粉煤灰對電石渣穩(wěn)定黃土的性能改善分析

栗培龍，畢嘉宇，裴 儀，朱德健

(1.長安大學(xué)，陜西 西安 710064； 2.長安大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引言

電石渣用于穩(wěn)定細(xì)粒土取得了較好的成效，但對于特殊土的改良仍有提升的空間。電石渣與蔗渣灰、稻殼灰、生物質(zhì)灰、粉煤灰等火山灰材料混合時會發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)[10-12]，包括更強地陽離子交換、火山灰反應(yīng)等，通過更充分的水硬膠結(jié)作用[13]形成類似于水泥的膠凝材料，可以進一步改善電石渣穩(wěn)定土的性能。其中，粉煤灰作為燃煤產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，產(chǎn)量巨大，利用率低，環(huán)境污染嚴(yán)重[14-15]，粉煤灰與電石渣綜合利用對環(huán)境保護的前景廣大，其中的研究也在不斷有著新的進展。韓巍等[16]測試了電石渣和電石渣-粉煤灰-礦渣穩(wěn)定土強度變化，發(fā)現(xiàn)粉煤灰對于電石渣穩(wěn)定土強度的增強效果顯著。郝士華等[17]發(fā)現(xiàn)研磨后的粉煤灰能夠提高粉煤灰-電石渣混合物的無側(cè)限抗壓強度。DARIKANDEH等[18]用不同比例的電石渣粉煤灰穩(wěn)定高膨脹黏性土，發(fā)現(xiàn)最佳電石渣粉煤灰用量為20∶80。王亮等[19]以電石渣、粉煤灰和堿激發(fā)劑為原料用正交試驗法測試各因素對固化鹽漬土抗壓強度的影響，得到的影響順序為：堿激發(fā)劑>膠凝材料摻量>電石渣粉煤灰比例。PHUMMIPHAN等[20]利用粉煤灰和電石渣開發(fā)黏合劑穩(wěn)定紅土作為道路基層，發(fā)現(xiàn)提供最大90 d強度的電石渣摻量為20%。紅土中的電石渣摻量最好不超過30%。PHETCHUAY等[21]研究了NaOH濃度、含水量、粉煤灰含量、電石渣含量、溫度和固化時間對穩(wěn)定軟粉土強度發(fā)展的影響。

綜上所述，已有學(xué)者對電石渣穩(wěn)定土的強度、固化時間和最優(yōu)摻量等開展了較為深入的研究，有關(guān)粉煤灰-電石渣復(fù)合穩(wěn)定土不同比例、堿激發(fā)劑、含水量、固化時間等對強度方面的影響也有所涉及，但在耐久性和干濕、凍融循環(huán)后的強度特性等方面仍需進一步探討。本文針對不同配比組成電石渣穩(wěn)定土(CS)和電石渣-粉煤灰穩(wěn)定土(CFAS)試件，從試件強度、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)特性出發(fā)，研究了CS試件和CFAS試件性能的差異，分析粉煤灰的摻入對于電石渣穩(wěn)定土強度和耐久性的影響，以期為電石渣穩(wěn)定土的推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料和試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所采用的土樣為陜北神木地區(qū)粉黏性黃土，所取土樣含水率較低且無明顯腐殖質(zhì)和碎石雜質(zhì)，試驗前對土樣進行人工破碎處理并過2.36 mm方孔篩，其主要物理指標(biāo)如下：液限為30.1%，塑限為17.8%，塑性指數(shù)為12.3%。比重為2.67，最大干密度為1.915 g/cm3，最佳含水率為11.5%。試驗用電石渣來源于北元化工集團生產(chǎn)線，其主要物化指標(biāo)如下：CaO為64.93%，MgO為0.18%，F(xiàn)e2O3為0.72%，AL2O3為1.40%，SiO2為3.97%，燒失量22.79%；總和為93.99%。試驗用電石渣材料均過0.075 mm方孔篩，其比重為2.18。試驗采用北元化工電廠生產(chǎn)的粉煤灰，主要成分如下：二氧化硅50%，氧化鋁22%，氧化鐵3%，氧化鈣+氧化鎂10.1%，三氧化硫4%，燒失量9.4%。

