粉煤灰的路用土工性质试验分析

隋淑梅，海 龙,，曾瑞萍

(1.辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁 阜新 123000； 2.冀中能源集团有限责任公司，河北 邢台 054000)



粉煤灰的路用土工性质试验分析

隋淑梅1，海 龙1,2，曾瑞萍2

(1.辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁 阜新 123000； 2.冀中能源集团有限责任公司，河北 邢台 054000)

以阜新发电厂煤粉炉粉煤灰为研究对象，通过室内试验研究了粉煤灰的路用土工性质。该粉煤灰属于含砂低液限粉土，级配不良；粉煤灰的比重为2.27，明显低于一般粘土和砂土。在含水率18%～35%范围内均可获得较为理想的压实密度，表明粉煤灰击实密度对含水率不是很敏感。该粉煤灰渗透性较强，遇水易崩解。粉煤灰压缩系数小，因此路基填成后的沉降量也小，利于路基稳定。粉煤灰的抗剪强度主要依赖于内摩擦角，其内摩擦角远大于一般的粘土。粉煤灰的回弹模量E0值与粘土的回弹模量值差别不大。在相应的压实度条件下，该粉煤灰可用于下路堤填料、上路堤填料和下路床填料。

粉煤灰； 公路； 路基； 土工性质

1 前 言

粉煤灰是燃煤电厂排出的一种具有火山灰活性、呈颗粒状的微细工业固体废弃物。目前我国燃煤电厂每年的排灰量约3亿吨，如不加以利用，不仅制约电力工业发展，还占用大量土地，造成粉尘污染等环境问题[1-2]。目前，粉煤灰用于砂浆和混凝土制备的工艺已经较为成熟[3-6]，也有将粉煤灰用于灌浆材料的报道[7]。另外，粉煤灰物理组织多孔，比表面积大，具有较高的吸附活性和吸收微波能量的特性，已作为良好的吸附剂和吸波材料，运用在环境工程治理中[8]。然而，这些方面的用量相对于巨大的粉煤灰排量极其有限。随着国民经济的发展，我国的公路工程量迅速发展。高等级公路的普遍特点是路基较高，路基取土与农业争地的矛盾日趋尖锐。利用粉煤灰来填筑路基，不失为解决上述问题的好办法，加之公路需用的填料用量大，而粉煤灰又属于轻质材料，特别适用于软土地区的路基填筑，对路基的稳定有着重要意义，也是将粉煤灰变废为宝的主要途径[2,5-6]。不同地区、不同种类的粉煤灰性质差异较大，这种差异使得不同粉煤灰的使用效果明显不同[5-6,9]。国内各地的试验研究表明粉煤灰和一般细颗粒土相比，具有自重轻、强度高、压缩性小、固结快等特点。但粉煤灰粘聚力小、毛细水作用影响较大，则又对路基的稳定性产生一定的不利影响[10]。因此，对粉煤灰的路用土工性质进行系统研究十分必要，以发挥粉煤灰的优势，避免其不利因素，从而对路基设计、施工提出较为全面的技术方案提供帮助。

2 粉煤灰的基本物理性质

试验研究选用的粉煤灰为阜新发电厂煤粉炉粉煤灰，未经任何破碎、筛分等处理，颜色为暗灰色。

2.1 粉煤灰的颗粒组成

颗粒分析按《公路土工试验规程》[11]的要求进行试验(本文的其余试验方法均按照《公路土工试验规程》要求进行)，对于粒径大于0.075mm的粉煤灰颗粒用筛分试验来测定，对粒径小于0.075mm的粉煤灰颗粒用密度计法测定。

试验结果如表1所示，粉煤灰颗粒分布曲线如图1所示。

表1 阜新发电厂粉煤灰细筛分析表

图1 阜新发电厂粉煤灰颗粒分布曲线Fig.1 Particle size distribution curve of fly ash in Fuxin power plant

2.2 粉煤灰的比重

因粉煤灰颗粒较细，采用比重瓶法测定粉煤灰的比重。试验结果如表2所示。

一般砂土的平均比重为2.65，轻亚粘土2.70，亚粘土2.71，粘土2.74。从表中数据可以看出，粉煤灰的比重为2.27，明显低于一般粘土和砂土。粉煤灰质轻的主要原因是部分粉煤灰颗粒的中空结构。另外，粉煤灰中含有碳颗粒(比重1.3)也是粉煤灰比重较小的一个因素。

