粉煤灰改良路用堿渣土強(qiáng)度試驗(yàn)研究

【摘 要】通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試不同粉煤灰摻量對(duì)堿渣土強(qiáng)度的影響規(guī)律，研究堿渣粉煤灰土強(qiáng)度形成機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)果表明：粉煤灰摻量在0%～12%范圍內(nèi)，堿渣粉煤灰土試件7天 UCS和28天 UCS均呈現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律。相比于對(duì)照組，粉煤灰摻量為9%時(shí)，堿渣粉煤灰土7天 UCS和28天 UCS增幅分別高達(dá)43.68%和48.13%，粉煤灰摻量超過(guò)一定量時(shí)堿渣粉煤灰土出現(xiàn)下降趨勢(shì)；粉煤灰在堿渣粉煤灰土體系主要起微集料充填效應(yīng)、顆粒形態(tài)效應(yīng)。與此同時(shí)，適量粉煤灰與堿渣土中Ca（OH）2反應(yīng)生成含水的水化硅酸鈣（C-H-S）和水化鋁酸鈣（N-A-S-H）等膠凝物質(zhì)，使得堿渣粉煤灰土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，有效提高材料強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】粉煤灰； 堿渣； 堿渣土； 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度； 強(qiáng)度機(jī)制

【中圖分類號(hào)】U414【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

純堿被譽(yù)為“化工之母”，作為原料被廣泛的用于建筑、化工、紡織等行業(yè)［1］。我國(guó)純堿生產(chǎn)量世界第一，生產(chǎn)方法以氨堿法為主，每生產(chǎn)1 t純堿，約排放0.3～0.6 t固廢堿渣［2］。由于堿渣的高堿性和高氯離子含量特征［3］，傳統(tǒng)地面排放處理方式不僅占用了大量的土地資源，而且有害成分會(huì)隨雨水滲透到地下污染土壤和地下水，造成土壤鹽堿化［4，5］，污染生態(tài)環(huán)境［6］。

考慮公路路面基層和路基不鋪設(shè)鋼筋，不存在氯離子腐蝕等工程隱患以及對(duì)材料強(qiáng)度要求相對(duì)較低，且研究證明堿渣含有大量的CaCO3以及Ca（OH）2等礦物成分，能在土顆粒之間產(chǎn)生膠結(jié)作用，可以代替石灰、水泥等傳統(tǒng)材料固化天然土［7-8］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于針對(duì)固廢堿渣在道路工程領(lǐng)域的資源化利用進(jìn)行了研究：日本的Mitchell［9］將堿渣與粉煤灰拌合制成工程土進(jìn)行填海造路；何俊等［10］將堿渣作為固化劑，研究固化淤泥在干濕循環(huán)條件下的強(qiáng)度性質(zhì)；馬加驍?shù)龋?1］利用堿渣和粉煤灰為原料，制備液相填筑堿渣土；楊朝旭、陳永輝等［12，13］對(duì)堿渣作為改性劑或被改性材料在道路工程的應(yīng)用方面開(kāi)展了一系列研究；李慧等［14］提出利用堿渣代替部分石灰制備路面基層堿渣石灰土，3%堿渣摻量時(shí)堿渣石灰土7天 UCS高達(dá)2.76 MPa。堿渣制備和改良道路材料取得了眾多研究成果。

趙獻(xiàn)輝等［15］將堿渣和粉煤灰拌和制得堿渣土將其應(yīng)用于路堤材料；冀國(guó)棟等［16］通過(guò)X射線衍射和SEM電鏡掃描等室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粉煤灰能夠顯著改善堿渣的力學(xué)性能；研究表明，路用堿渣土由于不含石灰和水泥等膠凝材料，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性需要進(jìn)一步改良。基于上述研究背景，本文提出利用粉煤灰改良路基堿渣土力學(xué)性能技術(shù)思路，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試不同摻量粉煤灰對(duì)堿渣土不同齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）的影響規(guī)律，探索粉煤灰改良?jí)A渣土強(qiáng)度機(jī)理，為規(guī)模化再生利用固廢堿渣提供技術(shù)借鑒。

