關(guān)于東北地區(qū)季凍區(qū)粉煤灰加固土基的試驗(yàn)與研究

單 珂

（吉林建筑科技學(xué)院交通工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130114）

基于東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，道路、房屋建設(shè)工程數(shù)量與質(zhì)量水平也隨之提升，但許多問(wèn)題也隨之暴露。即處于季凍區(qū)內(nèi)，在短時(shí)間內(nèi)容易產(chǎn)生不同程度的破損與開(kāi)裂，該現(xiàn)象在東北地區(qū)季凍區(qū)更為明顯。東北地區(qū)季凍區(qū)夏季多雨，而冬季寒冷，春秋兩季凍融較為頻繁，作用于道路路面后，初步表現(xiàn)為表層受到破壞，逐漸朝向內(nèi)部發(fā)展，影響到土基的安全與穩(wěn)定。而破損還將進(jìn)一步引發(fā)土基各項(xiàng)性能降低，容易引發(fā)行車事故。故而，如何改善當(dāng)?shù)赝粱途眯员愠蔀槭滓鉀Q的問(wèn)題。我國(guó)煤炭生產(chǎn)量在世界首屈一指，也一直將煤炭作為發(fā)電的基礎(chǔ)燃料。粉煤灰即火力發(fā)電廠內(nèi)排煙管道內(nèi)煤粉燃燒之后殘留的粉末，隨著我國(guó)能源工業(yè)的不斷發(fā)展，用電量持續(xù)增加，而粉煤灰排放量也相應(yīng)高速增長(zhǎng)，其存在不僅污染環(huán)境，也同時(shí)占用了大面積土地資源，難以處理，為我國(guó)環(huán)境造成一定的壓力。本次試驗(yàn)即嘗試將該污染物添加至土基之中，以取代部分填土材料，同時(shí)也可以嘗試提高土基的利用率與耐久度，以期提高路面的整體質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料

1.1 材料選用

本次所用試驗(yàn)材料具體情況如下所示：

第一，粉煤灰。通過(guò)對(duì)多種粉煤灰的比對(duì)，本次試驗(yàn)選用黑龍江省某廠所生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，其各項(xiàng)數(shù)據(jù)如下表所示：

表1 黑龍江省某廠Ⅰ級(jí)粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

第二，土。本次試驗(yàn)選用東北地區(qū)季凍區(qū)內(nèi)隨機(jī)區(qū)域的土作為研究材料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)擬設(shè)計(jì)三份不同的試驗(yàn)材料，即粉煤灰、土以及按照一定比例的摻粉煤灰土（粉煤灰：土=1：2）。在室內(nèi)對(duì)三種試驗(yàn)材料進(jìn)行凍脹與凍融試驗(yàn)，觀察其結(jié)果，具體內(nèi)容如下：

第一，凍脹試驗(yàn)。本次試驗(yàn)將時(shí)間放置于-20±2℃的冰柜內(nèi)，將其凍結(jié)，測(cè)算三份材料在凍結(jié)期間產(chǎn)生的縱向變形量，并計(jì)算其凍脹率。在材料最佳含水量鄰近區(qū)域，制作不同含水量的試驗(yàn)品種，并對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行塑料密封，以免含水量產(chǎn)生變化。開(kāi)始凍結(jié)試驗(yàn)之前安設(shè)測(cè)量用的表架與百分表，記錄初始數(shù)據(jù)之后，開(kāi)始對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的凍脹試驗(yàn)，每次間隔4h 觀察數(shù)值，若持續(xù)三次觀察數(shù)據(jù)為發(fā)生變化，則確認(rèn)實(shí)驗(yàn)材料凍脹量達(dá)到峰值，計(jì)算其凍脹率：

凍脹率=（凍結(jié)后試驗(yàn)材料高度—原實(shí)驗(yàn)材料高度）/原試驗(yàn)材料高度*100%

第二，凍融試驗(yàn)。季凍區(qū)內(nèi)，土基往往需要經(jīng)受多次反復(fù)的凍融循環(huán)。在此期間，即便是為形成凍脹的路基，在結(jié)凍融化過(guò)程中，強(qiáng)度也可能降低，甚至不再具備承載能力，使得路面受到破壞，這一現(xiàn)象在春季融化過(guò)程中更為明顯。為此，本次試驗(yàn)開(kāi)展了凍融循環(huán)試驗(yàn)。本次試驗(yàn)將三份試驗(yàn)材料置于-20±2℃溫度環(huán)境下，凍結(jié)24h，之后在20±2℃令其融化，此為一個(gè)凍融循環(huán)。融化試驗(yàn)于養(yǎng)生室內(nèi)完成，所有實(shí)驗(yàn)材料均采用塑料薄膜予以密封，以確保水分不會(huì)在試驗(yàn)期間產(chǎn)生變化。針對(duì)所有材料按照最佳的含水量成型材料予以凍融試驗(yàn)，持續(xù)三個(gè)循環(huán)，測(cè)量其凍融試驗(yàn)前后的CBR 值，并測(cè)算CBR 保存率。本次凍融前粉煤灰、土的CBR 值壓實(shí)度90%時(shí)，分別達(dá)到15.9%與28%，粉煤灰與粉煤灰土壓實(shí)度在95%時(shí)，數(shù)值為36.3%與19%。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 抗凍性能