表2 阜新发电厂粉煤灰的比重测试结果

2.3 粉煤灰的最大干密度

用击实试验测定粉煤灰的干密度和含水率的关系，从而确定最大干密度和相应的最佳含水率。试样制备分为干法和湿法两种，根据路基工程的实际，本次试验中采用干法制备试样。本次试验采用重型标准击实试验。

试验得出粉煤灰的干密度与含水率的关系曲线如图2所示。

图2 粉煤灰击实曲线Fig.2 Compaction curve of fly ash

由试验结果可见粉煤灰和一般土一样都存在最佳含水率所对应的最大干密度。粉煤灰的最佳含水率为25%，最大干密度为1.3075g/cm3。粉煤灰的击实特性具有典型的非粘性土特征，在含水率18%～35%范围内均可获得较为理想的压实密度，表明粉煤灰击实密度对含水率不是很敏感。

3 粉煤灰的水理性质

3.1 粉煤灰的毛细性

测定土的毛细水上升高度和速度，可用于估计地下水位升高时路基被浸湿的可能性和浸湿的程度。结合道路工程的特点，按《公路土工试验规程》[11]的要求，采用直接观测法分析粉煤灰的毛细性。

粉煤灰中毛细水的上升高度与灰体密实程度及密封状况有关。压实度越小，毛细水上升高度越大。灰体上部密封情况下，毛细水上升的高度比不密封情况下要低。当灰体上部密封，压实度在90%左右时，灰体中毛细水上升高度可达60～80cm。

压实后的粉煤灰中水分的分布规律是：在毛细水上升高度以下时，灰体含水率都超过其压实成型时的含水率，并且是由下至上逐渐减小。在毛细水上升高度以上，灰体则基本保持成型时的含水率。因此，在有水源的情况下，毛细水上升高度之上的粉煤灰毛细吸水能力较强。

3.2 粉煤灰的湿化

湿化是土的水敏感特征的重要表现。湿化试验的目的是测定粉煤灰土体在水中的崩解速度，作为湿法填筑路基的标准之一。

按《公路路基施工技术规范》[13]的要求，根据击实试验的结果，以93%压实度制备粉煤灰土样进行试验。

本次试验历时2min，试样刚放下时水槽有气泡冒出，水变得十分浑浊，接近2min时立方体棱角处有明显的塌落，随后突然全部崩解，崩解量为100%。可见粉煤灰黏结能力差、遇水易崩解，这就可以解释未经防护的粉煤灰路基易形成较大冲沟，造成表层滑坡和局部溜坍。

4 粉煤灰的力学性质

4.1 粉煤灰的透水性

根据颗粒分析试验，本项目中的粉煤灰均属细粒土，按《公路土工试验规程》[11]的要求，采用变水头渗透试验研究粉煤灰的透水性。实验结果如表3和图3所示。

表3 粉煤灰渗透系数与压实度关系表Table 3 Relation table between penetration coefficient and degree of compaction of fly ash

图3 粉煤灰渗透系数与压实度的关系曲线Fig.3 Relation curve between penetration coefficient and degree of compaction of fly ash

粉煤灰的渗透系数k值较大，说明其透水性相对较大。粉煤灰的渗透性能和压实度有关，压实度越大，渗透性越差。当压实度为96%时，粉煤灰渗透系数降低到1.8×10-4cm/s，介于粉质砂土(6×10-4～1×10-3cm/s)和亚粘土(6×10-6～1×10-4cm/s)之间。

4.2 粉煤灰的压缩特性

按《公路土工试验规程》[11]的要求进行固结试验，根据击实试验的结果，按照93%的压实度、最佳含水率25%制备试样，试验后测得真实含水率为23.7%。孔隙比与压力的关系如图4所示。

图4 真实含水率为23.7%时孔隙比与压力之间的关系曲线Fig.4 Relation curve between Void ratio and pressure when the true moisture content is 23.7%

土的压缩系数不是常数，它随初始压力p1和压力增量(p1-p2)而变化，为了判断和比较土的压缩性，并考虑到土基础通常受到的压力大小，实用上采用p1=100kPa和p2=200kPa，根据土的室内压缩试验孔隙比与压力的曲线(e～p)来确定土的压缩系数a1-2，根据a1-2来评价土的压缩性大小。粉煤灰压缩试验结果表明，粉煤灰的压缩系数a1-2为0.114MPa-1，而一般土的压缩系数a1-2为0.24MPa-1。粉煤灰属于粉质土，灰体本身呈蜂窝结构，但颗粒本身变形很小。压缩时颗粒内部的水和气不易排出，所以尽管粉煤灰的比重较小，但其压缩性不是很大。由于压缩系数小，路基填成后的沉降量也小，即在同等条件下，粉煤灰路基沉降变形将小于土质路基，更易于稳定。

