒靠近，處于液相薄層狀態，范德華力進一步使得顆粒產生凝聚[2]。外層陽離子吸附作用使得原始狀態下表面一般吸附K+、Na+等陽離子，摻入石灰導致Ca（OH）2溶水發生電離過程。

Ca（OH）2→Ca2++2OH-

由于Ca2+濃度的增加，Ca2+與土粒表面的陽離子進行相互替換，導致膠粒表面電勢減弱，在顆粒間產生凝聚結構。

1.2 火山灰反應

伴隨消石灰離解過程，脫硫灰、土樣、石灰中的活性成分對PH值有推升作用，化學過程如下：

Ca（OH）2+H2O+Al2O3→XCaAl2O3ZH2O

Ca（OH）2+H2O+SiO2→XCaSiO2ZH2O

脫硫灰、土樣、石灰混合料早期強度是通過上述反應過程產生的凝聚結構形成的，由火山灰反應形成的凝聚結構，還較明顯地重塑了混合料孔隙，導致強度上升迅速。

1.3 結晶-縮合結構效應

一般聚合結構穩定存在的時間有限，化學反應使得膠凝物質的水分減少，此時凝聚結構慢慢地轉化為結晶-縮合結構[3]。石灰漿體是最先出現的晶體結構之一，借助Ca（OH）2晶體的增長和細分散狀態Ca（OH）2溶解，結晶緊聯，出現立體網架狀態結構，包覆土礫。在富水環境下空氣中二氧化碳與石灰產生CaCO3晶態，即碳化作用，加速了結晶的形成：

CO2+Ca（OH）2→CaCO3+H2O

脫硫灰材料的加入提供大量的活性物質以強化火山灰反應，產生更多的水化膠結產物。由于石灰膠粒中Ca2+和（OH）-膠核強度吸附，導致脫硫灰的Ca2+很少，進而含水鋁酸鈣與含水硅酸鈣下降，二灰穩定材料其水化速度變緩，混合料早期強度不高[4]。一般的從脫硫灰活性物質溶解至水化物硬化時間大大慢于水泥化合物硬凝和粘土顆粒團粒化過程。

伴隨養生齡期延長，不斷產生火山灰反應使得脫硫灰附近Ca2+和（OH）-下降迅速。另外石灰粒中Ca2+和（OH）-卻不停地釋放[5]。強度最終的增加來源于混合料中含水硅酸鈣（CSH）和含水鋁酸鈣（CAH）不斷增加。

2 脫硫灰擊實試驗

對不同配比的脫硫灰、石灰、土體混合料進行擊實試驗，有助于分析不同脫硫灰摻量時最佳含水量、最大干密度的變化過程。

將脫硫灰與土體通過干質量比例混合（如表1），并摻入部分石灰來保證脫硫灰的性能。

表1 干質量比例混合表

脫硫灰軟土混合試樣加水量，通過公式計算得到：

式中，mw：土樣所加水量（g）；w0：風干含水率（%）；m：風干含水率時的土樣質量（g）。

使用輕型擊實儀，分3層，25擊/層，保證每層高度基本一致。擊實完成后，試樣超出筒頂高不大于5mm，稱重得到試樣總質量換算濕密度。含水率測定是通過用推土器推出2個代表性試樣。

選取淤泥質粘土、亞粘土土樣按照表1配比進行，得出的擊實數據如表2、表3所示。

表2 摻二灰淤泥質粘土擊實試驗數據

表3 摻二灰亞粘土擊實試驗數據

試驗顯示：隨著脫硫灰摻量的加大，最大干密度慢慢降低，減少約0.072g/cm3。在該組最佳配比的狀態時延滯2h的壓縮試驗，最大干密度比未延滯的試樣干密度出現下降，相對20%的脫硫灰比例的最大干密度更低，相對10%脫硫灰比例的混合料降低約0.041g/cm3。脫硫灰摻量的上升將帶來最大干密度下的含水率提升。

3 結論

脫硫灰作為一種生態型膠凝環保材料，其部分材料性能與粉煤灰類似，但又有其獨特的特性。脫硫灰中含有的硫酸鈣、生石灰的比例相對粉煤灰多，是導致性能突出的關鍵。通過脫硫灰機理的研究和力學實驗，將加深對其性能的認識，為綠色建筑和綠色交通的發展做出貢獻。

[1]李明飛.高速公路軟土路基變形規律研究[D].西安：西安科技大學，2006.

[2]李振霞，陳淵召.二灰穩定低液限粉土底基層性能研究[J].公路，2007，3（3）：51-54.

[3]王鵬飛.粉煤灰綜合利用研究進展「J].電力環境保護，2006，22（2）：42-44.

[4]楊文，謝曉聞，黃羽雕，等.循環硫化床鍋爐飛渣綜合利用[J].江西能源，1998（4）：24-26.

[5]葛云甫，鮑新才.燃煤電廠脫硫灰渣的建材利用問題[J].粉煤灰綜合利用，1999（5）：54-56.

責任編輯:孫蘇,李紅

Mechanism Analysis on Soft Soil Foundation Improvement by Desulfurized Fly Ash

Desulfurizedflyash and ordinary flyash show marked difference in physical and chemistry properties.This paper mixes desulfurizedflyash,clay and saturated silty soft clay with different propotions to gain modified states with tools like mechanism analysis and moisture-density test,so as to reveal the property variation process of desulfurizedflyash improving soft soil.

soft soil improvement;desulfurizedflyash;flyash;gelatinise environment-friendly materials

U416.2

A

1671-9107（2017）09-0053-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.09.053

2017-07-11

張慶明（1977-），男，吉林遼源人，研究生，高級工程師，主要從事建筑施工技術和質量管理工作。