CFB粉煤灰路基填料无侧限抗压强度试验研究

周 鑫，高福宁，任希庆，杜菊平，邓小鹏

(1.山西诚达公路勘察设计有限公司,山西 太原 030006;2.汾阳市交通运输局,山西 吕梁 032200；3.山西能源学院,山西 晋中 030600)

0 引言

CFB粉煤灰是循环流化床粉煤灰的简称，指的是由循环流化床锅炉(Circulating Fluidized Bed Combustion Boiler)燃煤时产生的主要固体废弃物，循环流化床锅炉一般采用的是高硫劣质煤、煤矸石等低热值煤燃烧，燃烧时喷入一定量固硫剂脱硫，达到高效脱硫、低氮排放等优点，是新一代高效、低污染、清洁燃煤技术，因此在低热值燃料利用中得到了广泛的使用[1-2]。然而由于CFB锅炉燃烧的温度远低于传统煤粉炉的燃烧温度，其产生的CFB粉煤灰在化学成分、矿物组成、物理性质等方面与传统粉煤灰存在较大差异[3-5]。因此无法对CFB灰采用常规方式处治，制约了CFB粉煤灰的资源化利用，目前对CFB灰依然以堆放处置为主[6]。山西G307线汾阳市过境改线公路工程实施中，结合汾阳市分布着大量堆置的CFB粉煤灰，为达到固废利用目的，提出了将CFB粉煤灰应用于路基填筑中，采用“以灰代土”的方法来修筑路基，减少取土填筑对环境的破坏。

公路路基是承受车辆荷载作用的载体，因此要求路基具有较高的强度，来抵抗车辆荷载的作用。无侧限抗压强度是反映路基填料物理力学性质的一个重要指标，是表征路基填料在无侧向压力条件下抵抗轴向压力的极限强度，也是路基设计中重要的依据之一，如果路基填料的抗压强度降低容易造成路基沉降变形，从而引起路基不均匀沉降、开裂、边坡失稳等一系列的工程灾害，威胁车辆行驶安全，影响公路工程使用寿命[7-9]。

CFB粉煤灰具有一定的火山灰活性和自硬性[4]，国内外学者在CFB粉煤灰作为建筑材料的资源化利用上展开了广泛的研究。在建筑材料上，CFB粉煤灰作为凝胶材料，代替部分石膏用作水泥混合材和混凝土掺合料，研究其作为混合材对水泥性能、水化作用的影响，其研究结果表明，磨细CFB 灰渣可作为水泥混合材利用，强度、水泥安定性和凝结时间能满足国家标准，CFB灰细度提高有利于水泥强度增加，CFB灰的最佳掺量为20%[10-14]。在道路工程上，采用CFB固硫灰改良云南红黏土和固化淤泥质软土，能够提高红黏土和淤泥质土的抗压强度[15-18]。但CFB粉煤灰作为路基填料应用研究上，目前报道较少。因此，基于山西G307线汾阳市过境改线公路工程中的CFB粉煤灰填筑路基开展CFB粉煤灰的无侧限抗压强度研究具有重要意义。

本研究制备不同压实度的CFB试样，拟在不同的养护条件、不同龄期及水作用下，对CFB粉煤灰试样进行无侧限抗压强度测试。探讨不同压实度的CFB粉煤灰无侧限抗压强度在不同养护条件、不同养护龄期及水作用下其强度变化规律，以期为CFB粉煤灰在公路工程中的应用提供理论研究和工程借鉴。

1 试验材料及试验方案

1.1 CFB粉煤灰材料性质

本次试验所采用的CFB粉煤灰取自山西省汾阳市某电厂所产的干灰。依据《公路土工试验规程》(JTG E40—2019)的相关规定，对CFB粉煤灰样品进行了比重、颗粒分析、液、塑限、含水率等基本的土工试验并进行了化学成分分析。其主要物理力学性质见表1，其主要化学成分见表2。

表1 CFB粉煤灰土工试验结果

1.2 试验方案

按重型击实试验制作CFB粉煤灰试样，因G307汾阳过境改线为一级公路，按《公路路基设计规范》中路基压实度的要求，试样压实度分别按90%，92%，94%和96%进行制备，龄期分为1 d，3 d，7 d 和14 d，养护条件分自然养护和标准养护。自然养护是将试样装入塑料袋中封口后进行养护，如图1所示，模拟CFB粉煤灰路基中包边土的隔离功能，标准养护是将试样放入FH-V型标准恒温恒湿箱中进行养护，箱中的温度为(20±2) ℃，湿度≥95%，如图2所示。每组无侧限抗压强度测试6个试件，共计288个试件。测试不同龄期、不同压实度在不同养护条件下的CFB粉煤灰的无侧限抗压强度，如图3所示。