4.3 粉煤灰的抗剪强度特性

在地基承载力、土坡和路基稳定性评价中，土的抗剪强度指标是最重要的基本力学参数。在不同的含水状态下，土体的抗剪强度存在显著差异[14-15]。土的剪切强度通过粘聚力c值和内摩擦角φ值来表征。对同一种土，即使在同一法向压力下，由于剪切前试样的固结过程和剪切试样的排水条件不同，其强度指标也是各异的。按剪切前的固结过程、剪切时的排水条件以及加载快慢情况，直剪试验分为快剪，固结快剪和慢剪三种试验方法。

粉煤灰的渗透系数较大，本次试验采用固结快剪试验。另外，土的抗剪强度还受干密度的影响，对于路基工程，土的结构和密度在局部范围不会有太大变化，根据《公路路基施工技术规范》[9]中对粉煤灰压实度的要求，试验选用93%的压实度制样。含水率分别取为10%，15%，20%，25%和饱和状态。

试验得出93%压实度下不同含水率时的抗剪强度指标如表4所示。

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表4 粉煤灰93%压实度下不同含水率的抗剪强度指标Table 4 Shear strength index of fly ash under different moisture content when the degree of compaction is 93%

当粉煤灰在饱和含水率条件下，粘聚力降低为零，这一点和粘土相似。但是在其他相同含水率条件下，粘土的c值比粉煤灰要高得多。因此，粉煤灰的抗剪强度主要依赖于内摩擦角φ值，这一点又和细砂土的性质相似。

可见，在各种含水率条件下，粉煤灰的粘聚力c值均较小，而内摩擦角φ值均较大，粉煤灰的抗剪强度主要依靠内摩擦角φ的贡献。随着含水率的提高，粉煤灰的粘聚力c呈减小趋势，当粉煤灰含水率达饱和后，粘聚力完全被破坏，这一点和粘土相似。

随着含水率的提高，内摩擦角φ也呈减小趋势，但减小幅度不大。无论含水量如何变化，在相同含水率条件下，粉煤灰的φ值均高于一般粘土。

因为粉煤灰的抗剪强度主要依靠内摩擦角φ的贡献，本次试验给出内摩擦角与含水率的关系曲线如下：对试验数据进行拟合，可以得到压实度为93%条件下粉煤灰内摩擦角φ与含水率x的函数关系为：

φ=A+Be(-x/t)

其中，A=38.66955；B=11.38231；t=14.8749。

图5 粉煤灰内摩擦角与含水率的关系图Fig.5 Relation curve between the internal friction angle and moisture content of fly ash

4.4 粉煤灰的回弹模量

回弹模量E0值是路基强度的常用指标，用来表征材料抵抗垂直变形的能力。按照《公路土工试验规程》的要求，采用干土法(土不重复使用)，按四分法准备5份土样，分别加入不同水分(按2%～3%含水率递增)，拌匀后闷料一夜。根据公路工程的实际情况选择重型击实法，按照最佳含水率25%，取压实度为95%制备试件。试验后测得试样的干密度为1.23g/cm3，与预定95%的压实度基本吻合。试验结果见表5所示。

表5 回弹模量试验结果表

该试件回弹模量的大小范围是31MPa～37MPa。需要说明的是，粉煤灰的回弹模量与其压实度和含水率均有一定关系。孔玉坤[16]研究了铁阜高速公路K147+100～K147+260、K147+360～K147+700两段路基挖方的“强风化粘土矿”和“全风化粘土矿”的回弹模量，得出：对于“强风化粘土矿”，在压实度为93%时，回弹模量为49MPa；压实度为96%时，回弹模量为54MPa。对于“全风化粘土矿”，在压实度为93%时，回弹模量为21MPa；压实度为96%时，回弹模量为34MPa。对比本研究的粉煤灰的回弹模量，可见粉煤灰的回弹模量与其他学者得到的阜新地区粘土的回弹模量值差别不是很大。