東北季凍區(qū)中，春冬兩季較為容易發(fā)生季節(jié)性融凍，特別是在春天初期，晝夜溫差明顯，可能產(chǎn)生單日之內(nèi)融凍循環(huán)，而該現(xiàn)象可能對(duì)土基產(chǎn)生極大的破壞。故而，抗凍性能便成為衡量土基質(zhì)量重要指標(biāo)之一。

通過(guò)試驗(yàn)可以證明，模擬融凍環(huán)境開(kāi)始直至結(jié)束，土基試驗(yàn)件的質(zhì)量變化率以及相對(duì)動(dòng)彈性模量，摻粉煤灰土基試驗(yàn)件質(zhì)量最佳，一般土基各項(xiàng)指標(biāo)最低、。究其原因在于一般土基存在一定的含氣量，且該類型孔隙不管是大小，還是形狀，均不規(guī)則，導(dǎo)致土基土質(zhì)量下降。而在摻入一定比例的高質(zhì)量粉煤灰之后，能夠令土基之中大小、形狀不規(guī)則的孔隙大量減少，進(jìn)而縮減土基之中存在的凍水，避免土基因受到拉力的作用而開(kāi)裂，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化土基性能，提高其抗凍效果的目的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可證，按照合理比例摻入一定量的粉煤灰能夠顯著提高土基的抗凍效果，進(jìn)而增加路面的運(yùn)用壽命。

季凍區(qū)土基緊實(shí)度與道路行車安全密切相關(guān)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)季凍區(qū)土基加固也受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，水在0℃之下從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)期間存在相變的過(guò)程，當(dāng)含水量小、飽和度低以及孔隙率較大的狀態(tài)下，試驗(yàn)材料的孔隙體積將大于水的膨脹體積，所以土顆粒會(huì)受到凍縮的作用，體積相應(yīng)縮小。當(dāng)含水量與飽和度有所增加，凍脹率也將相應(yīng)增加，凍脹率同含水量之間存在正比關(guān)系，即含水量越大，凍脹率也隨之提高，所以含水量即形成凍脹的前提條件。水分在受到溫度作用凍結(jié)時(shí)，土壤之中過(guò)剩的孔隙可以作為空間供凍結(jié)的冰填充，也因此，不會(huì)對(duì)粉煤灰整體的凍脹產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)性凍脹的形成不僅需存在凍脹必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，即水分，同時(shí)也需要具有為其凍脹提供的空間環(huán)境，如果水的膨脹體積明顯較實(shí)驗(yàn)材料的孔隙大，便會(huì)形成凍脹現(xiàn)象。故而，飽和度便成為決定材料最終凍脹程度的關(guān)鍵條件。

本文通過(guò)對(duì)粉煤灰土基各項(xiàng)性能的研究結(jié)果表示，粉煤灰具備良好的抗凍性能、耐磨性能以及抗?jié)B性能，可有效提高土基整體質(zhì)量。處于同等條件之下，摻有粉煤灰土基的凍結(jié)神劇相較于一般土基的凍結(jié)深度將降低30%至35%，通過(guò)本次粉煤灰路基與一般土質(zhì)土基凍結(jié)深度數(shù)據(jù)顯示，凍結(jié)深度同凍結(jié)指數(shù)之間存在一定相關(guān)性。

2.2 耐磨性能

土基常見(jiàn)的磨損種類以磨粒磨損以及疲勞磨損為主，其中磨粒磨損最為常見(jiàn)，即土基表面存在的堅(jiān)硬顆粒嵌入相對(duì)軟弱的土基。疲勞磨損則指的是日常行車過(guò)程中，車輪作用點(diǎn)前后將產(chǎn)生壓力與拉應(yīng)力的交互替換，進(jìn)而造成路面出現(xiàn)原生裂縫的延展，直至影響土基，甚而造成局部斷裂。故而，土基本身理應(yīng)具有優(yōu)秀的耐磨性能。

本次試驗(yàn)針對(duì)兩種粉煤灰不同產(chǎn)量的土基試驗(yàn)件開(kāi)展耐磨試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：7 天之后，若土基中的粉煤灰含量不高于30%，隨著粉煤灰總量的增加，土基試驗(yàn)件的單位面積磨損程度也相應(yīng)增加，耐磨能力降低，然而降低的速度較為緩慢。若粉煤灰含量不少于30%，則土基耐磨性能將快速下降。28 天之后，如果粉煤灰含量?jī)H為10%，則土基耐磨性能達(dá)到最佳，單位面積磨損程度與一般土基相差無(wú)幾。但若粉煤灰含量不少于30%，耐磨性能依舊快速下降。由此可見(jiàn)，摻入合理比例的粉煤灰有助于提高土基的耐磨性能。

