CFB粉煤灰路基填料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

周 鑫，高福寧，任希慶，杜菊平，鄧小鵬

(1.山西誠(chéng)達(dá)公路勘察設(shè)計(jì)有限公司,山西 太原 030006;2.汾陽(yáng)市交通運(yùn)輸局,山西 呂梁 032200；3.山西能源學(xué)院,山西 晉中 030600)

0 引言

CFB粉煤灰是循環(huán)流化床粉煤灰的簡(jiǎn)稱(chēng)，指的是由循環(huán)流化床鍋爐(Circulating Fluidized Bed Combustion Boiler)燃煤時(shí)產(chǎn)生的主要固體廢棄物，循環(huán)流化床鍋爐一般采用的是高硫劣質(zhì)煤、煤矸石等低熱值煤燃燒，燃燒時(shí)噴入一定量固硫劑脫硫，達(dá)到高效脫硫、低氮排放等優(yōu)點(diǎn)，是新一代高效、低污染、清潔燃煤技術(shù)，因此在低熱值燃料利用中得到了廣泛的使用[1-2]。然而由于CFB鍋爐燃燒的溫度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)煤粉爐的燃燒溫度，其產(chǎn)生的CFB粉煤灰在化學(xué)成分、礦物組成、物理性質(zhì)等方面與傳統(tǒng)粉煤灰存在較大差異[3-5]。因此無(wú)法對(duì)CFB灰采用常規(guī)方式處治，制約了CFB粉煤灰的資源化利用，目前對(duì)CFB灰依然以堆放處置為主[6]。山西G307線汾陽(yáng)市過(guò)境改線公路工程實(shí)施中，結(jié)合汾陽(yáng)市分布著大量堆置的CFB粉煤灰，為達(dá)到固廢利用目的，提出了將CFB粉煤灰應(yīng)用于路基填筑中，采用“以灰代土”的方法來(lái)修筑路基，減少取土填筑對(duì)環(huán)境的破壞。

公路路基是承受車(chē)輛荷載作用的載體，因此要求路基具有較高的強(qiáng)度，來(lái)抵抗車(chē)輛荷載的作用。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是反映路基填料物理力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，是表征路基填料在無(wú)側(cè)向壓力條件下抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度，也是路基設(shè)計(jì)中重要的依據(jù)之一，如果路基填料的抗壓強(qiáng)度降低容易造成路基沉降變形，從而引起路基不均勻沉降、開(kāi)裂、邊坡失穩(wěn)等一系列的工程災(zāi)害，威脅車(chē)輛行駛安全，影響公路工程使用壽命[7-9]。

CFB粉煤灰具有一定的火山灰活性和自硬性[4]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在CFB粉煤灰作為建筑材料的資源化利用上展開(kāi)了廣泛的研究。在建筑材料上，CFB粉煤灰作為凝膠材料，代替部分石膏用作水泥混合材和混凝土摻合料，研究其作為混合材對(duì)水泥性能、水化作用的影響，其研究結(jié)果表明，磨細(xì)CFB 灰渣可作為水泥混合材利用，強(qiáng)度、水泥安定性和凝結(jié)時(shí)間能滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，CFB灰細(xì)度提高有利于水泥強(qiáng)度增加，CFB灰的最佳摻量為20%[10-14]。在道路工程上，采用CFB固硫灰改良云南紅黏土和固化淤泥質(zhì)軟土，能夠提高紅黏土和淤泥質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度[15-18]。但CFB粉煤灰作為路基填料應(yīng)用研究上，目前報(bào)道較少。因此，基于山西G307線汾陽(yáng)市過(guò)境改線公路工程中的CFB粉煤灰填筑路基開(kāi)展CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度研究具有重要意義。

本研究制備不同壓實(shí)度的CFB試樣，擬在不同的養(yǎng)護(hù)條件、不同齡期及水作用下，對(duì)CFB粉煤灰試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。探討不同壓實(shí)度的CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在不同養(yǎng)護(hù)條件、不同養(yǎng)護(hù)齡期及水作用下其強(qiáng)度變化規(guī)律，以期為CFB粉煤灰在公路工程中的應(yīng)用提供理論研究和工程借鑒。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 CFB粉煤灰材料性質(zhì)

本次試驗(yàn)所采用的CFB粉煤灰取自山西省汾陽(yáng)市某電廠所產(chǎn)的干灰。依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2019)的相關(guān)規(guī)定，對(duì)CFB粉煤灰樣品進(jìn)行了比重、顆粒分析、液、塑限、含水率等基本的土工試驗(yàn)并進(jìn)行了化學(xué)成分分析。其主要物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 CFB粉煤灰土工試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方案