图2 恒湿恒温箱标准养护

图3 无侧限抗压强度试验

2 试验结果与分析

不同龄期、不同压实度在不同养护条件下CFB粉煤灰所对应的无侧限抗压强度如表3所示。

表3 CFB粉煤灰无侧限抗压强度

2.1 压实度对CFB粉煤灰无侧限抗压强度的影响

为分析不同的压实度对CFB粉煤灰的无侧限抗压强度的影响，分别绘制了自然养护与标准养护条件下CFB粉煤灰抗压强度随压实度的变化曲线(图4，图5)。从图4可以看出，在自然养护的条件下，相同的养护龄期，除1 d的无侧限抗压强度随着压实度增加不显著外，其余养护龄期的CFB粉煤灰无侧限抗压强度均随着压实度的增大而增大；特别是养护天数在3 d和7 d时，压实度的影响尤为显著；但在14 d养护龄期时，压实度从90%增大至92%，CFB粉煤灰的无侧限抗压强度增长迅速，但随着压实度的增大，其无侧限抗压强度呈现增长停滞的趋势。

图4 自然养护下CFB粉煤灰抗压强度随压实度变化

图5 标准养护下CFB粉煤灰抗压强度随压实度变化

图5是标准养护下CFB粉煤灰抗压强度随压实度的变化曲线，从图中可以看出，在标准养护下的CFB粉煤灰的无侧限抗压强度要小于自然养护下的无侧限抗压强度。在标准养护下，同样的养护龄期，压实度的增大对CFB粉煤灰的无侧限抗压强度影响不大，仅在养护7 d龄期时，CFB粉煤灰的无侧限抗压强度随着压实度的增大呈现稍增长的趋势。因此在自然养护的条件下，随着压实度的增大，CFB粉煤灰的无侧限抗压强度也是在逐渐增长的；标准养护条件下，压实度的增大对CFB粉煤灰的无侧限抗压强度增长影响不大。

2.2 养护龄期对CFB粉煤灰无侧限抗压强度的影响

为分析不同养护龄期对CFB粉煤灰的无侧限抗压强度的影响，分别绘制了自然养护与标准养护条件下CFB粉煤灰抗压强度随养护龄期的变化曲线(图6，图7)。从图6可以看出，在自然养护的条件下，随着养护龄期的增加，CFB粉煤灰的无侧限抗压强度呈现近似直线型增长，特别是养护龄期在3～7 d间，而龄期在7～14 d间，CFB粉煤灰的无侧限抗压强度增长较缓慢些，压实度为92%，94%和96%的CFB粉煤灰养护14 d后，3者的无侧限抗压强度基本能达到一致，约为9.70 MPa，而压实度为90%的CFB粉煤灰养护14 d后，其无侧限抗压强度小于前3者，为7.62 MPa，相差约2.0 MPa。这说明CFB粉煤灰的压实度达到92%以上，随着龄期的增长不同压实度的CFB粉煤灰无侧限抗压强度最终会基本一致，因此公路工程中用CFB粉煤灰填筑路基时没有必要追求高压实度。

图6 自然养护下CFB粉煤灰抗压强度随养护龄期变化

图7 标准养护下CFB粉煤灰抗压强度随养护龄期变化

图7是标准养护下CFB粉煤灰抗压强度随养护龄期变化曲线，从图中可以看出，在标准养护的条件下，随着养护龄期的增加，CFB粉煤灰的无侧限抗压强度呈现增长趋势，不同养护龄期段，1～3 d和3～7 d的CFB粉煤灰无侧限抗压强度增长率基本一致，而7～14 d增长率明显高于前两个龄期段，但不同压实度的CFB粉煤灰经标准养护14 d后，无侧限抗压强度基本能达到一致，约为7.40 MPa。