2.3 抗?jié)B性能

抗?jié)B性能是用以評(píng)估土基質(zhì)量?jī)?yōu)劣以及使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)，其同土基的耐久度關(guān)系密切。若土基的抗?jié)B性效果不佳，則其內(nèi)部容易滲入水分，進(jìn)而造成土基內(nèi)部部分水化物析出，形成溶出型腐蝕、離子交換型侵蝕等。且道路日常行車，車輛的沖壓形成高壓水，持續(xù)對(duì)路面進(jìn)行沖刷，將令道路面板脫空而形成斷板，最終土基也可能受到影響，甚至遭到破壞。為此，本次研究分別制作了普通土基與基準(zhǔn)土基（含粉煤灰）予以對(duì)比，并在28 天之后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，基準(zhǔn)土基滲水高度最低，而一般土基滲水高度較高，達(dá)到6cm 之上，與摻有粉煤灰的土基相比效果較差。可以證明，摻有粉煤灰的基準(zhǔn)土基在抗?jié)B能力方面較一般土基更為優(yōu)秀。原因在于添加粉煤灰之后，可以更為顯著地優(yōu)化土基內(nèi)部結(jié)構(gòu)，保證了土基的密實(shí)性，所以其抗?jié)B性能也隨之提高。

3 季凍區(qū)粉煤灰加固土基效益研究

3.1 社會(huì)效益

將部分粉煤灰按照合理比例摻入土基之中以替換部分填土，不僅可以有效降低回填土過(guò)程中所產(chǎn)生環(huán)境污染，同時(shí)也有效解決了粉煤灰無(wú)法處理所產(chǎn)生的環(huán)境污染。不僅如此，其還可以節(jié)省了因?qū)Ψ椒勖夯叶加玫耐恋孛娣e。本文按照每年修筑路面20 萬(wàn)公里予以計(jì)算，則季凍區(qū)采用粉煤灰加固土基之后可節(jié)省的土地面積如下：依照單年修筑20 萬(wàn)公里水泥路面，其中10%為高速公路與一級(jí)公路，設(shè)定路面寬度為21m，90%為二級(jí)公路，設(shè)計(jì)路面寬度為10.5m，厚度為24cm 計(jì)算，若摻入10%粉煤灰，則單年需求的粉煤灰數(shù)量則為0.25108 噸。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，單畝土地總計(jì)可以對(duì)方400 噸粉煤灰，以此計(jì)算，則能夠節(jié)約62500 畝。另外，粉煤灰的合理運(yùn)用對(duì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展也有積極意義，于曉避免了粉煤灰對(duì)方后對(duì)附近的農(nóng)田或是住戶的污染，保證了環(huán)境與周圍住戶的健康。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

生產(chǎn)與鋪設(shè)土基過(guò)程中主要產(chǎn)生如下費(fèi)用：機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用、人工成本費(fèi)用以及材料費(fèi)用（其中包含材料自身的費(fèi)用以及運(yùn)輸費(fèi)用）。隨著粉煤灰的摻入，土基當(dāng)中水泥的含量隨之降低，但機(jī)械臺(tái)班的費(fèi)用以及人工成本費(fèi)用不會(huì)因此而發(fā)生變化。通常情況下，城市不僅有水泥廠，也基本建設(shè)有電廠，即粉煤灰的運(yùn)輸成本費(fèi)用基本可以忽略不計(jì)。所以本此研究?jī)H從材料角度入手對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益予以分析，討論通過(guò)粉煤灰加固土基是否具有經(jīng)濟(jì)效益。

依舊按照10%的粉煤灰摻入量作為基礎(chǔ)條件，則可節(jié)省填土36kg/m3 ，添加的粉煤灰總量為45kg。如果依照我國(guó)黑龍江省現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，粉煤灰的均價(jià)則為一噸90 元，相較于其他類型填土而言，其價(jià)格低廉，運(yùn)送費(fèi)用可以忽略不計(jì)，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。另外，摻入粉煤灰也節(jié)省了因?yàn)槿⊥琳嫉匾约盀榱藘?chǔ)存粉煤灰所支付的費(fèi)用，就粉煤灰儲(chǔ)存為例，若依照每畝土地需求為2 萬(wàn)元，則62500 畝粉煤灰可節(jié)省的征地價(jià)格可達(dá)到1.25×105萬(wàn)元，價(jià)值可觀。

4 結(jié)束語(yǔ)

土基是否穩(wěn)定直接關(guān)乎最終道路是否安全，但在季凍區(qū)，由于其溫差變化較大，凍融頻繁，導(dǎo)致路基耐久度不佳。本文以我國(guó)東北地區(qū)季凍區(qū)為例，討論通過(guò)添加粉煤灰的方式以優(yōu)化其耐久度，并開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在土基之中摻入定量的粉煤灰，確實(shí)可以有效優(yōu)化土基整體質(zhì)量，提高其抗凍、防滲等各項(xiàng)性能，且具備一定的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，具有實(shí)踐價(jià)值，在為我國(guó)東北地區(qū)季凍區(qū)土基加固工作提供參考的同時(shí)，也希望為我國(guó)其他季凍區(qū)土基加固提出建議。