1.2 試驗方案

考慮到不同電石渣摻量、電石渣粉煤灰(結(jié)合料間)比例、膠土比(結(jié)合料與被穩(wěn)定材料間)對穩(wěn)定土的性能改善[18，19，21]和《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中石灰粉煤灰穩(wěn)定材料推薦比例，設(shè)計了6組試驗如下：3組電石渣摻量分別為9%、11%、13%，記作CS-1、CS-2、CS-3；另外3組分別為電石渣和粉煤灰比例為1∶1，膠土比為20%；電石渣和粉煤灰比例為1∶3，膠土比為20%；電石渣和粉煤灰比例為1∶3，膠土比為30%，記作CFAS-1、CFAS-2、CFAS-3。

試驗依據(jù)《公路工程無機結(jié)合料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)開展，首先選取代表性土樣烘干、碾碎、過2.36 mm篩并除去雜質(zhì)，根據(jù)擊實參數(shù)精確稱取試件制備所用材料用量，然后將各材料混合攪拌均勻，采用靜壓成型方法制備50 mm×50 mm圓柱體小試件，脫模后將其置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生箱中[溫度：(20±2)℃、相對濕度：≥95%]養(yǎng)生，待到相應(yīng)養(yǎng)生齡期下取出并開展相應(yīng)試驗。

1.2.1強度試驗

依據(jù)《公路工程無機結(jié)合料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)要求，無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度試驗在UTM-5000微機電子控制萬能試驗機上進行。在預(yù)定養(yǎng)生齡期結(jié)束前1 d，將待試驗試件從養(yǎng)生環(huán)境箱中取出，觀察試件表面是否存在缺損，若試件存在明顯損壞，試件應(yīng)該作廢。對完好試件進行稱重量高后，將其置于(20±2)℃水中浸泡24 h，浸泡過程保證水面高于試件頂面2.5 cm。試驗開始前取出試件，并用軟布輕擦試件表面可見自由水，稱重量高后，立即開展試驗。

1.2.2凍融試驗

本試驗主要研究28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后CS和CFAS試件經(jīng)過5次凍融循環(huán)無側(cè)限抗壓強度的變化。試驗開始先將浸泡24 h后試件從水中取出，使用潤濕毛巾輕拭擦干待試驗試件表面水并稱初始質(zhì)量，然后放入-18 ℃冷凍箱中，使之凍結(jié)16 h，凍結(jié)后將試件取出放入20 ℃的水中浸泡8 h并稱重，這樣完成了一個凍融循環(huán)。當(dāng)質(zhì)量損失大于5%時停止試驗，凍融循環(huán)抗凍性指標(biāo)分別如式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中：BDR為經(jīng)n次凍融循環(huán)后試件的抗壓強度損失，%；RDC為經(jīng)n次凍融循環(huán)后試件的抗壓強度，MPa；Rc為對比試件無側(cè)限抗壓強度，MPa；Wn為經(jīng)n次凍融循環(huán)后的試件質(zhì)量變化率，%；m0為經(jīng)凍融循環(huán)前試件的質(zhì)量，g；mn為經(jīng)n次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量，g。

1.2.3干濕循環(huán)試驗

參照文獻[22]的方法進行一些改進。首先將浸泡24 h后的待試驗試件從水中取出，輕擦拭表面水分并稱初始質(zhì)量，然后將試件置于20 ℃左右室內(nèi)自然風(fēng)干12 h并稱取質(zhì)量，將風(fēng)干后試件置于20 ℃水中浸泡12 h，如此完成一次干濕循環(huán)。完成到試驗循環(huán)次數(shù)(1、3、5)后進行無側(cè)限抗壓強度試驗，當(dāng)質(zhì)量損失超過5%時停止試驗。干濕循環(huán)軟化系數(shù)、強度損失率和吸水量分別由式(3)、式(4)和式(5)計算。

(3)

式中：SHn為經(jīng)n次干濕循環(huán)后試件的軟化系數(shù)；RGnc為經(jīng)n次干濕循環(huán)后試件的抗壓強度，MPa；Rc為對比試件無側(cè)限抗壓強度，MPa。

(4)