按重型擊實(shí)試驗(yàn)制作CFB粉煤灰試樣，因G307汾陽(yáng)過(guò)境改線為一級(jí)公路，按《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中路基壓實(shí)度的要求，試樣壓實(shí)度分別按90%，92%，94%和96%進(jìn)行制備，齡期分為1 d，3 d，7 d 和14 d，養(yǎng)護(hù)條件分自然養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。自然養(yǎng)護(hù)是將試樣裝入塑料袋中封口后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，如圖1所示，模擬CFB粉煤灰路基中包邊土的隔離功能，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)是將試樣放入FH-V型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，箱中的溫度為(20±2) ℃，濕度≥95%，如圖2所示。每組無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試6個(gè)試件，共計(jì)288個(gè)試件。測(cè)試不同齡期、不同壓實(shí)度在不同養(yǎng)護(hù)條件下的CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如圖3所示。

圖2 恒濕恒溫箱標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)

圖3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同齡期、不同壓實(shí)度在不同養(yǎng)護(hù)條件下CFB粉煤灰所對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表3所示。

表3 CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.1 壓實(shí)度對(duì)CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為分析不同的壓實(shí)度對(duì)CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，分別繪制了自然養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下CFB粉煤灰抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度的變化曲線(圖4，圖5)。從圖4可以看出，在自然養(yǎng)護(hù)的條件下，相同的養(yǎng)護(hù)齡期，除1 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著壓實(shí)度增加不顯著外，其余養(yǎng)護(hù)齡期的CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著壓實(shí)度的增大而增大；特別是養(yǎng)護(hù)天數(shù)在3 d和7 d時(shí)，壓實(shí)度的影響尤為顯著；但在14 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，壓實(shí)度從90%增大至92%，CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，但隨著壓實(shí)度的增大，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增長(zhǎng)停滯的趨勢(shì)。

圖4 自然養(yǎng)護(hù)下CFB粉煤灰抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度變化

圖5 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下CFB粉煤灰抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度變化

圖5是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下CFB粉煤灰抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度的變化曲線，從圖中可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要小于自然養(yǎng)護(hù)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，同樣的養(yǎng)護(hù)齡期，壓實(shí)度的增大對(duì)CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響不大，僅在養(yǎng)護(hù)7 d齡期時(shí)，CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增大呈現(xiàn)稍增長(zhǎng)的趨勢(shì)。因此在自然養(yǎng)護(hù)的條件下，隨著壓實(shí)度的增大，CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也是在逐漸增長(zhǎng)的；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，壓實(shí)度的增大對(duì)CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)影響不大。

2.2 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為分析不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，分別繪制了自然養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下CFB粉煤灰抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線(圖6，圖7)。從圖6可以看出，在自然養(yǎng)護(hù)的條件下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)近似直線型增長(zhǎng)，特別是養(yǎng)護(hù)齡期在3～7 d間，而齡期在7～14 d間，CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較緩慢些，壓實(shí)度為92%，94%和96%的CFB粉煤灰養(yǎng)護(hù)14 d后，3者的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本能達(dá)到一致，約為9.70 MPa，而壓實(shí)度為90%的CFB粉煤灰養(yǎng)護(hù)14 d后，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度小于前3者，為7.62 MPa，相差約2.0 MPa。這說(shuō)明CFB粉煤灰的壓實(shí)度達(dá)到92%以上，隨著齡期的增長(zhǎng)不同壓實(shí)度的CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最終會(huì)基本一致，因此公路工程中用CFB粉煤灰填筑路基時(shí)沒(méi)有必要追求高壓實(shí)度。

圖6 自然養(yǎng)護(hù)下CFB粉煤灰抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化

圖7 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下CFB粉煤灰抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化

圖7是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下CFB粉煤灰抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化曲線，從圖中可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的條件下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，不同養(yǎng)護(hù)齡期段，1～3 d和3～7 d的CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率基本一致，而7～14 d增長(zhǎng)率明顯高于前兩個(gè)齡期段，但不同壓實(shí)度的CFB粉煤灰經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)14 d后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本能達(dá)到一致，約為7.40 MPa。

