隋淑梅，海 龍,，曾瑞萍

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 2.冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 054000)

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粉煤灰的路用土工性質(zhì)試驗(yàn)分析

隋淑梅1，海 龍1,2，曾瑞萍2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 2.冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 054000)

以阜新發(fā)電廠煤粉爐粉煤灰為研究對(duì)象，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了粉煤灰的路用土工性質(zhì)。該粉煤灰屬于含砂低液限粉土，級(jí)配不良；粉煤灰的比重為2.27，明顯低于一般粘土和砂土。在含水率18%～35%范圍內(nèi)均可獲得較為理想的壓實(shí)密度，表明粉煤灰擊實(shí)密度對(duì)含水率不是很敏感。該粉煤灰滲透性較強(qiáng)，遇水易崩解。粉煤灰壓縮系數(shù)小，因此路基填成后的沉降量也小，利于路基穩(wěn)定。粉煤灰的抗剪強(qiáng)度主要依賴于內(nèi)摩擦角，其內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)大于一般的粘土。粉煤灰的回彈模量E0值與粘土的回彈模量值差別不大。在相應(yīng)的壓實(shí)度條件下，該粉煤灰可用于下路堤填料、上路堤填料和下路床填料。

粉煤灰； 公路； 路基； 土工性質(zhì)

1 前 言

粉煤灰是燃煤電廠排出的一種具有火山灰活性、呈顆粒狀的微細(xì)工業(yè)固體廢棄物。目前我國(guó)燃煤電廠每年的排灰量約3億噸，如不加以利用，不僅制約電力工業(yè)發(fā)展，還占用大量土地，造成粉塵污染等環(huán)境問題[1-2]。目前，粉煤灰用于砂漿和混凝土制備的工藝已經(jīng)較為成熟[3-6]，也有將粉煤灰用于灌漿材料的報(bào)道[7]。另外，粉煤灰物理組織多孔，比表面積大，具有較高的吸附活性和吸收微波能量的特性，已作為良好的吸附劑和吸波材料，運(yùn)用在環(huán)境工程治理中[8]。然而，這些方面的用量相對(duì)于巨大的粉煤灰排量極其有限。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的公路工程量迅速發(fā)展。高等級(jí)公路的普遍特點(diǎn)是路基較高，路基取土與農(nóng)業(yè)爭(zhēng)地的矛盾日趨尖銳。利用粉煤灰來填筑路基，不失為解決上述問題的好辦法，加之公路需用的填料用量大，而粉煤灰又屬于輕質(zhì)材料，特別適用于軟土地區(qū)的路基填筑，對(duì)路基的穩(wěn)定有著重要意義，也是將粉煤灰變廢為寶的主要途徑[2,5-6]。不同地區(qū)、不同種類的粉煤灰性質(zhì)差異較大，這種差異使得不同粉煤灰的使用效果明顯不同[5-6,9]。國(guó)內(nèi)各地的試驗(yàn)研究表明粉煤灰和一般細(xì)顆粒土相比，具有自重輕、強(qiáng)度高、壓縮性小、固結(jié)快等特點(diǎn)。但粉煤灰粘聚力小、毛細(xì)水作用影響較大，則又對(duì)路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的不利影響[10]。因此，對(duì)粉煤灰的路用土工性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究十分必要，以發(fā)揮粉煤灰的優(yōu)勢(shì)，避免其不利因素，從而對(duì)路基設(shè)計(jì)、施工提出較為全面的技術(shù)方案提供幫助。

2 粉煤灰的基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)研究選用的粉煤灰為阜新發(fā)電廠煤粉爐粉煤灰，未經(jīng)任何破碎、篩分等處理，顏色為暗灰色。

2.1 粉煤灰的顆粒組成

顆粒分析按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[11]的要求進(jìn)行試驗(yàn)(本文的其余試驗(yàn)方法均按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》要求進(jìn)行)，對(duì)于粒徑大于0.075mm的粉煤灰顆粒用篩分試驗(yàn)來測(cè)定，對(duì)粒徑小于0.075mm的粉煤灰顆粒用密度計(jì)法測(cè)定。

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，粉煤灰顆粒分布曲線如圖1所示。

表1 阜新發(fā)電廠粉煤灰細(xì)篩分析表

圖1 阜新發(fā)電廠粉煤灰顆粒分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of fly ash in Fuxin power plant

