粉煤灰新型混合料在泵站地基加固中的应用研究

杨雨峤

(江苏省通榆河蔷薇河送清水工程管理处 滨海抽水站管理所,江苏 滨海 224500)

1 概 述

加固后的地基能将地表荷载均匀分散到原软土地基中,可以有效降低软土地基的沉降[1]。随着地基要求越来越严格,地面加固技术也在不断发展,第一阶段用石灰和水泥对海相黏土进行改良;第二阶段将水玻璃等化学灌浆材料通过入侵孔道注入软基,增强软基性能;第三阶段采用抗压强度大于20MPa的水泥-粉煤灰-碎石混合料,对高承重基础设施进行地基处理[2]。水泥-粉煤灰-碎石混合料不仅可以增强路基,还提供了消耗工业废渣的机会,将使工程成本降低50%以上,与以前的方法相比可以促进之后的环境保护[3-4]。

煤矸石是一种常见的固体废物,是煤炭生产的副产品。经过大量的案例研究,煤矸石在水泥基材料中得到广泛的应用[5]。目前,大量利用煤矸石的新方法被引入和应用,如道路回填、农田排水以及高速公路路基材料等[6]。这些方法可以避免对空气、地下水和地下土壤的二次环境污染,而不像以前的处理方法会导致二氧化硫、砷和汞的污染。

因此,为了绿色可持续发展,本文设计并研究一种新型绿色粉煤灰煤矸石混合料(简称GFG),用于地基改良,研究结果可为软土地基加固提供参考。

2 材料与方法

2.1 材 料

本文所用的原料包括粉煤灰、普通硅酸盐水泥和4种不同的煤矸石。粉煤灰是煤燃烧的副产品,本文中的粉煤灰来自本地的火力发电厂。采用符合《硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥》(GB 175-1999)的普通硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥(P.O42.5)从本地的水泥加工厂获得,水泥和粉煤灰的级配曲线见图1。煤矸石来自临沂高新技术开发区、罗庄区、兰陵县和平邑县4个地区。煤矸石经碎煤机破碎后,粒径分布曲线见图2。

图1 水泥和粉煤灰的级配曲线

图2 4种煤矸石的级配曲线

将来自高新技术开发区的煤矸石命名为煤矸石A;来自罗庄区的煤矸石命名为煤矸石B;来自兰陵县的煤矸石命名为煤矸石C;来自平邑县的煤矸石命名为煤矸石D。对粉煤灰和煤矸石进行矿物分析,结果表明,粉煤灰中含有石英(SiO2)、生石灰(CaO)、赤铁矿(FeCO3)和莫来石(3Al2O3·2SiO2);煤矸石中含有石英(SiO2)、莫来石(3Al2O3·2SiO2)、赤铁矿(FeCO3)、方解石(CaCO3)和长石(KAlSi3O8)。原料的化学成分和烧失量(LOI)见表1。采用X射线荧光法、元素分析和化学分析,对其化学成分进行测定。材料的烧失量在温控炉中进行设定时间的测试。经过一定时间的冷却后,重新测试材料的质量。

表1 水泥、粉煤灰和煤矸石的化学成分

2.2 配合比设计和试验制备

本试验制备了不同粉煤灰含量和不同煤矸石类型的混合料。考虑室内试验而不是现场铸造,应确保GFG的可行性,并满足浇筑的需求。因此,水胶比(w/b)应大于0.5,以保证新拌混合料的流动性。细煤矸石(粒径<4.75mm)的百分比应低于33%,而粗煤矸石(4.75～31.5mm)的百分比在58%～78%之间。为了减少GFG生产中水泥的消耗,采用粉煤灰替代水泥,用量为胶凝剂总量的40%～60%。GFG中黏结剂的百分比占质量的10%～15%。各组均未添加高效减水剂,各组配合比见表2。

表2 不同混合料的配合比

试验共制备两种尺寸,分别为100mm×100mm×300mm的棱柱和100mm×100mm×100mm的立方体。为了得到每个结果点,每次测试重复3次,取平均值作为测试结果。对于混合料,先用搅拌机搅拌干料(水泥、粉煤灰和煤矸石)3min,待混合均匀后加水,再搅拌3min后将混合料浇入模具。24h后,从模具中脱模,保存于标准养护室(温度20℃±2℃,相对湿度90%以上),覆盖塑料膜,保持水分,直到被用于试验。

2.3 试验方法

2.3.1 抗压强度测试

制备100mm×100mm×100mm的立方体试样,在7、28、63天进行无侧限抗压强度试验。由于煤矸石中的地质聚合物对混合料的长期强度有影响,因此观察不同龄期不同组别的抗压强度随养护龄期的变化。

2.3.2 应力-应变曲线试验

制备100mm×100mm×300mm的棱柱体试样,进行应力-应变曲线试验,以评价GFG的构成方式。采用万能试验机,进行63天的应力-应变曲线试验。在测试每个试样时,在加载板上安装高精度激光位移传感器,测量其纵向线位移,加载过程中的应力数据由与机器相连的计算机进行记录。当应变百分比达到0.5%或加载应力达到恒定稳定值时,加载过程停止。