4.5 粉煤灰的承载比

根据上述击实试验的结果，在最佳含水率25%的条件下，在承载比试筒内按照《公路路基施工技术规范》[9]要求的路基不同部分的压实度94%、96%、97%制备试件。由承载比试验得到的阜新发电厂粉煤灰在最佳含水率、不同压实度条件下的承载比试验结果如表6所示。

表6 粉煤灰在最佳含水率、不同压实度条件下的承载比Table 6 Fly ash’s CBR value table under the optimum moisture content and different degree of compation

表中所列承载比标准为《公路路基施工技术规范》[9]中所要求的高速公路、一级公路的承载比标准值。可见，当压实度为94%时，该粉煤灰可以作为下路堤填料；当压实度为96%时，该粉煤灰可以作为上路堤填料；当压实度为97%时，该粉煤灰可以作为下路床填料。

5 结 论

以阜新发电厂煤粉炉粉煤灰为研究对象，通过室内试验研究了粉煤灰的路用土工性质，以期为实际公路路基工程提供科学依据。研究得出的结论如下：

1.该粉煤灰呈暗灰色，属于含砂低液限粉土，级配不良。粉煤灰的比重为2.27，明显低于一般粘土和砂土。

2.粉煤灰和一般土一样都存在最佳含水率所对应的最大干密度。其最佳含水率为25%，最大干密度为1.3075g/cm3。粉煤灰的击实特性与粘性土不同，具有典型的非粘性土特征，在含水率18%～35%范围内均可获得较为理想的压实密度，表明粉煤灰击实密度对含水率不是很敏感。

3.压实度在90%左右时，粉煤灰体中毛细水上升高度可达60～80cm，毛细水作用较为强烈。粉煤灰黏结能力差、遇水易崩解。

4.粉煤灰的透水性相对较大。其渗透性能还和压实度有关，随着压实度提高，渗透性降低。

5.尽管粉煤灰的比重较小，但其压缩性不是很大。由于压缩系数小，路基填成后的沉降量也会较小，即在同等条件下，粉煤灰路基沉降变形将小于土质路基，更易于稳定。

6.在各种含水率条件下，粉煤灰的粘聚力c值均较小，而内摩擦角φ值均较大，粉煤灰的抗剪强度主要依靠内摩擦角φ的贡献。随着含水率的提高，粉煤灰的粘聚力c呈减小趋势，当粉煤灰的含水率达饱和后，粘聚力减小为零。随着含水率的提高，内摩擦角φ也呈减小趋势，但减小幅度不大。无论含水量如何变化，在相同含水率条件下，粉煤灰的φ值均高于一般粘土。

7.粉煤灰的回弹模量E0值与粘土的回弹模量值差别不大。

8.在相应的压实度条件下，该粉煤灰可用于高等级公路下路堤填料、上路堤填料和下路床填料。

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Test Analysis of the Fly Ash’s Geotechnical Properties for Road Use

HAI Long1， SUI Shumei1,2， ZENG Ruiping2

(1.School of Mechanics & Engineering, Liaoning University, Fuxin 12300, China; 2.Jizhong Energy Resources Co. Ltd., Xingtai 054000, China)

Laboratory tests were carried out on the geotechnical properties for road used fly ash in Fuxin Power plant. The fly ash was bearing sand silt of low liquid limit and poorly graded soil. Its specific gravity was 2.27 which lower than the normal clay and sandy soil. When the moisture content of fly ash at the range of 18%～35%, the comparatively ideal compacted density can be achieved, which show that the hit-solid density of the fly ash is not sensitive to water content. The fly ash has a stronger permeability and an easier pulverization whenever it comes across water. Because the compressibility of fly ash is small, the settlement of the subgrade filler also becomes small, which benefits the stability of the subgrade. The shear strength of the fly ash depends mainly on internal friction angle which is usually much higher than normal clays. The fly ash’s modulus of resilience E0is slightly differentfrom the normal clay. Under the corresponding compaction, the fly ash can be applied to upper embankment、lower embankment、lower road bed.

fly ash； road； subgrade； geotechnical properties

1673-2812(2017)02-0278-06

2015-11-06；

2016-03-07

国家自然科学基金资助项目(50974070，51474120)

隋淑梅(1979-)，女，黑龙江大庆人，博士，讲师，主要从事矿山灾害预测与防治方面、工业固体废弃物综合利用方面的研究工作。E-mail:hailong8901@163.com。

TU 411

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.022