2.2 粉煤灰的比重

因粉煤灰顆粒較細(xì)，采用比重瓶法測(cè)定粉煤灰的比重。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

一般砂土的平均比重為2.65，輕亞粘土2.70，亞粘土2.71，粘土2.74。從表中數(shù)據(jù)可以看出，粉煤灰的比重為2.27，明顯低于一般粘土和砂土。粉煤灰質(zhì)輕的主要原因是部分粉煤灰顆粒的中空結(jié)構(gòu)。另外，粉煤灰中含有碳顆粒(比重1.3)也是粉煤灰比重較小的一個(gè)因素。

表2 阜新發(fā)電廠粉煤灰的比重測(cè)試結(jié)果

2.3 粉煤灰的最大干密度

用擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定粉煤灰的干密度和含水率的關(guān)系，從而確定最大干密度和相應(yīng)的最佳含水率。試樣制備分為干法和濕法兩種，根據(jù)路基工程的實(shí)際，本次試驗(yàn)中采用干法制備試樣。本次試驗(yàn)采用重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)。

試驗(yàn)得出粉煤灰的干密度與含水率的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 粉煤灰擊實(shí)曲線Fig.2 Compaction curve of fly ash

由試驗(yàn)結(jié)果可見粉煤灰和一般土一樣都存在最佳含水率所對(duì)應(yīng)的最大干密度。粉煤灰的最佳含水率為25%，最大干密度為1.3075g/cm3。粉煤灰的擊實(shí)特性具有典型的非粘性土特征，在含水率18%～35%范圍內(nèi)均可獲得較為理想的壓實(shí)密度，表明粉煤灰擊實(shí)密度對(duì)含水率不是很敏感。

3 粉煤灰的水理性質(zhì)

3.1 粉煤灰的毛細(xì)性

測(cè)定土的毛細(xì)水上升高度和速度，可用于估計(jì)地下水位升高時(shí)路基被浸濕的可能性和浸濕的程度。結(jié)合道路工程的特點(diǎn)，按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[11]的要求，采用直接觀測(cè)法分析粉煤灰的毛細(xì)性。

粉煤灰中毛細(xì)水的上升高度與灰體密實(shí)程度及密封狀況有關(guān)。壓實(shí)度越小，毛細(xì)水上升高度越大?；殷w上部密封情況下，毛細(xì)水上升的高度比不密封情況下要低。當(dāng)灰體上部密封，壓實(shí)度在90%左右時(shí)，灰體中毛細(xì)水上升高度可達(dá)60～80cm。

壓實(shí)后的粉煤灰中水分的分布規(guī)律是：在毛細(xì)水上升高度以下時(shí)，灰體含水率都超過其壓實(shí)成型時(shí)的含水率，并且是由下至上逐漸減小。在毛細(xì)水上升高度以上，灰體則基本保持成型時(shí)的含水率。因此，在有水源的情況下，毛細(xì)水上升高度之上的粉煤灰毛細(xì)吸水能力較強(qiáng)。

3.2 粉煤灰的濕化

濕化是土的水敏感特征的重要表現(xiàn)。濕化試驗(yàn)的目的是測(cè)定粉煤灰土體在水中的崩解速度，作為濕法填筑路基的標(biāo)準(zhǔn)之一。

按《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[13]的要求，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果，以93%壓實(shí)度制備粉煤灰土樣進(jìn)行試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)歷時(shí)2min，試樣剛放下時(shí)水槽有氣泡冒出，水變得十分渾濁，接近2min時(shí)立方體棱角處有明顯的塌落，隨后突然全部崩解，崩解量為100%?？梢姺勖夯茵そY(jié)能力差、遇水易崩解，這就可以解釋未經(jīng)防護(hù)的粉煤灰路基易形成較大沖溝，造成表層滑坡和局部溜坍。

4 粉煤灰的力學(xué)性質(zhì)

4.1 粉煤灰的透水性

根據(jù)顆粒分析試驗(yàn)，本項(xiàng)目中的粉煤灰均屬細(xì)粒土，按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[11]的要求，采用變水頭滲透試驗(yàn)研究粉煤灰的透水性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3和圖3所示。

表3 粉煤灰滲透系數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系表Table 3 Relation table between penetration coefficient and degree of compaction of fly ash

