粉煤灰改良黃土公路路基填料強(qiáng)度性能研究

王春林 （安徽省路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

黃土高原是世界上最大的黃土堆積區(qū)，也是世界上黃土覆蓋面積最大的區(qū)域，總面積達(dá)54萬km之多。因黃土具有較強(qiáng)的濕陷性、滲透性和崩解性，黃土用作路基填料不易壓實(shí)。黃土的水穩(wěn)定性也較差、浸水易軟化，在冬季0℃以下還易發(fā)生凍脹。黃土還具有干縮濕脹的特性，在反復(fù)干濕循環(huán)之后，表層易發(fā)生開裂和剝落，造成邊坡滑塌等病害。因此，對(duì)于在黃土地區(qū)建設(shè)的高等級(jí)公路路床不宜直接用黃土作為路基填料。

粉煤灰是火力發(fā)電廠中燒煤的副產(chǎn)品，研究表明，粉煤灰摻入黃土可明顯降低黃土的濕陷性和壓縮性。且粉煤灰價(jià)格低廉，若能成功應(yīng)用到工程中，對(duì)工程質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)及工程成本均有益處。本試驗(yàn)采用粉煤灰作為改良材料，以洛陽欒川地區(qū)的黃土為研究對(duì)象，研究粉煤灰改良黃土的強(qiáng)度性能等改良效果。為在黃土覆蓋地區(qū)建設(shè)公路及其他相關(guān)工程提供理論支撐。

1 試驗(yàn)黃土和粉煤灰基本性質(zhì)

試驗(yàn)黃土的基本性質(zhì)如表1所示。

由表2可知，在壓實(shí)系數(shù)k=0.81～0.91范圍內(nèi)，其壓縮模量E均大于20MPa，壓縮系數(shù)a均小于0.1 MPa，屬于低壓縮性土。

試驗(yàn)所用粉煤灰的化學(xué)成分如表3所示，其燒失量Loss（950℃）為2.59。

2 試驗(yàn)方案

為研究粉煤灰改良黃土的強(qiáng)度特性，采用兩種試驗(yàn)方法：常規(guī)三軸試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。采用三種粉煤灰摻配比進(jìn)行試驗(yàn)，試樣制備兩組，粉煤灰含量分別為10%，20%，30%，初始含水量為16.5%，養(yǎng)護(hù)到齡期后，其中一組試樣浸水飽和，養(yǎng)護(hù)齡期為28d。

另外再做一種室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)，來研究粉煤灰改良黃土的抗凍融性能。該種試驗(yàn)的方法把養(yǎng)護(hù)28d的試件通過零下20℃冰凍和20℃恒溫融化后檢測改良料的抗壓強(qiáng)度。

試驗(yàn)黃土基本性質(zhì) 表1

黃土土樣壓縮系數(shù)及壓縮模量 表2

粉煤灰化學(xué)成分含量（%） 表3

3 粉煤灰黃土的強(qiáng)度機(jī)理

粉煤灰是在火力發(fā)電廠中由磨細(xì)煤粉燃燒后從煙道排出的，屬于一種工業(yè)廢料。該種廢料之所以能夠變成一種可以在工程上使用的材料，源于它的火山灰活性具有優(yōu)異的性能。粉煤灰的火山灰活性物質(zhì)能與堿或堿土相關(guān)產(chǎn)物發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)生成膠凝性產(chǎn)物。

粉煤灰具有細(xì)粒結(jié)構(gòu)和含有多種微量元素，粉煤灰的主要化學(xué)成分為SiO、AlO、FeO、CaO，它們對(duì)粉煤灰的活性及強(qiáng)度性能有明顯的影響。粉煤灰表面的玻璃體與土體中的水分子接觸，所含的活性SiO、AlO及CaO等逐漸溶于水中并發(fā)生一系列水化反應(yīng)。首先是微量的活性氧化鈣CaO與水反應(yīng)：

CaO+HO=Ca(OH)

其次是玻璃體內(nèi)活性SiO和Ca(OH)進(jìn)行二次反應(yīng)，形成水化硅酸鈣凝膠，反應(yīng)式如下：

xCa(OH)+SiO+(n-1)HO

=xCaO·SiO·nHO

此外，粉煤灰與水還會(huì)發(fā)生一定的其他反應(yīng)，這表現(xiàn)在溶于水的其他活性物質(zhì)會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成鈣釩石等物質(zhì)。隨后經(jīng)過一段時(shí)間，水化產(chǎn)物促使粉煤灰顆粒之間繼續(xù)增加粘結(jié)作用，表現(xiàn)為粉煤灰的強(qiáng)度會(huì)不斷地增長。文獻(xiàn)[7]表明粉煤灰的摻入可明顯降低黃土的濕陷性和壓縮性。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 煤灰黃土強(qiáng)度特性

4.1.1 粉煤灰黃土的破壞特征

圖1給出了粉煤灰黃土典型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖1 粉煤灰黃土的（σ1-σ3）～ε1曲線

