不同摻量的粉煤灰對(duì)水泥土力學(xué)性能的影響

任素琴

摘要：為了研究粉煤灰摻量對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，對(duì)4組不同摻量的粉煤灰進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并在水泥摻量和粉煤灰摻量均為9%的試樣中摻入不同粒徑的天然鵝卵石和破碎花崗巖，分析摻粉煤灰水泥土與礫石的聯(lián)合作用。結(jié)果表明：隨著粉煤灰摻量增大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大；當(dāng)粉煤灰摻量高于水泥摻量，強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯；摻礫試樣抗壓強(qiáng)度大于未摻礫試樣強(qiáng)度，且摻入天然鵝卵石試樣比摻人工破碎灰?guī)r強(qiáng)度低。

關(guān)鍵詞：水泥土；粉煤灰；礫石；摻量

中圖分類號(hào)：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to study the effect of fly ash content on the strength of cemented soil， the unconfined compressive strength tests were carried out on four sets of fly ash with different contents. The pebbles and crushed granite with different grain sizes were added to the samples that contain 9% of cement and 9% of fly ash to analyze the combined effect of cemented soil mixed with fly ash and gravel. The results show that with the increase of fly ash content， unconfined compressive strength increases； when the amount of fly ash is higher than the cement， the strength growth is not obvious； the compressive strength of gravel sample is greater than that of unbonded sample， and the strength of sample mixed with pebbles is lower than that with artificially crushed limestone.

Key words： cement soil； fly ash； gravel； content

0引言

粉煤灰在各項(xiàng)工程中被再利用，不但降低了工程造價(jià)，還對(duì)節(jié)約土地和環(huán)境保護(hù)也非常有意義。水泥土作為填方路基材料的一種，在摻入適當(dāng)比例的粉煤灰后，不僅能夠增加土體的強(qiáng)度，而且對(duì)路基的穩(wěn)定性也有一定的提高[1]。黃麗娟、邵俐等研究了粉煤灰摻量對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，認(rèn)為粉煤灰活性的發(fā)揮受水泥和粉煤灰的摻入量以及齡期的影響；裴向軍等研究了活化粉煤灰對(duì)高礦化度水泥土膨脹抑制作用，結(jié)果表明活化粉煤灰能有效抑制水泥土的膨脹破壞；臺(tái)佳佳等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)認(rèn)為在水泥土中摻入粉煤灰不僅能提高水泥土的強(qiáng)度而且對(duì)其耐蝕性也有積極的影響[25]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)摻粉煤灰水泥土研究較全面，但綜合考慮水泥摻量與粉煤灰摻量的系統(tǒng)研究，礫石對(duì)摻粉煤灰水泥土的影響的研究卻較少。本文進(jìn)行了不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，對(duì)不同水泥摻量的粉煤灰水泥土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析水泥摻量、粉煤灰摻量和齡期對(duì)其強(qiáng)度特性的影響。此外，在水泥摻量和粉煤灰摻量均為9%的試樣中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的不同粒徑的天然鵝卵石和人工破碎花崗巖，研究礫石對(duì)摻粉煤灰水泥土的影響作用。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料

不同摻量下的粉煤灰水泥土是由黏土、水泥、粉煤灰、礫石和水以不同的比例混合而成。黏土由高嶺石、蒙脫石和伊利石等礦物組成，比重為2.75，液限為47.4%，塑限為24.1%。水泥為普通硅酸鹽水泥，約占總質(zhì)量的10%～15%，強(qiáng)度等級(jí)為32.5，細(xì)度（80 μm）78%，初凝時(shí)間為320 min。粉煤灰主要礦物成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO，質(zhì)量百分比分別為641%、5745%、2128%、1350%、136%，密度ρ為2.11 g·cm-3，摻水比分例為108%，燒失量為2.19%，鵝卵石和花崗巖比重分別為2.62%和2.67%。試驗(yàn)用水均采用實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