圖3 粉煤灰滲透系數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve between penetration coefficient and degree of compaction of fly ash

粉煤灰的滲透系數(shù)k值較大，說明其透水性相對(duì)較大。粉煤灰的滲透性能和壓實(shí)度有關(guān)，壓實(shí)度越大，滲透性越差。當(dāng)壓實(shí)度為96%時(shí)，粉煤灰滲透系數(shù)降低到1.8×10-4cm/s，介于粉質(zhì)砂土(6×10-4～1×10-3cm/s)和亞粘土(6×10-6～1×10-4cm/s)之間。

4.2 粉煤灰的壓縮特性

按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[11]的要求進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果，按照93%的壓實(shí)度、最佳含水率25%制備試樣，試驗(yàn)后測(cè)得真實(shí)含水率為23.7%?？紫侗扰c壓力的關(guān)系如圖4所示。

圖4 真實(shí)含水率為23.7%時(shí)孔隙比與壓力之間的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between Void ratio and pressure when the true moisture content is 23.7%

土的壓縮系數(shù)不是常數(shù)，它隨初始?jí)毫1和壓力增量(p1-p2)而變化，為了判斷和比較土的壓縮性，并考慮到土基礎(chǔ)通常受到的壓力大小，實(shí)用上采用p1=100kPa和p2=200kPa，根據(jù)土的室內(nèi)壓縮試驗(yàn)孔隙比與壓力的曲線(e～p)來確定土的壓縮系數(shù)a1-2，根據(jù)a1-2來評(píng)價(jià)土的壓縮性大小。粉煤灰壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰的壓縮系數(shù)a1-2為0.114MPa-1，而一般土的壓縮系數(shù)a1-2為0.24MPa-1。粉煤灰屬于粉質(zhì)土，灰體本身呈蜂窩結(jié)構(gòu)，但顆粒本身變形很小。壓縮時(shí)顆粒內(nèi)部的水和氣不易排出，所以盡管粉煤灰的比重較小，但其壓縮性不是很大。由于壓縮系數(shù)小，路基填成后的沉降量也小，即在同等條件下，粉煤灰路基沉降變形將小于土質(zhì)路基，更易于穩(wěn)定。

4.3 粉煤灰的抗剪強(qiáng)度特性

在地基承載力、土坡和路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是最重要的基本力學(xué)參數(shù)。在不同的含水狀態(tài)下，土體的抗剪強(qiáng)度存在顯著差異[14-15]。土的剪切強(qiáng)度通過粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值來表征。對(duì)同一種土，即使在同一法向壓力下，由于剪切前試樣的固結(jié)過程和剪切試樣的排水條件不同，其強(qiáng)度指標(biāo)也是各異的。按剪切前的固結(jié)過程、剪切時(shí)的排水條件以及加載快慢情況，直剪試驗(yàn)分為快剪，固結(jié)快剪和慢剪三種試驗(yàn)方法。

粉煤灰的滲透系數(shù)較大，本次試驗(yàn)采用固結(jié)快剪試驗(yàn)。另外，土的抗剪強(qiáng)度還受干密度的影響，對(duì)于路基工程，土的結(jié)構(gòu)和密度在局部范圍不會(huì)有太大變化，根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[9]中對(duì)粉煤灰壓實(shí)度的要求，試驗(yàn)選用93%的壓實(shí)度制樣。含水率分別取為10%，15%，20%，25%和飽和狀態(tài)。

試驗(yàn)得出93%壓實(shí)度下不同含水率時(shí)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表4所示。

1）需要提高藏族大學(xué)生對(duì)元認(rèn)知策略重要性的認(rèn)識(shí)。元認(rèn)知策略是更高級(jí)別的策略，它是使用認(rèn)知策略和社會(huì)情感策略的基礎(chǔ)。語言學(xué)習(xí)者應(yīng)該根據(jù)自身的情況和特點(diǎn)對(duì)英語聽力學(xué)習(xí)進(jìn)行合理的規(guī)劃安排，選擇合適自己水平的聽力材料來練習(xí)，針對(duì)自己的聽力薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)加強(qiáng)練習(xí)并評(píng)估自己的聽力學(xué)習(xí)方法，找出自己所存在的問題和解決方案。

