粉煤灰壓實(shí)土工程性質(zhì)試驗(yàn)研究

1、目錄摘要. 11. 粉煤灰. 11.1 粉煤灰理化性質(zhì) . 11.2 粉煤灰工程性質(zhì) . 11.3 粉煤灰壓實(shí)土的介紹 . 21.4 石灰粉煤灰活化機(jī)理 . 22. 粉煤灰壓實(shí)土的工程性質(zhì) . 22.1 擊實(shí)試驗(yàn) . 22.2 直剪試驗(yàn) . 53. 壓縮試驗(yàn). 74. 滲透試驗(yàn). 8參考文獻(xiàn)：. 8粉煤灰壓實(shí)土工程性質(zhì)試驗(yàn)研究摘要粉煤灰是一種工業(yè)廢棄物，是發(fā)電廠燃煤高爐排放的粉質(zhì)殘?jiān)ǔＳ直环Q為“飛灰”。目前我國(guó)燃煤電廠每年排放的粉煤灰已達(dá)1.8億噸以上，引起了許多經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問(wèn)題。實(shí)踐證明，對(duì)粉煤灰的合理利用，不但可減少污染和場(chǎng)地使用問(wèn)題，而且將其用作其它材料的替代品，還可減少工程造價(jià)。從可

2、持續(xù)發(fā)展角度看，粉煤灰的綜合利用符合現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)的利益。1. 粉煤灰1.1 粉煤灰理化性質(zhì)粉煤灰為細(xì)粉狀，呈灰色。顆粒為比表面積大的多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)水的吸附能力很大。粉煤灰的粒徑大部分集中在150um ，平均粒徑d 50為0.016mm 0.031mm ，不均勻系數(shù)Cu 為3.06l0.9l ，粘粒含率57 ，塑性指數(shù)為48，由此判定其土性介于粉砂與粉土之間即砂質(zhì)粉土，粉煤灰的密度為1.742.2cm ，滲透系數(shù)可達(dá)（3510-41610-4）cm/s，粉煤灰的比表面積高達(dá)3324c g （平均值），孔隙率為6075，分粗、中、細(xì)3種顆粒。粉煤灰是一種高分散的固溶體，屬人工火山灰質(zhì)材料。火山灰質(zhì)材料

3、，化學(xué)成份隨著煤種、燃燒工況和收塵方式不同而變化 。粉煤灰和天然土中的化學(xué)成分具有很大的相似性，主要成分以硅、鐵、鋁、鈣的氧化物為主，其次為鎂、硫、鈉、鉀的氧化物以及未燃燒的碳。粉煤灰PH 值約為7，屬中性材料，對(duì)建筑材料無(wú)侵蝕作用。1.2 粉煤灰工程性質(zhì)馮海寧1在對(duì)粉煤灰的工程特性的試驗(yàn)研究中得到：1、一般燃煤鍋爐所排放的粉煤灰（顆粒較粗）具有良好的水穩(wěn)性。2、由于一般燃煤鍋爐所排放的粉煤灰顆粒較粗，顆粒組成類似中砂，因而其內(nèi)摩擦角較大，值明顯大于黃土和砂粘土。3、在相同的壓實(shí)系數(shù)條件下，隨著含水量的增大粉煤灰的內(nèi)摩擦角略有降低，表現(xiàn)出一定的軟化性質(zhì)，其原因主要是由于較多的水份降低了顆粒間的

4、摩擦力而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角降低。4、壓實(shí)系數(shù)的大小對(duì)粉煤灰強(qiáng)度有重要的影響，隨著壓實(shí)系數(shù)的增大，粉煤灰破壞時(shí)的峰值增大，同時(shí)粉煤灰的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有所增加。綜上所述，顆粒較粗的粉煤灰具有較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度和良好的水穩(wěn)性。因此在進(jìn)行地基處理時(shí)，可以將其作為換填材料，而且性能較好。在實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)建筑物對(duì)地基變形量的要求，進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)，可以滿足工程安全的需要。1.3 粉煤灰壓實(shí)土的介紹在灰土中用等量的粉煤灰代替石灰得到粉煤灰壓實(shí)土（石灰、粉煤灰和素土的混合物在工程中通常被稱為二灰土），是利用廢料粉煤灰、石灰與土料混合作為地基回填土的一種新型材料。我國(guó)八十年代以來(lái)將其應(yīng)用于公路領(lǐng)域，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的灰土或素