由圖1可以看出，當(dāng)摻合比a=10%，w=17%時(shí)，粉煤灰黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為加工硬化性，屬于塑性破壞；當(dāng)摻合比a=20%，w=17%時(shí)，粉煤灰黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為加工軟化性，屬于脆性破壞，破壞應(yīng)變?cè)?%左右，圍壓越大，試件破壞時(shí)的峰值強(qiáng)度越大，且試件破壞時(shí)的應(yīng)變值也隨圍壓的增大而有所增大；由此可見，粉煤灰黃土的破壞模式與摻合比有關(guān)，隨著摻合比的增大，破壞模式由塑性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)變。

4.1.2 摻合比對(duì)改良土強(qiáng)度指標(biāo)的影響

圖2為粉煤灰改良黃土摻合比a與破壞主應(yīng)力σ的關(guān)系曲線，可以看出粉煤灰黃土的破壞主應(yīng)力σ隨摻合比a的增加而增大，在含水量w=17%狀態(tài)下，隨著圍壓越大，摻合比a對(duì)破壞主應(yīng)力σ的影響越明顯，在較小圍壓下，當(dāng)摻合比a達(dá)到20%以上時(shí)，其對(duì)破壞主應(yīng)力σ的影響更大；在含水量w達(dá)到飽和狀態(tài)下，當(dāng)摻合比a小于20%時(shí)，其對(duì)破壞主應(yīng)力σ的影響在任何一種圍壓情況下均很明顯。

圖2 粉煤灰黃土aw～σ1f 關(guān)系曲線

圖3為齡期28d粉煤灰黃土強(qiáng)度指標(biāo)與摻合比a的關(guān)系，從中可以看出，粉煤灰黃土的c值和q值均隨摻合比的增大而增大；w=17%狀態(tài)下較相同條件的飽和狀態(tài)下增長率要大得多，如摻合比由10%增至20%和20%增至30%時(shí)對(duì)應(yīng)的q值增長率，w=17%狀態(tài)下分別為54.3%和65%，飽和狀態(tài)下分別為23.2%和56.5%。

圖3 粉煤灰黃土的 σ 3～σ1f 曲線

4.1.3 含水量對(duì)粉煤灰黃土強(qiáng)度指標(biāo)的影響

由圖4可知，含水量越大粉煤灰黃土的破壞主應(yīng)力越小，強(qiáng)度衰減率比較明顯，這說明粉煤灰黃土的水穩(wěn)定性不良。為進(jìn)一步驗(yàn)證粉煤灰黃土的水穩(wěn)定性，對(duì)粉煤灰黃土做了剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q值衰減率表明，粉煤灰黃土的q值衰減率均較大，并隨著摻合比的增大而增大，這說明粉煤灰對(duì)黃土的水穩(wěn)定性改善效果不明顯。

圖4 粉煤灰黃土的aw～強(qiáng)度指標(biāo)曲線

與素黃土相比，粉煤灰對(duì)黃土的強(qiáng)度特性有一定程度改善，其效果與摻合比有關(guān)。如在非飽和狀態(tài)下，摻合比a=10%的粉煤灰黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q值是素黃土的1.4倍，a=20%時(shí)為2.2倍，a=30%時(shí)為3.6倍。

4.2 粉煤灰黃土的抗凍融性能

由圖5可以看出，隨著粉煤灰改良料凍融次數(shù)的增加其強(qiáng)度變小。經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q衰減在a=20%時(shí)達(dá)到48.7%，在a=30%時(shí)達(dá)到18.4%，這說明粉煤灰黃土的抗凍融能力隨著摻合比的提高而變好。但從上圖還可以看出，改良料的q衰減即使在a達(dá)到30%時(shí)仍然不小，這是因?yàn)楦牧剂项w粒間的膠結(jié)作用在凍結(jié)作用下發(fā)生拉裂、破裂等弱化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致粉改良料的強(qiáng)度降低。因此，在公路路基設(shè)計(jì)時(shí)，須采取封水措施，最大程度減輕凍融導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

圖5 粉煤灰黃土凍融后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu

5 結(jié)論與建議

①粉煤灰中含有大量的活性化學(xué)成分 SiO、AlO、FeO、CaO等，可以在黃土中發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，對(duì)改善黃土的工程性能有一定作用。

②粉煤灰黃土強(qiáng)度與摻合比有很大關(guān)系，當(dāng)摻合比較小時(shí)，對(duì)黃土的改良的效果不明顯；隨著摻合比的增大，其單軸抗壓強(qiáng)度逐漸提高，摻合比在20%、30%時(shí)，與素黃土相比，其強(qiáng)度提高值幅度較大。

③含水量對(duì)粉煤灰黃土的影響較大，當(dāng)其含水量從非飽和狀態(tài)達(dá)到飽和狀態(tài)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q值衰減率約為40%～60%，幅度較大，說明粉煤灰黃土的水穩(wěn)定性較差。

④隨著粉煤灰改良料凍融次數(shù)的增加，其強(qiáng)度變小?？箖鋈谛阅茈S摻合比的提高而變好。盡管摻合比提高，但其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度衰減仍比較明顯。因此，在公路路基設(shè)計(jì)時(shí)，須采取封水措施，最大程度減輕凍融導(dǎo)致強(qiáng)度下降。