式中：Gn為經(jīng)n次干濕循環(huán)后試件的抗壓強度損失，%。

Δωn=mn-m0

(5)

式中：Δω為經(jīng)n次干濕循環(huán)后試件的吸水量，g；mn為經(jīng)n次干濕循環(huán)后試件的質(zhì)量，g；m0為干濕循環(huán)開始前試件的質(zhì)量，g。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 強度試驗結(jié)果分析

對比研究了不同養(yǎng)生齡期條件下(7、14、28、60、90、180 d)CS和CFAS試件無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度試驗結(jié)果的差異，試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 不同養(yǎng)生齡期CS和CFAS試件無側(cè)限抗壓強度

圖2 不同養(yǎng)生齡期CS和CFAS試件劈裂強度

從圖1和圖2可知，隨著試件養(yǎng)生齡期的增加，CS和CFAS試件無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度均增大，同一養(yǎng)生齡期下，CFAS試件無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度均高于CS試件，同時換算可得CFAS各試件電石渣摻量分別為10%、5%、7.5%，幾乎全部小于CS試件電石渣摻量，這更說明粉煤灰的摻入顯著提升了電石渣穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度，同時隨著齡期的增長強度持續(xù)增長。分析原因主要是粉煤灰中SiO2和Al2O3的含量較高，引起的火山灰反應(yīng)相較于電石渣穩(wěn)定土內(nèi)部強烈，使得電石渣活性潛能充分發(fā)揮，反應(yīng)生成的C-S-H凝膠有效地改善了電石渣-粉煤灰穩(wěn)定土內(nèi)部空隙分布，使得土顆粒連接更加穩(wěn)固。火山灰反應(yīng)的增強和持久效應(yīng)提高了電石渣穩(wěn)定土強度。需要注意的是，此配比條件下的電石渣-粉煤灰穩(wěn)定土強度滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中對于石灰-粉煤灰穩(wěn)定土用于道路基層、底基層填筑的要求。

對CFAS試件而言，相同齡期條件下，同樣的膠土比，CFAS-2 試件相較CFAS-1試件，強度隨粉煤灰的摻量提高而增長；同樣的渣粉比，CFAS-3 試件相較CFAS-2試件，強度隨膠土比增加而下降。說明對穩(wěn)定土的加固作用，不光取決于粉煤灰摻入的比例，也與膠土比密切相關(guān)。膠土比的變化改變了混合料間顆粒分布狀態(tài)，選取合適的膠土比能夠有效減少混合料間空隙而不致膠結(jié)料出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象，從本次試驗來看，20%的膠土比相對30%的膠土比來說對強度形成更有利。進一步分析可知，CFAS和CS試件在初期養(yǎng)生齡期(7 d，14 d，28 d)條件下，試件的強度構(gòu)成仍然以電石渣與土顆粒間的離子交換絮凝和碳化結(jié)晶作用為主，粉煤灰的加入提高了反應(yīng)初始活化能，但是火山灰作用尚不明顯，所以同樣類型的試件隨摻量變化差別不大，渣粉比的變化對于CFAS試件初期強度的影響效果相對不明顯，后期隨著火山灰反應(yīng)充分進行，到28 d養(yǎng)生齡期之后，同類型試件強度隨摻量變化開始出現(xiàn)較大差別。

2.2 凍融循環(huán)試驗結(jié)果分析

為了探討粉煤灰摻入對電石渣穩(wěn)定土凍融循環(huán)的影響，分別測定CS和CFAS試件在1、3、5次凍融循環(huán)作用下的無側(cè)限抗壓強度和質(zhì)量變化，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 CS和CFAS試件凍融循環(huán)作用下的殘留強度比和質(zhì)量變化率

從圖3可知，28 d養(yǎng)生后CS和CFAS試件經(jīng)過1次、3次和5次凍融循環(huán)后，其凍融質(zhì)量損失在5%之內(nèi)，但是CS試件在第5次凍融后質(zhì)量損失接近標(biāo)準(zhǔn)試驗中凍融循環(huán)停止的條件。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，CS和CFAS試件凍融殘留強度比BDR均呈現(xiàn)下降趨勢，但降幅在緩慢減小。試件質(zhì)量變化率呈現(xiàn)上升趨勢。其中CS試件在相同凍融循環(huán)條件下殘留強度比低于CFAS試件，凍融質(zhì)量損失高于CFAS試件。