表4 粉煤灰93%壓實(shí)度下不同含水率的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 4 Shear strength index of fly ash under different moisture content when the degree of compaction is 93%

當(dāng)粉煤灰在飽和含水率條件下，粘聚力降低為零，這一點(diǎn)和粘土相似。但是在其他相同含水率條件下，粘土的c值比粉煤灰要高得多。因此，粉煤灰的抗剪強(qiáng)度主要依賴于內(nèi)摩擦角φ值，這一點(diǎn)又和細(xì)砂土的性質(zhì)相似。

可見，在各種含水率條件下，粉煤灰的粘聚力c值均較小，而內(nèi)摩擦角φ值均較大，粉煤灰的抗剪強(qiáng)度主要依靠?jī)?nèi)摩擦角φ的貢獻(xiàn)。隨著含水率的提高，粉煤灰的粘聚力c呈減小趨勢(shì)，當(dāng)粉煤灰含水率達(dá)飽和后，粘聚力完全被破壞，這一點(diǎn)和粘土相似。

隨著含水率的提高，內(nèi)摩擦角φ也呈減小趨勢(shì)，但減小幅度不大。無論含水量如何變化，在相同含水率條件下，粉煤灰的φ值均高于一般粘土。

因?yàn)榉勖夯业目辜魪?qiáng)度主要依靠?jī)?nèi)摩擦角φ的貢獻(xiàn)，本次試驗(yàn)給出內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線如下：對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得到壓實(shí)度為93%條件下粉煤灰內(nèi)摩擦角φ與含水率x的函數(shù)關(guān)系為：

φ=A+Be(-x/t)

其中，A=38.66955；B=11.38231；t=14.8749。

圖5 粉煤灰內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系圖Fig.5 Relation curve between the internal friction angle and moisture content of fly ash

4.4 粉煤灰的回彈模量

回彈模量E0值是路基強(qiáng)度的常用指標(biāo)，用來表征材料抵抗垂直變形的能力。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的要求，采用干土法(土不重復(fù)使用)，按四分法準(zhǔn)備5份土樣，分別加入不同水分(按2%～3%含水率遞增)，拌勻后悶料一夜。根據(jù)公路工程的實(shí)際情況選擇重型擊實(shí)法，按照最佳含水率25%，取壓實(shí)度為95%制備試件。試驗(yàn)后測(cè)得試樣的干密度為1.23g/cm3，與預(yù)定95%的壓實(shí)度基本吻合。試驗(yàn)結(jié)果見表5所示。

表5 回彈模量試驗(yàn)結(jié)果表

該試件回彈模量的大小范圍是31MPa～37MPa。需要說明的是，粉煤灰的回彈模量與其壓實(shí)度和含水率均有一定關(guān)系?？子窭16]研究了鐵阜高速公路K147+100～K147+260、K147+360～K147+700兩段路基挖方的“強(qiáng)風(fēng)化粘土礦”和“全風(fēng)化粘土礦”的回彈模量，得出：對(duì)于“強(qiáng)風(fēng)化粘土礦”，在壓實(shí)度為93%時(shí)，回彈模量為49MPa；壓實(shí)度為96%時(shí)，回彈模量為54MPa。對(duì)于“全風(fēng)化粘土礦”，在壓實(shí)度為93%時(shí)，回彈模量為21MPa；壓實(shí)度為96%時(shí)，回彈模量為34MPa。對(duì)比本研究的粉煤灰的回彈模量，可見粉煤灰的回彈模量與其他學(xué)者得到的阜新地區(qū)粘土的回彈模量值差別不是很大。

4.5 粉煤灰的承載比

根據(jù)上述擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果，在最佳含水率25%的條件下，在承載比試筒內(nèi)按照《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[9]要求的路基不同部分的壓實(shí)度94%、96%、97%制備試件。由承載比試驗(yàn)得到的阜新發(fā)電廠粉煤灰在最佳含水率、不同壓實(shí)度條件下的承載比試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 粉煤灰在最佳含水率、不同壓實(shí)度條件下的承載比Table 6 Fly ash’s CBR value table under the optimum moisture content and different degree of compation

表中所列承載比標(biāo)準(zhǔn)為《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[9]中所要求的高速公路、一級(jí)公路的承載比標(biāo)準(zhǔn)值?？梢姡?dāng)壓實(shí)度為94%時(shí)，該粉煤灰可以作為下路堤填料；當(dāng)壓實(shí)度為96%時(shí)，該粉煤灰可以作為上路堤填料；當(dāng)壓實(shí)度為97%時(shí)，該粉煤灰可以作為下路床填料。