5、填土，既提高了工程質(zhì)量，又利用了本為廢料的粉煤灰，變廢為寶，節(jié)省了石灰和土料。1.4 石灰粉煤灰活化機(jī)理粉煤灰活性機(jī)理的本質(zhì)是：石灰中的氫氧化鈣與活性二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵反應(yīng)生成水化硅酸鈣（CaOSiO 2nH 2O ）、水化鋁酸鈣（CaOAl 2O 3nH 2O ）、水化鐵酸鈣（CaOFe 2O 3nH 2O ）等一系列不溶于水的穩(wěn)定性結(jié)晶生成物。隨著水化反應(yīng)的不斷深化，更多的水化生成物生成，并在空氣和水中逐漸硬化，將灰土拌和物中的固體顆粒膠結(jié)在一起，形成了較大的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使得灰土的強(qiáng)度高于其單一組分物質(zhì)的強(qiáng)度。這一水化過(guò)程將一直持續(xù)到反應(yīng)平衡時(shí)為止，整個(gè)過(guò)程比較緩慢，二灰土的強(qiáng)度則隨著

6、時(shí)間的增長(zhǎng)而緩慢增大。1.5 粉煤灰壓實(shí)土的配比中鐵十一局的賈江立2等針對(duì)某公路路基場(chǎng)地地質(zhì)條件，對(duì)粉煤灰改善土的強(qiáng)度性能和膨脹性能等方面進(jìn)行了探討。從試驗(yàn)中可以看出摻入石灰、粉煤灰的強(qiáng)度的規(guī)律性。當(dāng)石灰與粉煤灰的比例在1：2時(shí)，灰土的強(qiáng)度達(dá)到0.83MPa ，當(dāng)石灰與粉煤灰的比例在1：3時(shí)，強(qiáng)度可以達(dá)到1.19MPa ，當(dāng)石灰與粉煤灰的比例在1：4時(shí)，強(qiáng)度有所降低，達(dá)到1.06MPa 。不難看出灰土的強(qiáng)度最大值在石灰與粉煤灰的比例在1：3附近。姚占勇22等人在黃河沖（淤）積粉質(zhì)二灰土的配比研究中，給出了黃河沖淤積平原區(qū)土質(zhì)和黃河沖淤積平原區(qū)土質(zhì)最適宜的二灰含量范圍，認(rèn)為土與粉煤灰的顆粒級(jí)配是

7、影響二灰土強(qiáng)度與壓實(shí)性能的重要因素。本文僅對(duì)1：1：8和1：2：7兩組配比的二灰土進(jìn)行試驗(yàn)研究。2. 粉煤灰壓實(shí)土的工程性質(zhì)2.1 擊實(shí)試驗(yàn)擊實(shí)試驗(yàn)是模擬現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)條件，采用錘擊方法使土體密度增大、強(qiáng)度提高、沉降變小的一種試驗(yàn)方法。擊實(shí)試驗(yàn)的目的是測(cè)定試樣在一定擊實(shí)次數(shù)下或某種壓實(shí)功能下的含水率與干密度之間的關(guān)系，從而確定的最大干密度和最優(yōu)含水率，為施工控制填土密度提供設(shè)計(jì)依據(jù)。試驗(yàn)材料：黃土取自榆中和平，粒徑0.75 mm 的粉質(zhì)粘土；粉煤灰、石灰均為工程用灰。體積配合比是按照各集料的天然容重下?lián)Q算成干容重的體積比。配置粉煤灰壓實(shí)土：粉煤灰：石灰：土：1：1：8；1：2：7兩組，灰土：2：8；

