粉煤灰改良花崗巖殘積土試驗(yàn)研究

劉 勝,陳志波,陳偉文,韋 毅

(國土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院； 地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心,福建 福州 350116)

0 引言

花崗巖殘積土在我國南方分布廣泛,而且厚度較大,是受特定氣候、地理和地質(zhì)環(huán)境影響形成的具有特殊成分和結(jié)構(gòu)特征的特殊土,具有一定的區(qū)域性[1]. 花崗巖殘積土擾動后易喪失結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2],透水性大且花崗巖殘積土具有軟化及崩解特性,因此其工程性質(zhì)較差,為提高其工程特性,可采用石灰、水泥等材料來改善.

粉煤灰作為電廠燃燒產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品,排放量逐年增加,加大了環(huán)境的污染. 因此,在粉煤灰的合理應(yīng)用方面不少學(xué)者進(jìn)行了較多的研究[3-10]. 粉煤灰具有一定的活性,可作為改性材料,達(dá)到改變土體不良工程性質(zhì)的目的.

在工程領(lǐng)域,粉煤灰雖得到廣泛應(yīng)用,但在花崗巖殘積土改性方面應(yīng)用較少. 本文以粉煤灰為摻合料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石灰、水泥等進(jìn)行未過篩的花崗巖殘積土改良試驗(yàn),研究花崗巖殘積土中摻入粉煤灰對花崗巖殘積土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、滲透性及水穩(wěn)定性的影響. 同時(shí)還探討?zhàn)B護(hù)齡期對摻,粉煤灰花崗巖殘積土的影響,以期指導(dǎo)工程實(shí)踐.

1 試驗(yàn)土樣與方案

1.1 試驗(yàn)土料

試驗(yàn)土料為花崗巖殘積土摻入定量粉煤灰而形成的混合土料(本文簡稱為改良土).

1.1.1 粉煤灰

試驗(yàn)中所用的粉煤灰料來自河南鞏義豫聯(lián)電廠. 該電廠的粉煤灰具有顆粒細(xì)、比重小,呈粉末狀,孔洞多等特性,其主要成分為硅、鐵、鋁、鈉等元素的氧化物,其物質(zhì)成分性質(zhì)指標(biāo)見表1.

表1 粉煤灰性能指標(biāo)

1.1.2 花崗巖殘積土

試驗(yàn)所需花崗巖殘積土料取自福州某一邊坡治理工程,其基本物理性質(zhì)如表2所示. 顆粒的級配分布范圍如表3所示,其中粒徑大于0.5 mm的粗砂含量達(dá)到42.5%,而粗顆粒(>0.075 mm)含量達(dá)到59.6%,呈現(xiàn)粗、細(xì)顆粒均較多的兩極分布特征.

表2 土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

表3 土樣粒徑分布

1.2 試驗(yàn)方案

粉煤灰改良花崗巖殘積土采用粉煤灰摻量為設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),粉煤灰摻量定義為粉煤灰占?xì)埛e土質(zhì)量的百分比,用字母a表示[11]. 粉煤灰摻量分別為0%、5%、10%、15%和20%,相應(yīng)的粉煤灰與殘積土土樣的質(zhì)量比分別為0%、5%、10%、15%和20%.

1.2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀器,其中擊實(shí)儀尺寸φ=102 mm×116 mm,擊實(shí)錘為2.5 kg,分3層擊實(shí),每層25擊,單位體積擊實(shí)功約為592.2 kJ·m-3 [12]. 根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果得到上述各摻量下混合土料的最大干密度(ρd max),其余3種試驗(yàn)的制樣干密度以測得的最大干密度乘以0.95； 制樣時(shí),控制其含水率為最優(yōu)含水率. 制得的試樣經(jīng)密封后在濕度≥90%、溫度為(20±2)℃的標(biāo)準(zhǔn)條件下分別養(yǎng)護(hù)1、7、14和28 d.

1.2.2 直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)儀器為南京土壤儀器廠制造的ZJ型三速電動等應(yīng)變直剪儀. 直剪試驗(yàn)尺寸采用φ=61.8 mm×20 mm,采用快剪試驗(yàn),每次試驗(yàn)的軸向壓力為100、200、300、400 kPa[13].

1.2.3 滲透試驗(yàn)

滲透試驗(yàn)儀器為TST-55型滲透儀,為變水頭滲透試驗(yàn),對試驗(yàn)試樣進(jìn)行滲透系數(shù)測定. 滲透試驗(yàn)尺寸為φ=61.8 mm×40 mm,一種試樣具有不同的養(yǎng)護(hù)齡期,達(dá)到齡期后,測定該試樣的滲透系數(shù).