对CFB粉煤灰的无侧限抗压强度增长与龄期采用二项式进行拟合，发现自然养护条件下，压实度为92%，94%，96%的CFB粉煤灰其无侧限抗压强度与龄期有较好的拟合关系；标准养护条件下各压实度的CFB粉煤灰其无侧限抗压强度与龄期有较好的拟合关系，具体见图6、图7中的拟合公式，其R2值均在0.95以上，说明拟合关系较好。因此不管是自然养护还是标准养护，CFB粉煤灰的无侧限抗压强度会随着养护龄期的增加而增大，除压实度为90%的自然养护条件下外，不同压实度下的CFB粉煤灰的无侧限抗压强度增长最终会达到基本一致。

2.3 水对CFB粉煤灰无侧限抗压强度的影响

为研究水对CFB粉煤灰抗压强度的影响，试验中对各龄期养护好的试样采用浸水24 h后再测试其饱水无侧限抗压强度。其中龄期1 d及3 d的试样浸泡后试样散开破坏无法测试其强度，如图8所示；龄期7 d及14 d的试样浸水后试样完整，其饱水无侧限抗压强度测试结果见表4。

图8 龄期1 d及3 d的试样泡水后破坏

表4 CFB粉煤灰饱水无侧限抗压强度

为分析水对CFB粉煤灰无侧限抗压强度的影响，分别绘制了自然养护与标准养护条件下CFB粉煤灰饱水与不饱水状态的无侧限抗压强度随压实度的变化对比曲线(图9，图10)。可以看出，不同龄期CFB粉煤灰的饱水无侧限抗压强度均低于不饱水状态的无侧限抗压强度，而且均随着压实度的增大而增大，特别是在自然养护的条件下，压实度大于92%后，各龄期的CFB粉煤灰饱水抗压强度增长较迅速，但在压实度为96%时，7 d及14 d的CFB粉煤灰的饱水抗压强度与不饱水抗压强度基本一致，说明压实度96%时，自然养护超过7 d后，水对CFB粉煤灰路基的无侧限抗压强度基本无影响。

图9 自然养护CFB粉煤灰饱水与不饱水抗压强度对比

图10 标准养护CFB粉煤灰饱水与不饱水抗压强度对比

参照岩石软化系数的概念，对CFB粉煤灰试样进行软化系数进行计算，其计算结果见表5。可以看出，标准养护下的CFB粉煤灰软化系数均小于自然养护状态，说明自然养护条件下CFB粉煤灰的耐水浸能力强；除在标准养护条件下，压实度为90%的CFB粉煤灰的软化系数最小为0.75外，其余压实度的软化系数均大于0.75，说明压实度大于90%的CFB粉煤灰具有耐水浸能力强，水稳性较好的性能。

表5 CFB粉煤灰软化系数计算结果

3 结论

通过对用于路基工程的CFB粉煤灰试样进行无侧限抗压强度试验，分析了不同压实度的CFB粉煤灰无侧限抗压强度与不同养护条件、不同养护龄期及水的作用下强度变化规律，得出以下结论：

(1)养护条件对CFB粉煤灰的无侧限抗压强度影响较大，套袋自然养护下对CFB粉煤灰无侧限抗压强度影响较大，而恒温恒湿箱标准养护对CFB粉煤灰无侧限抗压强度影响不明显，且自然养护条件下CFB粉煤灰的无侧限抗压强度要大于标准养护条件下的。

(2)CFB粉煤灰的无侧限抗压强度会随着压实度的增大、养护龄期的增长而增大，但在压实度超过92%，养护龄期达到14 d后，压实度的增大对CFB粉煤灰无侧限抗压强度无显著影响。

(3)自然养护条件下，在压实度大于90%，养护至14 d后，各压实度下的CFB粉煤灰的无侧限抗压强度会达到基本相同值；标准养护条件下，养护至14 d后，各压实度下的CFB粉煤灰的无侧限抗压强度也会达到基本相同值。因此用CFB粉煤灰填筑路基时，可不必要追求高压实度。

(4)水对CFB粉煤灰无侧限抗压强度有一定的影响，不同龄期下CFB粉煤灰的饱水无侧限抗压强度均低于不饱水状态的无侧限抗压强度。但在压实度达到96%，自然养护超过7 d后，水对CFB粉煤灰路基的无侧限抗压强度影响不明显。各压实度下CFB粉煤灰试样的软化系数均不小于0.75，因此CFB粉煤灰填筑路基具有耐水浸能力强，水稳性较好的性能，是一种优质的路基材料。