1.2試驗(yàn)步驟

在室外取一定量的天然土烘干、碾碎，并摻入水泥含量分別為6%、9%、12%和15%的4組試樣，再在上述4組混合料中分別摻入6%、9%、12%和15%的粉煤灰，水灰比為085。試樣用砂漿攪拌機(jī)拌和均勻后，注入模具內(nèi)。模具尺寸為Φ110 mm×225 mm，搗實(shí)后覆蓋，24 h后脫模；脫模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7、28、90 d。此外，為研究摻粉煤灰與礫石的聯(lián)合作用對(duì)水泥土的影響，在水泥和粉煤灰摻量均為9%的試件中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的天然鵝卵石和人工破碎花崗巖。其中天然鵝卵石的粒徑為5～10 mm，人工破碎花崗巖粒徑分為3種2～5 mm、5～10 mm和10～20 mm。對(duì)摻入礫粒徑為5～10 mm的試樣組在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7、28、90 d，其余2組摻礫試樣養(yǎng)護(hù)28 d，具體試驗(yàn)方案如表1所示。試樣養(yǎng)護(hù)達(dá)到規(guī)定齡期后，采用應(yīng)變式無(wú)側(cè)限壓縮儀進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，剪切速率為132 mm·min-1。本次試驗(yàn)采用6%作為水泥起始摻量，主要是由于水泥摻量低于5%時(shí)，難以形成水泥石骨架，水泥水化物與土顆粒離子交換反應(yīng)也難以充分進(jìn)行。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1粉煤灰對(duì)水泥土強(qiáng)度變化規(guī)律的影響

為了研究不同粉煤灰摻量對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)摻量不同的4種水泥土分別摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、9%、12%和15%粉煤灰，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，取峰值強(qiáng)度為其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，粉煤灰的摻入量對(duì)7 d和28 d齡期的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響不大，試樣強(qiáng)度主要受水泥的摻入量影響。隨著水泥摻量的增大，試樣抗壓強(qiáng)度增大；90 d齡期時(shí)，粉煤灰的摻量對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響明顯，試樣強(qiáng)度受水泥摻量與粉煤灰摻量共同影響；當(dāng)粉煤灰摻量小于水泥摻量時(shí)，相同水泥摻量試樣隨粉煤灰摻量的增多強(qiáng)度增大，且近似呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)粉煤灰摻量大于水泥摻量時(shí)，隨粉煤灰摻量的增多，試樣強(qiáng)度增大不明顯，近似保持不變[610]。摻入粉煤灰的水泥土后期強(qiáng)度明顯增長(zhǎng)的原因有：部分消耗于與土中酸中和的水泥，被粉煤灰中的SiO2和Al2O3與Ca（OH）2反應(yīng)所生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣部分補(bǔ)償；粉煤灰中大量存在的CaO，能激化水泥與酸溶液接觸后形成吸附層，提高了水泥水化的進(jìn)程[1115]。同時(shí)，粉煤灰對(duì)水泥熟料具有分散作用，減少有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥水化的阻礙[1618]。

2.2齡期對(duì)摻入粉煤灰水泥土的影響

為分析齡期對(duì)摻入粉煤灰的水泥土的影響，以粉煤灰摻量為9%的試樣為例，繪制不同水泥摻量的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，在試驗(yàn)齡期內(nèi)，隨齡期的增長(zhǎng)，試樣抗壓強(qiáng)度增大，且前期增長(zhǎng)迅速，后期增長(zhǎng)相對(duì)緩慢；隨水泥摻量的增加，摻入粉煤灰水泥土抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系曲線斜率越大，即隨齡期的增長(zhǎng)，試樣抗壓強(qiáng)度增大越迅速。

2.3摻入礫石試樣試驗(yàn)結(jié)果及分析

為研究摻粉煤灰水泥土與礫石的聯(lián)合作用，探討母巖性質(zhì)與摻礫粒徑對(duì)摻粉煤灰水泥土試樣抗壓強(qiáng)度的影響，分別在水泥摻量和粉煤灰摻量均為9%的試樣中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的天然鵝卵石和人工破碎的花崗巖。鵝卵石粒徑為5～10 mm，人工破碎花崗巖粒徑分為3種，分別為2～5 mm、5～10 mm和10～20 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖3、4所示。圖3為摻入鵝卵石和摻入人工破碎花崗巖試樣抗壓強(qiáng)度隨齡期變化的對(duì)比關(guān)系曲線，其中摻礫粒徑均為5～10 mm；圖4為摻入礫石粒徑不同的3種花崗巖試樣的抗壓強(qiáng)度與摻礫粒徑的關(guān)系曲線。