8、3：7兩組（與粉煤灰壓實(shí)土進(jìn)行對(duì)比），每組需四個(gè)試樣，將每組試樣分別進(jìn)行均勻拌合, 并立即采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的JDS-1型數(shù)控電動(dòng)擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí), 擊實(shí)分三層裝土, 每層擊實(shí)后刮毛，每層擊實(shí)功能為25擊。其干密度與平均含水率的關(guān)系曲線，如下圖所示： 圖1 1：1：8灰土最大干密度與最有含水率曲線 圖2 1：2：7灰土最大干密度與最有含水率曲線 4圖3 2：8灰土最大干密度與最優(yōu)含水率曲線 圖4 3：7灰土最大干密度與最優(yōu)含水率曲線土 樣 最大干密度（g/cm） 最有含水率（%）2：8灰土 1.56 21.74 1：1：8灰土 1.5819.343：7灰土 1.53 21.281：2：7灰土

9、 1.55 21.04由擊實(shí)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知，用粉煤灰代替一定量的石灰后，最大干密度增大，最優(yōu)含水率減小，但變化幅度不大，說(shuō)明用一定量的粉煤灰代替石灰后，對(duì)最大干密度與最優(yōu)含水率的影響不大。52.2 直剪試驗(yàn)土的抗剪強(qiáng)度是土的重要力學(xué)性質(zhì), 是決定地基或建筑物穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最優(yōu)含水率與最大干密度來(lái)制定試樣，本試驗(yàn)采用直接剪切中的快剪試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)得土的抗剪強(qiáng)度。以下粉煤灰壓實(shí)土不同配比下，軸壓分別為0.1Mp 、0.2 Mp、0.3 Mp、0.4 Mp時(shí)，齡期在1天、7天、14天、28天測(cè)得的剪應(yīng)力繪制的曲線圖： 圖5 =0.1Mp 圖6 =0.2Mp6 圖7 =0.3Mp

10、 圖8 =0.4Mp不同配比的粉煤灰壓實(shí)土強(qiáng)度荷載下隨著軸荷載的增大其強(qiáng)度也隨著增大，粉煤灰壓實(shí)土兩種配比之間同一軸荷載下強(qiáng)度變化不大，但1：1：8灰土較1：2：7灰土強(qiáng)度變化要穩(wěn)定。粉煤灰壓實(shí)土的曲線隨著齡期的增大其曲線有明顯的上升，數(shù)值上表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)?；彝恋那€隨著齡期的增長(zhǎng)其曲線上升趨勢(shì)沒(méi)有粉煤灰壓實(shí)土明顯。起始粉煤灰壓實(shí)土與灰土的強(qiáng)度并無(wú)太大差距，7天以后粉煤灰壓實(shí)土強(qiáng)度明顯大于灰土。其原因是由于一般粉煤灰含CaO 量較低，起初通過(guò)外加石灰激發(fā)其活性，但反應(yīng)較慢；隨著齡期增長(zhǎng)，火山灰反應(yīng)逐步增強(qiáng)，粉煤灰壓實(shí)土的強(qiáng)度逐步增大。同時(shí)，可以得出粉煤灰與石灰的反應(yīng)要強(qiáng)于石灰與土的反應(yīng)，且生

11、成的膠凝物性能也較優(yōu)。將其分為兩組進(jìn)行比較，2：8灰土與1：1：8灰土一組，3：7灰土與1：2：7灰土一7組，后者強(qiáng)度明顯大于前者，說(shuō)明用一定量的粉煤灰代替灰土中等量的石灰是完全可行的，不但利用了廢料粉煤灰，而且提高了灰土的強(qiáng)度，可謂達(dá)到了一石二鳥的效果。以下是不同齡期不同配比時(shí)測(cè)得灰土和粉煤灰壓實(shí)土的力學(xué)指標(biāo)粘聚力c 和內(nèi)摩擦 角：力學(xué)指標(biāo) 齡期（天） 灰土 粉煤灰壓實(shí)土2：8 3：7 1：1：8 1：2：71 0.0450 0.0705 0.048 0.0195 粘聚力 7 0.0585 0.0485 0.150 0.0970 c 140.0370 0.0600 0.136 0.08752