1.2.4 濕化試驗(yàn)

圖1 土壤濕化試驗(yàn)儀Fig.1 Soil wetting tester

濕化試驗(yàn)主要通過試樣的水穩(wěn)定性來體現(xiàn),水穩(wěn)定性一般通過測定土體浸入水中之后的崩解情況來確定[14],其中濕化試驗(yàn)的尺寸為φ=61.8 mm×40 mm,參考公路土工試驗(yàn)規(guī)程中濕化試驗(yàn)方法[13],所采用的濕化試驗(yàn)儀(如圖1)用于改良土試樣的崩解試驗(yàn)研究,試驗(yàn)所測得的崩解率如下式.

(1)

式中：Bc為未放試樣時(shí)浮筒與水面相平讀數(shù),B0為試驗(yàn)開始(即t=0)時(shí)浮筒與水面相平讀數(shù),Bt為t時(shí)刻時(shí)浮筒與水面相平讀數(shù),At為t時(shí)刻的崩解率.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)成果分析

圖2為各粉煤灰摻量下花崗巖殘積土的擊實(shí)曲線. 根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果,整理得到花崗巖殘積土的粉煤灰摻量與最大干密度和最優(yōu)含水率的關(guān)系曲線,見圖3.

圖2 各粉煤灰摻量下花崗巖殘積土的擊實(shí)曲線Fig.2 The compaction curves of dispersive granite residual soilmodified with fly

圖3 粉煤灰摻量與最優(yōu)含水率和最大干密度關(guān)系曲線Fig.3 The relation curves of mixed fly ash and the ρd max and wop

由圖3可看出： 在本試驗(yàn)研究范圍內(nèi),當(dāng)花崗巖殘積土中的粉煤灰摻量增加時(shí),最大干密度與最優(yōu)含水率均發(fā)生了明顯變化. 最大干密度在數(shù)值上呈增長趨勢,而最優(yōu)含水率呈遞減趨勢； 粉煤灰摻量為20%時(shí),摻合后土體的最大干密度比未摻合的花崗巖殘積土提高約4%,而最優(yōu)含水率卻降低了10%以上. 當(dāng)花崗巖殘積土中加入少量的粉煤灰后,其整體密度得到提高,達(dá)到施工要求密度的需水量也大大降低. 造成上述試驗(yàn)現(xiàn)象的原因可能是由于粉煤灰的粒徑較細(xì),花崗巖殘積土的粒徑呈現(xiàn)“兩頭大中間小”,顆粒之間孔隙較大,摻入一定量的粉煤灰填充大顆粒之間的孔隙,同時(shí)反映出粉煤灰顆粒相對于花崗巖殘積土的親水性較差. 在花崗巖殘積土中摻入粉煤灰后,殘積土可在較小的含水率下通過壓實(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

2.2 直剪試驗(yàn)成果分析

圖4、圖5為不同養(yǎng)護(hù)齡期的改良土的粘聚力、內(nèi)摩擦角變化曲線. 從圖中可看出： 摻入粉煤灰后,花崗巖殘積土的粘聚力得到顯著的增加,在粉煤灰摻量為15%時(shí),粘聚力提高最多,且隨著齡期的增加,粘聚力的變化越大. 摻粉煤灰后,花崗巖殘積土內(nèi)摩擦角略有降低,但總體上受粉煤灰摻量影響不大.

圖4 粉煤灰改良土的粘聚力變化Fig.4 Curves of cohesion vs. mixed fly ash quantity

圖5 粉煤灰改良土的內(nèi)摩擦角變化 Fig.5 Curves of internal friction angle vs. mixed fly ash quantity

圖6、圖7為不同粉煤灰摻量改良土的粘聚力、內(nèi)摩擦角變化曲線. 從圖中可看出： 對于不同粉煤灰摻量的改良土來說,隨著齡期的增加,改良土的粘聚力顯著提高,呈現(xiàn)增長趨勢,并在粉煤灰摻量為15%時(shí)的養(yǎng)護(hù)齡期的影響最為明顯. 改良土的內(nèi)摩擦角隨著齡期的增長,呈現(xiàn)增大的趨勢,在14 d齡期后逐漸趨于穩(wěn)定.

圖6 齡期變化對改良土粘聚力的影響Fig.6 Relationship of cohesion of modified soilvs. curing period

圖7 齡期變化對改良土內(nèi)摩擦角的影響Fig.7 Relationship of internal friction angle ofmodified soil vs. curing period

圖8 改良土抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線 Fig.8 Curve between the stress strength of modified soil and the vertical pressure

圖8為在齡期28 d時(shí),不同摻量的粉煤灰改良土抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線. 由圖可看出： 摻入粉煤灰后,花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度得到顯著的提高,在粉煤灰摻量為15%時(shí),其齡期為28 d時(shí)的抗剪強(qiáng)度較其他摻量的要高.

綜上所述,在一定養(yǎng)護(hù)齡期下,花崗巖殘積土中摻入15%粉煤灰能顯著提高其抗剪強(qiáng)度,增強(qiáng)了改良土的整體性和穩(wěn)定性.