由圖3可知，由于礫石的骨架作用，與未摻礫石試樣相比，摻礫試樣抗壓強(qiáng)度增大，且與齡期有關(guān)。在齡期為7 d時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度增大，但不明顯；在齡期為28、90 d時(shí)，摻入礫試樣抗壓強(qiáng)度明顯高于未摻礫試樣。摻礫試樣強(qiáng)度與摻礫母巖性質(zhì)有關(guān)，摻人工破碎花崗巖試樣抗壓強(qiáng)度高于摻鵝卵石試樣，這主要是由于人工破碎的花崗巖棱角具有齒合作用，且?guī)r石表面粗糙與水泥土黏結(jié)力更強(qiáng)[1920]。

由圖4可知，隨摻礫粒徑增大，摻礫試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小。這主要是由于：摻礫粒徑為2～5 mm，且摻量相同時(shí)，礫石表面積大，試驗(yàn)摻灰量較少，可能存在礫石表面未完全被膠凝材料完全包裹，故而抗壓強(qiáng)度較低。礫石與摻粉煤灰水泥土之間結(jié)合力主要為范德華力。在礫石摻粉煤灰水泥土之間存在界面過(guò)渡區(qū)（ITZ），存在大量微小裂縫，并隨摻礫粒徑增大，微小裂縫越多。而試樣水化過(guò)程中，礫石表面可能會(huì)形成水膜，粒徑越大，水膜越厚，容易在礫石底部形成明顯的薄弱區(qū)。由于試驗(yàn)儀器限制，考慮到尺寸效應(yīng)的影響，本次試驗(yàn)中礫石最大粒徑為20 mm，摻礫試樣也僅有3組，未能進(jìn)行摻礫粒徑對(duì)摻粉煤灰水泥土強(qiáng)度特性影響規(guī)律的研究。今后可考慮摻入更大粒徑礫石，以探討摻礫粒徑對(duì)摻粉煤灰水泥土強(qiáng)度特性的影響。

3結(jié)語(yǔ)

本文研究了在水泥摻量分別為6%、9%、12%和15%的條件下?lián)饺胭|(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%、9%、12%和15%的粉煤灰，并對(duì)其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析研究。此外，在水泥摻量和粉煤灰摻量均為9%的試樣中分別摻入不同粒徑的鵝卵石和人工破碎花崗巖，研究了摻粉煤灰水泥土與礫石的聯(lián)合作用，主要結(jié)論如下。

（1）齡期為7 d和28 d時(shí)，粉煤灰摻量對(duì)試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響不大，試樣強(qiáng)度主要受水泥摻量的影響，隨著水泥摻量的增大，試樣抗壓強(qiáng)度增大。

（2）在90 d齡期時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度受粉煤灰摻量與水泥摻量共同影響。對(duì)同樣水泥摻量試樣比較，隨粉煤灰摻量增大，試樣抗壓強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)；且粉煤灰摻量小于水泥摻量時(shí)，增大明顯；而粉煤灰摻量大于水泥摻量時(shí)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。

（3）摻入礫石能明顯提高摻粉煤灰水泥土的抗壓強(qiáng)度，且與摻入礫石的母巖性質(zhì)有關(guān)，摻入人工破碎的花崗巖試樣抗壓強(qiáng)度高于摻入鵝卵石試樣。

（4）摻礫試樣抗壓強(qiáng)度與摻礫粒徑大小有關(guān)。隨摻礫粒徑增大，試樣抗壓強(qiáng)度先增大后減小。受限于試驗(yàn)儀器尺寸，本次試驗(yàn)摻礫最大粒徑為20 mm，摻礫粒徑大小對(duì)摻粉煤灰水泥土的抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律并不明顯，有待進(jìn)一步補(bǔ)充。

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