1 試驗(yàn)材料基本特性測(cè)試

1.1 粉煤灰

粉煤灰選自金牛煤礦附近電廠三級(jí)粉煤灰作為試樣制作材料，粉煤灰的粒徑大小不一，這些粒徑小的顆粒呈球形，表面較為光滑有較多的孔洞均勻分布著，局部有片狀結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的吸附能力。粉煤灰主要化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 堿渣

新鮮狀態(tài)下堿渣含水率高達(dá)90%，pH值為9.2，偏堿性塑性指數(shù)29.53。自然風(fēng)干后強(qiáng)度較低，UCS僅為0.2 MPa，承載能力較弱，故堿渣不適宜單獨(dú)作為工程土直接使用。堿渣的顆粒骨架多為粉粒和結(jié)晶良好的氧化物，結(jié)構(gòu)松散，具有一定程度膠體性質(zhì)，風(fēng)干堿渣的主要化學(xué)組成如表2所示。

1.3 土

試驗(yàn)用土來(lái)自淮安市金湖縣247省道試取土坑，沿線路基土土性以黏土為主，具有弱膨脹性，壓實(shí)性能不佳，不適合直接被用為路基填料，因此需采取添加其他穩(wěn)定材料的方法制成路基材料。對(duì)土進(jìn)行一系列的室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試其自然含水率為3.25%，液限為37％，塑限為19％，塑性指數(shù)為18，為

低液限黏土；干密度1.68 g/cm3，7天UCS 0.27 MPa。相較于堿渣，土顆粒之間連接更加緊密，孔隙主要分布于10～20 μm大顆粒周圍處。觀察土顆粒形成的團(tuán)聚體，綜合土顆粒篩分試驗(yàn)，土的粒徑主要為礫粒和砂粒，顆粒大小主要集中在0.002～0.000 5 mm之間。

2 試驗(yàn)方案與試樣制備

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

論文設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，研究粉煤灰摻量對(duì)堿渣土力學(xué)性能的影響規(guī)律，并優(yōu)化材料配合比。本次試驗(yàn)對(duì)照組堿渣與土干質(zhì)量比例固定為20%∶80%，粉煤灰摻量分別為0%、3%、6%、9%和12%，共設(shè)計(jì)5組試驗(yàn)，5組含水率設(shè)計(jì)為15%，A1組為對(duì)照組。測(cè)試試件在養(yǎng)護(hù)期分別為7天、28天的無(wú)測(cè)線抗壓強(qiáng)度，具體試驗(yàn)配比方案見(jiàn)表3。

2.2 試件制備

試驗(yàn)用水為去離子水，JTG-T-F 20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》要求每組試驗(yàn)材料在最佳含水率狀態(tài)下制作UCS試件，所以試驗(yàn)首先要通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)試A～E組堿渣土的最佳含水率與最大干密度。試驗(yàn)中所使用的土為細(xì)粒土，堿渣破碎后過(guò)2.36 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)。為了研究粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)堿渣石灰土材料UCS值的影響規(guī)律，選用A～E組試件7天、28天齡期的UCS值作為指標(biāo)。試驗(yàn)中所制作的標(biāo)準(zhǔn)試件為直徑50 mm、高50 mm的圓柱體；試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度20 ℃±1 ℃、濕度95%。在養(yǎng)生期的最后一天，將試件浸泡在水里，水深超過(guò)試件頂面大約2.5 cm。測(cè)試加載系統(tǒng)選用SANS-300型液壓試驗(yàn)機(jī)，采用應(yīng)力控制方式，加載速率1 kN/S，試件制備流程如圖1所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 強(qiáng)度影響規(guī)律分析

為了分析A～E組試件不同齡期UCS值，取每組3個(gè)試件UCS平均值作為測(cè)試結(jié)果，結(jié)果見(jiàn)表4。不同齡期與堿渣摻量條件下堿渣石灰土UCS測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

為了進(jìn)一步分析粉煤灰摻量對(duì)堿渣土強(qiáng)度的影響特征，繪制不同齡期堿渣粉煤灰土強(qiáng)度曲線如圖2所示。

（1）堿渣粉煤灰土試件7天UCS呈現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律，當(dāng)粉煤灰摻量為9%時(shí)UCS最大值為0.546 MPa，相較于對(duì)照組堿渣粉煤灰土UCS增幅高達(dá)43.68%，B～E組7天UCS平均增幅達(dá)30.85%。

