粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土的路用性能研究

仝 佳 鄔培榮 方 斌 李燕軍

（山西工程科技職業(yè)大學，山西 晉中 030619）

1 引言

粉煤灰是火力發(fā)電廠燒煤的副產(chǎn)品。它不僅是排放量較大的工業(yè)固體廢棄物，而且未利用的粉煤灰常采用堆存方式處理，占用大量土地的同時，對周邊環(huán)境也造成較大的污染。粉煤灰常用作改良材料，與其他改良材料相比，粉煤灰具有價格低、自重輕、強度高、比表面積大、吸水性強等特點，用于改良黃土效果良好。

電石渣是電石水解制備乙炔氣后所產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物。生產(chǎn)企業(yè)處置電石渣通常采用傳統(tǒng)的堆存或填埋方法。電石渣堿性大，長期堆放加重了周邊土質(zhì)和水環(huán)境的鹽堿化。為了提高電石渣的資源化再利用，許多學者將電石渣用作凝膠材料，進行了電石渣改良軟土、過濕黏土、鹽漬土、膨脹土、花崗巖殘積土等土質(zhì)的研究。電石渣改良土應用的基本機理是利用電石渣的強堿性，通過改良土內(nèi)的離子交換和火山灰反應等，達到改善土體工程性質(zhì)的目的。眾多學者的研究包括不同摻量、固化時間長短、含水量等對強度、改良土體液塑限等的影響，得出電石渣具有與消石灰一樣穩(wěn)定土的作用。目前，國內(nèi)專家學者已經(jīng)對粉煤灰、電石渣用作穩(wěn)定建筑材料的可能性進行了深入研究。通過室內(nèi)外的測試證明，粉煤灰、電石渣對穩(wěn)定土的路用特性影響良好。

本文調(diào)研了山西省的粉煤灰、電石渣使用現(xiàn)狀，并對粉煤灰和電石渣穩(wěn)定土用于道路的性能進行了相應的室內(nèi)試驗研究，由此確定出最佳的電石渣、粉煤灰摻量，以及粉煤灰和電石渣穩(wěn)定土的搭配比例，為電石渣和粉煤灰等穩(wěn)定物質(zhì)進行基礎(chǔ)施工提供了一些參照數(shù)據(jù)。

2 原材料性能試驗

試樣所用原材料為黃土、粉煤灰、電石渣。試驗黃土樣來源于山西省G108 工程項目，基本物理性能見表1。試驗所用電石渣是某企業(yè)的工業(yè)廢棄物，其基本物理性能見表2。粉煤灰選用某工廠生產(chǎn)的工業(yè)廢渣，其主要物理性能見表3。

表1 土樣的基本物理性能

表2 電石渣的基本物理性能

表3 粉煤灰的基本物理性能

3 試驗設(shè)計

本試驗參考《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 034-2000）中石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定土混合料設(shè)計流程，設(shè)計完成試驗。首先，制備粉煤灰電石渣結(jié)合料，其中粉煤灰與電石渣質(zhì)量之比為10∶90、20∶80、30∶70、40∶60、50∶50、60∶40、70∶30、80∶20 和90∶10；通過測定相同齡期范圍、相同壓實度試品的7d 和28d 無側(cè)限抗壓強度性能，以便制定出最終的粉煤灰、電石渣摻配比值；再進行對比測試，并設(shè)計電石渣摻量比為2%、4%、6%、8%、10%和12%，然后按照最佳的電粉配比摻入粉煤灰，制備粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土；最后通過無側(cè)限抗壓性能測試、抗壓回彈模量測試試驗，確定出了粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土的最佳配合比。

4 電石渣與粉煤灰摻配比例的確定

4.1 粉煤灰和電石渣混合料的擊實試驗

按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）中T 0804-1994 無機結(jié)合料穩(wěn)定材料擊實試驗方法規(guī)定，對粉煤灰和電石渣混合料進行擊實試驗，以便設(shè)定最佳含水量和最大干密度。粉煤灰和電石渣混合料的擊實試驗結(jié)果如圖1 所示。