對(duì)CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)與齡期采用二項(xiàng)式進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)自然養(yǎng)護(hù)條件下，壓實(shí)度為92%，94%，96%的CFB粉煤灰其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期有較好的擬合關(guān)系；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下各壓實(shí)度的CFB粉煤灰其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期有較好的擬合關(guān)系，具體見(jiàn)圖6、圖7中的擬合公式，其R2值均在0.95以上，說(shuō)明擬合關(guān)系較好。因此不管是自然養(yǎng)護(hù)還是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，除壓實(shí)度為90%的自然養(yǎng)護(hù)條件下外，不同壓實(shí)度下的CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)最終會(huì)達(dá)到基本一致。

2.3 水對(duì)CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為研究水對(duì)CFB粉煤灰抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)中對(duì)各齡期養(yǎng)護(hù)好的試樣采用浸水24 h后再測(cè)試其飽水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。其中齡期1 d及3 d的試樣浸泡后試樣散開(kāi)破壞無(wú)法測(cè)試其強(qiáng)度，如圖8所示；齡期7 d及14 d的試樣浸水后試樣完整，其飽水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

圖8 齡期1 d及3 d的試樣泡水后破壞

表4 CFB粉煤灰飽水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

為分析水對(duì)CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，分別繪制了自然養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下CFB粉煤灰飽水與不飽水狀態(tài)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)度的變化對(duì)比曲線(圖9，圖10)。可以看出，不同齡期CFB粉煤灰的飽水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均低于不飽水狀態(tài)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，而且均隨著壓實(shí)度的增大而增大，特別是在自然養(yǎng)護(hù)的條件下，壓實(shí)度大于92%后，各齡期的CFB粉煤灰飽水抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較迅速，但在壓實(shí)度為96%時(shí)，7 d及14 d的CFB粉煤灰的飽水抗壓強(qiáng)度與不飽水抗壓強(qiáng)度基本一致，說(shuō)明壓實(shí)度96%時(shí)，自然養(yǎng)護(hù)超過(guò)7 d后，水對(duì)CFB粉煤灰路基的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本無(wú)影響。

圖9 自然養(yǎng)護(hù)CFB粉煤灰飽水與不飽水抗壓強(qiáng)度對(duì)比

圖10 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)CFB粉煤灰飽水與不飽水抗壓強(qiáng)度對(duì)比

參照巖石軟化系數(shù)的概念，對(duì)CFB粉煤灰試樣進(jìn)行軟化系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。可以看出，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的CFB粉煤灰軟化系數(shù)均小于自然養(yǎng)護(hù)狀態(tài)，說(shuō)明自然養(yǎng)護(hù)條件下CFB粉煤灰的耐水浸能力強(qiáng)；除在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，壓實(shí)度為90%的CFB粉煤灰的軟化系數(shù)最小為0.75外，其余壓實(shí)度的軟化系數(shù)均大于0.75，說(shuō)明壓實(shí)度大于90%的CFB粉煤灰具有耐水浸能力強(qiáng)，水穩(wěn)性較好的性能。

表5 CFB粉煤灰軟化系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)用于路基工程的CFB粉煤灰試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了不同壓實(shí)度的CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與不同養(yǎng)護(hù)條件、不同養(yǎng)護(hù)齡期及水的作用下強(qiáng)度變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)養(yǎng)護(hù)條件對(duì)CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較大，套袋自然養(yǎng)護(hù)下對(duì)CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較大，而恒溫恒濕箱標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)對(duì)CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響不明顯，且自然養(yǎng)護(hù)條件下CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的。

(2)CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著壓實(shí)度的增大、養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大，但在壓實(shí)度超過(guò)92%，養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到14 d后，壓實(shí)度的增大對(duì)CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度無(wú)顯著影響。

(3)自然養(yǎng)護(hù)條件下，在壓實(shí)度大于90%，養(yǎng)護(hù)至14 d后，各壓實(shí)度下的CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)達(dá)到基本相同值；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，養(yǎng)護(hù)至14 d后，各壓實(shí)度下的CFB粉煤灰的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也會(huì)達(dá)到基本相同值。因此用CFB粉煤灰填筑路基時(shí)，可不必要追求高壓實(shí)度。

(4)水對(duì)CFB粉煤灰無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定的影響，不同齡期下CFB粉煤灰的飽水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均低于不飽水狀態(tài)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。但在壓實(shí)度達(dá)到96%，自然養(yǎng)護(hù)超過(guò)7 d后，水對(duì)CFB粉煤灰路基的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響不明顯。各壓實(shí)度下CFB粉煤灰試樣的軟化系數(shù)均不小于0.75，因此CFB粉煤灰填筑路基具有耐水浸能力強(qiáng)，水穩(wěn)性較好的性能，是一種優(yōu)質(zhì)的路基材料。