在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，試件的無側(cè)限抗壓強度發(fā)生下降，這是因為試驗土質(zhì)為陜北黃土質(zhì)，其工程粘聚性較弱，當(dāng)飽水試件處于-18 ℃條件下，試件內(nèi)空隙水分迅速結(jié)冰而產(chǎn)生體積膨脹應(yīng)力，從而試件土顆粒被迫發(fā)生錯動并在薄弱處出現(xiàn)微裂紋，破壞穩(wěn)定土內(nèi)部結(jié)構(gòu)[23-24]，此時將試件置于20 ℃溫水中，試件內(nèi)部空隙處冰晶融化，更多的水分填充空隙和微裂紋內(nèi)，如此反復(fù)循環(huán)，試件處于類疲勞狀態(tài)，微裂紋在膨脹應(yīng)力作用下不斷擴張，最終試件在薄弱區(qū)出現(xiàn)破損和剝落，進而導(dǎo)致其強度出現(xiàn)下降。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，較多的微裂紋形成錯通，為試件內(nèi)水分的結(jié)晶提供了足夠的擴展空間，弱化了隨后的單次凍融循環(huán)對于試件強度的衰減效果，使得孔隙分布發(fā)生改變，微孔隙逐漸變?yōu)橹锌紫?，孔隙大小與孔隙密度都有所增大[25-26]，則導(dǎo)致圖3中顯示的殘留強度不斷衰減和質(zhì)量損失率的不斷增大。

對比圖4，可以看出CS試件在經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，其試件整體存在輕微破損和剝落，試件表面和兩端均密布微裂紋和較小裂縫；而經(jīng)5次凍融循環(huán)后的CFAS試件，除頂面邊角薄弱區(qū)有些許土料剝落外，試件整體上相對于CS試件完整性較好，這主要是由于CFAS試件經(jīng)過28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后，其試件外側(cè)面已經(jīng)完全被碳酸鈣外殼包裹，粉煤灰的摻入大大增強了電石渣穩(wěn)定土內(nèi)部的火山灰反應(yīng)進程，生成的C-S-H晶體有效填充試件內(nèi)部部分空隙[27]。因此，當(dāng)試件處于浸水環(huán)境時，試件內(nèi)部空隙吸水量較少，如此試件處于冰凍狀態(tài)時，由于水分結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力相對于CS試件較小，試件內(nèi)部空隙擴張量亦較小，經(jīng)過如此反復(fù)凍融循環(huán)作用，CFAS試件強度雖會出現(xiàn)衰減，但衰減率低于CS試件凍融循環(huán)衰減率。

(a)CS試件

2.3 干濕循環(huán)試驗結(jié)果分析

為了探究粉煤灰的摻入對電石渣穩(wěn)定土干濕循環(huán)的影響，分別測定CS和CFAS試件在1、3、5次干濕循環(huán)作用下的無側(cè)限抗壓強度和吸水量，試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)下CS和CFAS試件軟化系數(shù)

圖6 不同干濕循環(huán)次數(shù)下CS和CFAS試件強度損失率和吸水量

綜合圖5、圖6可知，試驗試件軟化系數(shù)均大于1，強度損失率指標(biāo)為負(fù)值且隨干濕隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，說明28 d養(yǎng)生齡期下的CS和CFAS試件在經(jīng)歷1、3、5次干濕循環(huán)后強度增長并未受到阻礙，CS和CFAS試件在干濕循環(huán)作用下強度衰減量低于強度隨齡期增加量。分析圖6中試件吸水量曲線，發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試件吸水量逐漸趨于平穩(wěn)。對比CS試件和CFAS試件來看，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，CFAS試件的強度損失率和吸水量都明顯小于CS試件，說明粉煤灰的摻入對于電石渣穩(wěn)定土干濕循環(huán)性能有較好的提升效果。