2.3 滲透試驗(yàn)成果分析

圖9為齡期不同的改良土隨粉煤灰摻量變化的滲透性變化曲線. 由試驗(yàn)結(jié)果可看出： 摻入粉煤灰后,改良土的滲透系數(shù)有較大幅度降低； 同一養(yǎng)護(hù)齡期下,當(dāng)粉煤灰摻量從5%一直提高到20%時(shí),滲透系數(shù)總體基本沒有變化,即繼續(xù)增加粉煤灰摻量未能有效降低改良土滲透系數(shù).

值得注意的是,養(yǎng)護(hù)期為1 d時(shí),當(dāng)粉煤灰摻量由5%變化到20%時(shí),改良土的滲透系數(shù)反而有略微增大. 其原因可能是粉煤灰摻量為5%時(shí),其最優(yōu)含水率較其他粉煤灰摻量較高,粉煤灰與花崗巖殘積土發(fā)生物化反應(yīng)時(shí),5%摻量時(shí)改良的花崗巖殘積土的最優(yōu)含水率相對較高,粉煤灰顆粒周圍有較充足的水分,物化反應(yīng)相對于其他摻量較充分,因此,出現(xiàn)滲透系數(shù)較低的現(xiàn)象.

圖10為齡期對不同摻量粉煤灰改良土滲透特性變化曲線. 由試驗(yàn)結(jié)果可以看出： 隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,改良土的滲透系數(shù)逐漸降低,降低趨勢逐漸趨于穩(wěn)定. 除1 d齡期外,不同摻量粉煤灰的改良土在相同齡期時(shí),無較明顯的差別.

圖9 粉煤灰改良土滲透特性變化Fig.9 Curves of permeability vs. mixed fly ash quantity

圖10 齡期對改良土滲透特性的影響Fig.10 Relationship of permeability of modified soilvs. curing period

綜上所述,粉煤灰改良土的抗?jié)B性增加,且隨著齡期增加,抗?jié)B性增強(qiáng),但粉煤灰摻量的變化對抗?jié)B性影響較小.

2.4 濕化試驗(yàn)成果分析

在進(jìn)行濕化試驗(yàn)時(shí),改良的重塑樣的崩解速率是先快后慢,在崩解30 min后,崩解率變化較小,在崩解時(shí)間為60 min時(shí),試樣的崩解幾乎穩(wěn)定,所以取崩解時(shí)間為60 min時(shí)所對應(yīng)的崩解率進(jìn)行對比分析.

圖11為不同粉煤灰摻量下改良土的崩解率變化,養(yǎng)護(hù)時(shí)間較少時(shí),粉煤灰摻量的變化對改良后花崗巖殘積土的崩解率無明顯影響. 有一定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間(如14 d),5%到20%摻量的粉煤灰均使改良土的崩解率降低. 養(yǎng)護(hù)28 d后,粉煤灰摻量為15%時(shí),改良土的崩解率明顯低于其余摻量.

圖12為齡期對不同摻量粉煤灰改良土的崩解率的影響,可以看出,隨著齡期的增加,粉煤灰改良土的崩解率顯著降低,且崩解率的變化與齡期密切相關(guān),如粉煤灰摻量為5%時(shí),崩解率降低,但降低幅度隨齡期的增大逐漸趨于平緩； 粉煤灰摻量為10%、15%和20%時(shí),崩解率隨齡期顯著降低,其中,粉煤灰摻量為15%時(shí),崩解率隨齡期變化最為明顯.

圖11 粉煤灰改良土的崩解特性變化Fig.11 Curves of slake durability testvs. mixed fly ash quantity

圖12 齡期對改良土的崩解特性的影響Fig.12 Relationship of slake durability test of modified soilvs. curing period

綜上所述,一定養(yǎng)護(hù)齡期下,花崗巖殘積土摻入15%的粉煤灰,較其余摻量崩解率低,具有良好的水穩(wěn)定性.

3 結(jié)語

1) 當(dāng)花崗巖殘積土中的粉煤灰摻量增加時(shí),最大干密度與最優(yōu)含水率均發(fā)生了明顯變化. 最大干密度在數(shù)值上呈增長趨勢,而最優(yōu)含水率呈遞減趨勢.

2) 粉煤灰改良的花崗巖殘積土,隨著齡期的增加抗?jié)B性增強(qiáng),但其粉煤灰摻量的變化對滲透性能影響較小.

3) 花崗巖殘積土中摻入15%的粉煤灰,養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間,明顯提高了花崗巖殘積土的水穩(wěn)定性,其抗剪強(qiáng)度也得到較大的提高. 建議在要求花崗巖殘積土相對密度較高的地基或壩體工程中,摻入一定的粉煤灰,既能提高工程的安全性,又能有效地利用粉煤灰,達(dá)到減少粉煤灰占地的問題,降低環(huán)境污染.