（2）堿渣粉煤灰土試件28天UCS同樣呈現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律，當(dāng)堿渣摻量為9%時(shí)，堿渣粉煤灰土材料28天UCS最高，增幅高達(dá)48.13%， B～E組7天UCS平均增幅達(dá)31.91%。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明在堿渣土中摻入適量粉煤灰能夠有效提高材料UCS，但當(dāng)堿渣摻量超過(guò)一定比例時(shí)，堿渣粉煤灰土出現(xiàn)下降趨勢(shì)，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)要嚴(yán)格控制堿渣摻量。

3.2 強(qiáng)度增強(qiáng)機(jī)制

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明適量粉煤灰能夠顯著提高堿渣土材料強(qiáng)度，結(jié)合粉煤灰性質(zhì)及堿渣粉煤灰土強(qiáng)度形成機(jī)理，分析認(rèn)為粉煤灰增強(qiáng)堿渣土強(qiáng)度機(jī)制主要如下。

3.2.1 物理填充作用

研究指出類似水泥石灰土中存在填充增強(qiáng)作用［17］，堿渣粉煤灰土以土成分為主，試驗(yàn)中在堿渣土中添加一定量粉煤灰。SEM電鏡掃描顯示堿渣顆粒比土顆粒小得多，粉煤灰只具備潛在活性，一般不會(huì)產(chǎn)生自結(jié)現(xiàn)象［18］。玻璃珠狀粉煤灰在堿渣粉煤灰土體系主要起微集料充填效應(yīng)、顆粒形態(tài)效應(yīng)。在壓實(shí)作用下形成良好的密實(shí)級(jí)配體系，填充作用屬于物理作用，改變混合料顆粒級(jí)配而使得強(qiáng)度提高。

3.2.2 火山灰作用

粉煤灰主要成分為SiO2和Al2O3活性成分，摻入粉煤灰有效增加了體系中SiO2和Al2O3濃度，堿渣中含有一定量的CaO和Ca（OH）2，CaO與水生成Ca（OH）2，粉煤灰中SiO2和Al2O3與堿渣土中Ca（OH）2反應(yīng)生成含水的水化硅酸鈣（C-H-S）和水化鋁酸鈣（N-A-S-H）［19-20］等一系列膠凝物質(zhì)，反應(yīng)式見(jiàn)式（1）、式（2）。使得堿渣粉煤灰土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，從而有效提高材料強(qiáng)度。

mCa（OH）2+（n－1）H2O+SiO2→mCaO·SiO2·nH2O（C-S-H）（1）

mCa（OH）2+（n－1）H2O+Al2O3→mCaO·Al2O3·nH2O（C-A-H）（2）

4 結(jié)論

（1）粉煤灰中SiO2和Al2O3活性物質(zhì)含量高達(dá)80%，新鮮堿渣含水率高，pH值大。堿渣本身強(qiáng)度較低，承載能力較差，不適合單獨(dú)作為工程填墊材料使用。

（2）粉煤灰摻量在0%～12%范圍內(nèi)，堿渣粉煤灰土試件7天UCS和28天UCS均呈現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律。相比于對(duì)照組，粉煤灰摻量為9%時(shí)，堿渣粉煤灰土7天UCS和28天UCS增幅分別高達(dá)43.68%和48.13%，粉煤灰摻量超過(guò)一定量時(shí)堿渣粉煤灰土出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

（3）粉煤灰在堿渣粉煤灰土體系主要起微集料充填效應(yīng)、顆粒形態(tài)效應(yīng)。與此同時(shí)，適量粉煤灰與堿渣土中Ca（OH）2反應(yīng)生成含水的水化硅酸鈣（C-H-S）和水化鋁酸鈣（N-A-S-H）等膠凝物質(zhì)，使得堿渣粉煤灰土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，有效提高材料強(qiáng)度。

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［基金項(xiàng)目］江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202311049029Z）

［作者簡(jiǎn)介］李清（1986—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)工程。

［通信作者］唐伊婷（1999—），女，在讀碩士，研究方向?yàn)榈缆方ㄖ牧稀?/p>