試件進行干濕循環(huán)時，穩(wěn)定土內(nèi)部土顆粒會產(chǎn)生干縮與濕脹變形，當(dāng)縮脹應(yīng)力超過混合料顆粒間連接結(jié)構(gòu)強度時，穩(wěn)定土顆粒薄弱連接處便會產(chǎn)生應(yīng)力集中，進而在試件內(nèi)部形成微觀裂紋和連通空隙，宏觀上表現(xiàn)為試件吸水量增加，強度和強度增長速率衰減。同時隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土中孔隙分布情況發(fā)生變化，大孔隙減少，小孔隙增多，但是土體的平均孔隙直徑減小，面孔隙度呈減小趨勢，顆粒的定向性逐漸消失，顆粒排列趨于平衡[26]，內(nèi)部擴充空隙足以緩沖縮脹應(yīng)力引起的變形，同時隨著時間的延長，混合料結(jié)構(gòu)強度不斷提升，干濕循環(huán)對于試件造成的影響逐漸減弱，吸水量逐漸趨于平穩(wěn)。CFAS試件經(jīng)受干濕循環(huán)時，主要是粉煤灰的摻入加快了混合料強度形成進程，反應(yīng)生成C-S-H凝膠有效填充顆?？障?，導(dǎo)致CFAS試件在經(jīng)歷干濕循環(huán)過程中吸水量較CS試件低，試件經(jīng)受的環(huán)境變化應(yīng)力相對減小，同時，火山灰反應(yīng)生成的鈣礬石(Aft)和電石渣粉煤灰協(xié)同反應(yīng)促進的碳酸鈣晶體[29]有效聯(lián)結(jié)各顆粒部分，使得CFAS在抵抗干濕循環(huán)的能力較CS試件優(yōu)異。

同時發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)下吸水量的變化趨勢與凍融循環(huán)質(zhì)量變化率變化趨勢方向相反，CFAS-1、CFAS-3、CFAS-2凍融循環(huán)質(zhì)量損失逐漸增大，而干濕循環(huán)吸水量逐漸減小，CS-1、CS-2、CS-3大致上也符合類似規(guī)律。這可能是因為由于干濕循環(huán)吸水量和凍融循環(huán)質(zhì)量損失都與土體的孔隙大小與其分布密切相關(guān)，尤其是大中孔隙的分布，大中孔隙越大，則吸水量越大，而大中孔隙一定程度上可以容納冰晶的冰結(jié)融化空間，有效減緩凍融循環(huán)損失，故而凍融質(zhì)量損失小。

3 結(jié)論

本文從試件強度、凍融循環(huán)和干濕循環(huán)試驗出發(fā)，研究粉煤灰的摻入對于電石渣穩(wěn)定土的影響，得出以下結(jié)論：

a.同一齡期條件下，CFAS試件強度明顯高于CS試件，粉煤灰的摻入可以有效提升電石渣穩(wěn)定土強度。

b.對穩(wěn)定土的加固作用，不僅取決于粉煤灰與電石渣的比例，也與總的膠土比有一定關(guān)系，本次試驗最優(yōu)膠土比為20%，本試驗電石渣-粉煤灰穩(wěn)定土強度滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)中對于石灰-粉煤灰穩(wěn)定土用于道路基層、底基層填筑的要求。

c.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，CS和CFAS試件凍融殘留強度比BDR均呈現(xiàn)下降趨勢，相較CS試件，在相同凍融循環(huán)條件下CFAS試件殘留強度比高，凍融質(zhì)量損失低。說明粉煤灰的摻入有效提升了電石渣穩(wěn)定土抵抗凍融循環(huán)的能力。

d.在相同養(yǎng)生條件下，短時間改變干濕條件不會阻礙CS和CFAS試件強度的增長，粉煤灰的摻入有效降低了電石渣穩(wěn)定土干濕循環(huán)過程中的吸水率，CFAS試件抵抗干濕循環(huán)的能力高于CS試件。

e.試件吸水量的變化趨勢與凍融循環(huán)質(zhì)量變化率變化趨勢方向相反，這是由于兩者土體中孔隙大小和分布存在差異，尤其是大中孔隙的分布，大中孔隙越多，則吸水量越大，而大中孔隙一定程度上可以容納冰晶的冰結(jié)融化空間，有效減緩凍融循環(huán)損失，故凍融質(zhì)量損失減小。