圖1 粉煤灰和電石渣結(jié)合料擊實試驗變化趨勢

從圖1 中可知，粉煤灰和電石渣混合料的最佳含水量隨著粉煤灰摻量的增加而逐步降低，因為電石渣的主要成分為Ca（OH）2，粉煤灰的主要成分為Si02和A1203，而電石渣又與熟石灰的化學特性相同，在水中很容易電離水解為Ca2+和OH-，所以，電石渣和粉煤灰的綜合利用很容易產(chǎn)生火山灰反應，可以在和Si、A1 等主要成分反應后得到大量的C-S-H 和C-A-H 結(jié)晶，而這些反應都必須耗費大量的水分。隨著粉煤灰摻量的逐步增加，粉煤灰和電石渣混合料的最佳含水量逐步降低。粉煤灰和電石渣混合料的最大干密度隨粉煤灰摻量的增加而呈現(xiàn)拋物線型變化趨勢，主要是由于粉煤灰摻量的比表面積較小，而電石渣粒子內(nèi)部的空隙又很大，所以，在粉煤灰摻量較低時，由于其內(nèi)部粒子間的縫隙在擊實作用下比較緊密，使干密度逐步加大；隨著粉煤灰摻量的增加，電石渣摻量越來越少，粉煤灰和電石渣混合料內(nèi)部空隙小，在擊實作用下也越來越緊密，從而導致其干密度逐步降低。

4.2 粉煤灰和電石渣混合料無側(cè)限抗壓強度

參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）中T 0843-2009 和T 0845-2009 的成型試驗與養(yǎng)護，時間分別為7d 和28d。在養(yǎng)護齡期前1d 進行浸水養(yǎng)護24h，在浸水完成后采用路面材料強度試驗儀測定粉煤灰和電石渣混合料的無側(cè)限抗壓強度。試驗結(jié)果表明，粉煤灰和電石渣混合材料的無側(cè)限抗壓強度呈拋物線形式，電石渣與粉煤灰按1∶4 比例摻配時，其無側(cè)限抗壓強度最高，7d 無側(cè)限抗壓強度為1.43MPa，28d 無側(cè)限抗壓強度為5.52MPa。

5 粉煤灰電石渣穩(wěn)定土力學性能研究

5.1 強度機理

（1）粉煤灰電石渣表面硅鋁薄層水泥的生成。粉煤灰與電石渣水拌和后，混合液中的Ca（OH）2迅速飽和，溶液呈堿性，水通過離子化與粉煤灰溶液相結(jié)合后，可電離出Si044-和H+，使粉煤灰在綜合利用中表面上顯陰性；Ca2+因引力效應而直接吸附于粉煤灰的表層，溶入K+、Na+，使粉煤灰的表層產(chǎn)生了硅鋁薄層水泥。

（2）出現(xiàn)沉淀包裹層。薄層水泥出現(xiàn)后，在表面逐漸分解為Si044-和AlO2-，與周圍的Ca2+相結(jié)合并沉積，構(gòu)成了厚厚的沉淀包裹層。

（3）沉淀包裹層劈裂。當粉煤灰或電石渣的沉淀包裹層溶液中的任一分子物質(zhì)濃度超過最外層物質(zhì)含量后，沉淀包裹層就會出現(xiàn)迅速膨脹或逐漸劈裂現(xiàn)象，其分子之間的相互作用也將產(chǎn)生新的沉淀包裹層，而這個過程也是持續(xù)進行的。

（4）形成水化硅酸鈣和鋁酸鈣。由于沉積覆蓋層中分離濃度的提高，Ca2+被直接吸附于覆蓋層面，并產(chǎn)生了C-A-H 和C-S-H 的沉積。

5.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

根據(jù)規(guī)范要求，使用路面材料抗拉強度試驗機進行無側(cè)限抗壓強度測試。粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土中電石渣摻量最小，按電石渣摻量2%、4%、6%、8%、10%和12%，粉煤灰﹕電石渣摻量比為4∶1，設(shè)計粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土配合比，并分別進行無側(cè)限抗壓強度測定。試驗結(jié)果如圖2 所示。