5 結(jié) 論

以阜新發(fā)電廠煤粉爐粉煤灰為研究對(duì)象，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了粉煤灰的路用土工性質(zhì)，以期為實(shí)際公路路基工程提供科學(xué)依據(jù)。研究得出的結(jié)論如下：

1.該粉煤灰呈暗灰色，屬于含砂低液限粉土，級(jí)配不良。粉煤灰的比重為2.27，明顯低于一般粘土和砂土。

2.粉煤灰和一般土一樣都存在最佳含水率所對(duì)應(yīng)的最大干密度。其最佳含水率為25%，最大干密度為1.3075g/cm3。粉煤灰的擊實(shí)特性與粘性土不同，具有典型的非粘性土特征，在含水率18%～35%范圍內(nèi)均可獲得較為理想的壓實(shí)密度，表明粉煤灰擊實(shí)密度對(duì)含水率不是很敏感。

3.壓實(shí)度在90%左右時(shí)，粉煤灰體中毛細(xì)水上升高度可達(dá)60～80cm，毛細(xì)水作用較為強(qiáng)烈。粉煤灰黏結(jié)能力差、遇水易崩解。

4.粉煤灰的透水性相對(duì)較大。其滲透性能還和壓實(shí)度有關(guān)，隨著壓實(shí)度提高，滲透性降低。

5.盡管粉煤灰的比重較小，但其壓縮性不是很大。由于壓縮系數(shù)小，路基填成后的沉降量也會(huì)較小，即在同等條件下，粉煤灰路基沉降變形將小于土質(zhì)路基，更易于穩(wěn)定。

6.在各種含水率條件下，粉煤灰的粘聚力c值均較小，而內(nèi)摩擦角φ值均較大，粉煤灰的抗剪強(qiáng)度主要依靠?jī)?nèi)摩擦角φ的貢獻(xiàn)。隨著含水率的提高，粉煤灰的粘聚力c呈減小趨勢(shì)，當(dāng)粉煤灰的含水率達(dá)飽和后，粘聚力減小為零。隨著含水率的提高，內(nèi)摩擦角φ也呈減小趨勢(shì)，但減小幅度不大。無論含水量如何變化，在相同含水率條件下，粉煤灰的φ值均高于一般粘土。

7.粉煤灰的回彈模量E0值與粘土的回彈模量值差別不大。

8.在相應(yīng)的壓實(shí)度條件下，該粉煤灰可用于高等級(jí)公路下路堤填料、上路堤填料和下路床填料。

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Test Analysis of the Fly Ash’s Geotechnical Properties for Road Use

HAI Long1， SUI Shumei1,2， ZENG Ruiping2

(1.School of Mechanics & Engineering, Liaoning University, Fuxin 12300, China; 2.Jizhong Energy Resources Co. Ltd., Xingtai 054000, China)

Laboratory tests were carried out on the geotechnical properties for road used fly ash in Fuxin Power plant. The fly ash was bearing sand silt of low liquid limit and poorly graded soil. Its specific gravity was 2.27 which lower than the normal clay and sandy soil. When the moisture content of fly ash at the range of 18%～35%, the comparatively ideal compacted density can be achieved, which show that the hit-solid density of the fly ash is not sensitive to water content. The fly ash has a stronger permeability and an easier pulverization whenever it comes across water. Because the compressibility of fly ash is small, the settlement of the subgrade filler also becomes small, which benefits the stability of the subgrade. The shear strength of the fly ash depends mainly on internal friction angle which is usually much higher than normal clays. The fly ash’s modulus of resilience E0is slightly differentfrom the normal clay. Under the corresponding compaction, the fly ash can be applied to upper embankment、lower embankment、lower road bed.

fly ash； road； subgrade； geotechnical properties

1673-2812(2017)02-0278-06

2015-11-06；

2016-03-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50974070，51474120)

隋淑梅(1979-)，女，黑龍江大慶人，博士，講師，主要從事礦山災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治方面、工業(yè)固體廢棄物綜合利用方面的研究工作。E-mail:hailong8901@163.com。

TU 411

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.022