12、8 0.0465 0.0720 0.2875 0.3120130.63 31.01 36.98 37.56 內(nèi)摩擦角 728.46 33.14 31.05 35.37 14 30.71 31.88 44.83 42.7428 30.03 31.09 27.47 30.67由不同齡期的力學(xué)指標(biāo)圖表可以看出，無(wú)論是粘聚力c 還是內(nèi)摩擦角都有所增大，一般來(lái)說(shuō)，組成土的團(tuán)粒越粗、越堅(jiān)硬則土體的兩個(gè)指標(biāo)c 、值就越高。粘聚力c 值主要決定于土團(tuán)粒和團(tuán)粒之間的連接，內(nèi)摩擦角值主要決定于土的團(tuán)粒的大小和形狀。說(shuō)明摻粉煤灰以后的灰土中團(tuán)粒變大了，且比灰土堅(jiān)硬，這一點(diǎn)可以用粉煤灰石灰的活化機(jī)理去解釋，前面已提過(guò)

13、，此處不再贅述。3. 壓縮試驗(yàn)土的壓縮性可由孔隙比和壓力曲線得到，土的壓縮性直接影響到地基（或路基）的沉降，最終影響到建筑物（道路）的安全性。本試驗(yàn)采用無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，由1：1：8，1：2：7灰土最優(yōu)含水率配置兩組擊實(shí)試樣，試驗(yàn)分四級(jí)加荷，分別為50kPa ，100kPa ，200kPa ，400kPa 。根據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50123-1999）規(guī)定，采用p 1=100kPa，p 2=200kPa所得的壓縮系數(shù)a 1-2作為評(píng)定土壓縮性高低的指標(biāo)，粉煤灰壓實(shí)土壓縮系數(shù)及壓縮模量見下表：8土樣 壓縮系數(shù)a 1-2 壓縮模量 （Mp ）1：1：8 0.02 66.7 1：2：70.0

14、370.8由試驗(yàn)結(jié)果可知，1：1：8和1：2：7兩組灰土的壓縮系數(shù)均小于0.1Mp -1, 屬于低壓縮性土。由以往工程經(jīng)驗(yàn)可知，2：8和3：7灰土屬于中低壓縮性土，隨著齡期的增長(zhǎng)，其壓縮性逐漸減小。試驗(yàn)未對(duì)粉煤灰壓實(shí)土不同齡期的壓縮系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，但可以推知，粉煤灰壓實(shí)土的壓縮性也應(yīng)是隨齡期的增長(zhǎng)而減小的。因?yàn)橐话惴勖夯液珻aO 量較低，雖然通過(guò)外加石灰激發(fā)其活性，但反應(yīng)較慢，隨著齡期的增長(zhǎng)，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)很快，其原因是由于隨著齡期增長(zhǎng)，火山灰反應(yīng)逐步增強(qiáng)，粉煤灰壓實(shí)土的強(qiáng)度逐步增大，因此可以證明上述推測(cè)是合理的。4. 滲透試驗(yàn)土孔隙中的自由水在重力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，稱為土的滲透性。在工程中常需要了解土的滲透性，例如基坑開挖排水時(shí)，需要了解土的滲透性，以配置合適的排水設(shè)備；在河灘上修筑滲水路堤時(shí)，需要考慮路堤填料的滲透性；在計(jì)算飽和粘性土上建筑物的沉降和時(shí)間的關(guān)系時(shí)，需要掌握土的滲透性。配置兩組粉煤灰壓實(shí)土在最優(yōu)含水率下的擊實(shí)試樣后，采用南55型滲透儀變水頭法，分別進(jìn)行5次平行試驗(yàn)，取其平均值，得到1：1：8和1：2：7二灰土的滲透系數(shù)如下表：1：1：8灰土 （10-7） 1：2：7灰土 （10-7）