圖2 粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土無側(cè)限抗壓強度

從圖2 中可知，粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土的無側(cè)限抗壓強度均呈現(xiàn)拋物線型變化趨勢。粉煤灰、電石渣對土壤的改善作用尤為明顯，在不同齡期下，粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土配合比為32∶8∶60 時，測得的無側(cè)限抗壓強度均最高，其中90d 的無側(cè)限抗壓強度最大為5.67MPa。粉煤灰、電石渣改良黃土效果明顯，滿足道路路用性能要求，粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土的最佳配合比為32∶8∶60。

5.3 回彈模量試驗

道路的荷載—變形特性對道路結(jié)構(gòu)的總體穩(wěn)定性和剛度都具有重要作用。盡量選擇耐變形性能較好的材料用作路基填料，是增強道路總體剛度和安全性的關(guān)鍵措施。而回彈模數(shù)則是一種表示道路材料的承載能力的重要參數(shù)，可以表征道路材料在瞬時壓力作用下的可復變形性能。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430-2020），測定方法有杠桿壓力儀法和強度儀法，分別測定配合比為32∶8∶60 的粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土、碎石含量高礫石土的回彈模量。試驗結(jié)果表明，粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土的回彈模量明顯高于礫石土的回彈模量，并有較強的耐變形性能。

6 粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土的施工工藝及壓實質(zhì)量檢驗方法

通過以上試驗結(jié)果可以看出，粉煤灰電石渣穩(wěn)定黃土性能好，是一種良好的道路建設(shè)材料，但在一般公路施工中卻不多見。而在目前的道路建筑施工標準中，對粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土的具體施工工藝和檢驗方法規(guī)定較少。所以，為了保證該混合料路基施工產(chǎn)品質(zhì)量，其施工技術(shù)和質(zhì)量檢驗管理尤為重要。

6.1 施工工藝

（1）用大型機械對已運抵工地的粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土進行攤鋪和推平，用平地機進行地面精平。

（2）攤鋪厚度限制在30cm 以內(nèi)，最大尺寸不得大于15cm。

（3）在碾壓前，要采取措施保持表面均勻，其中混合材料的尖角部分要向下，以防止扎破壓路機輪胎，同時適當用細材鑲接。

（4）各試驗區(qū)路段的碾壓方法和碾壓遍數(shù)如下：先用18t 靜力壓路機慢碾1 遍，使混合料的初壓均勻，以防止震動壓路機車輪的損壞。然后用震動壓路機上掛強振慢碾4 遍、用震動壓路機上不懸掛振動快碾1 遍，以去除輪跡。

6.2 質(zhì)量檢測方法

在道路施工中，測量道路密度的常見方式有：環(huán)刀工法、灌砂法、核子密度儀法。根據(jù)粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土的特性，在試驗工程中通過下列方式綜合測定了密度作為壓實質(zhì)量的控制準則。

（1）灌砂法：根據(jù)常規(guī)標準進行施工檢測，測定濕料比重、含水率，確定施工壓力后，根據(jù)實測最大干密度，測算壓實度。

（2）預埋式施工鐵筒法：在土石混合料中預埋一個長30cm、高30cm 的鐵筒，隨即進行混合料的鋪筑。在碾壓均勻后，再把鐵筒刨下，并計算筒內(nèi)料厚、含水率等。在確定實際密度后，按照最大的干密度計算壓實度。

7 結(jié)語

綜上所述，粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土是一種良好的道路施工材料，具有較高的回彈模量、較好的耐變形能力、較強的力學性能。在道路工程施工中，采用粉煤灰和電石渣穩(wěn)定黃土，可提高道路路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、抗變形能力，值得在道路工程施工中積極推廣和使用。