2.3.3 耐久性试验

结合酸性水的实际情况,可以确定氢离子(H+)在混合料侵蚀中起重要作用。因此,在本次试验中,酸液由硝酸和水组成,pH值为1～2,模拟实际侵蚀环境。之所以选择硝酸而不选择盐酸或硫酸,是因为氯离子(Cl-)和硫酸根(SO42-)离子会破坏砂浆。每周重新测量并调节酸溶液的浓度,使酸溶液的pH值稳定在1～2。在本试验中,每个配合比制备4个100mm×100mm×300mm的棱柱体试样,养护28天,并用酸溶液浸泡140天。通过对浸泡28、56、84、112、140天的记录统计,得到质量损失率。然后对损伤试样进行单轴抗压强度测试,得到强度损失率。为了保持酸性溶液的原状,并排出溶液中的其他杂质,每月定期更换新溶液。

质量损失率的计算公式如下:

式中:ΔMn为试样在酸溶液中浸泡n天后的质量损失率,%;M1为浸泡酸溶液前试样的质量,kg;M2为试样在酸溶液中浸泡n天的质量,kg。

强度损失率的计算公式如下:

式中:Δσ为试样在酸溶液中浸泡140天后的强度损失率,%;σ1为浸泡酸溶液前试样的轴向抗压强度,MPa;σ2为试样在酸性溶液中浸泡140天的轴向抗压强度,MPa。

3 结果和讨论

3.1 抗压强度

不同煤矸石种类、不同养护龄期的混合料抗压强度结果见图3。A1、B1、C1和D1分别表示4种不同煤矸石在粉煤灰替代率为40%的混合料。由图3可知,A1和B1在7天的抗压强度可达到6MPa以上,在28天的抗压强度可达到9MPa以上;C1和D1在7天的抗压强度可达到5MPa以上,在28天的抗压强度可达到8MPa以上;4组混合料在63天的抗压强度均可达到12MPa以上。

混合料的强度取决于硬化基体的强度和各自骨料的界面区性质。本研究中的煤矸石来源不同,具有各自的化学成分和粒度分布特征,这些因素影响了混合料的强度并导致强度变化。因此,如何找到一种合适的方法来选择高强度的煤矸石,对实际工程具有重要意义。

图3 不同煤矸石种类、不同养护龄期的混合料抗压强度

不同粉煤灰掺量、不同养护龄期的混合料抗压强度结果见图4。A1、A2和A3表示粉煤灰掺量为40%、50%和60%时,利用煤矸石A制备的拌合料。从图4可知,过量粉煤灰的掺量会导致拌合料的抗压强度降低。粉煤灰掺量为40%时,后期抗压强度明显提高,由9.01MPa提高至12.96MPa。这是由于在粉煤灰和水泥的组合中,黏结剂体系处于碱性环境,后期粉煤灰活性充分,63天后的二次水化对强度也有贡献。另外两组水泥含量较少,这种改善效果不明显。

图4 不同粉煤灰掺量、不同养护龄期的混合料抗压强度

3.2 应力-应变关系

不同煤矸石种类的混合料应力-应变关系曲线见图5。由图5可知,4条曲线(A1、B1、C1和D1)的上升段斜率相似,峰值应变相差不大,下降段斜率也较为相似;4组混合料横向应变发展速度相近。因此,煤矸石的类型对混合料的应力-应变性能影响不大。

图5 不同煤矸石种类的混合料应力应变关系

不同粉煤灰掺量的混合料应力-应变关系曲线见图6。降支斜率可以指示混合料的破坏模式:平缓下降表示延性破坏模式;急剧下降表示脆性破坏模式。图6中,A3曲线的下降分支较为平缓,A1曲线下降分支最为急剧。因此,增加粉煤灰在黏结剂中所占的比例,会在GFG中形成延性破坏模型,在抵抗动荷载的高速冲击中具有较好的性能。

3.3 耐酸性侵蚀

3.3.1 试件的质量损失率

将试样在酸溶液中浸泡140天,记录每个试样0、28、56、84、112和140天的质量,并根据式(1)计算试样的质量损失率,结果见图7。由图7可知,酸溶液侵蚀140天后,质量损失率分布在2.4%～2.9%的范围内。4种煤矸石制备的混合料,只有A1组的质量损失率低于2.5%,B1、C1和D1组的质量损失率低于3%。A1具有良好的耐酸性能,以煤矸石A作为混合料骨料时,混合料在酸性环境下的耐久性要优于另外3种煤矸石。

图7 不同煤矸石种类的混合料质量损失率

不同粉煤灰掺量的混合料质量损失率见图8。由图8可知,添加40%～50%粉煤灰,有利于抵抗酸侵蚀;粉煤灰掺量为60%时,试样的质量急剧下降。粉煤灰是球形的微颗粒,可充填砂浆孔隙。适当的粉煤灰掺量(40%～50%),可以改善水泥体系的微观结构,有助于抵抗酸性侵蚀。

图8 不同粉煤灰掺量的混合料质量损失率

3.3.2 试件的强度损失率

单轴抗压强度也是评价酸溶液中混合料耐久性的指标之一。通过抗压强度测试,根据式(2)计算各组的强度损失率,试件在酸溶液中浸泡140天后的强度损失率见图9。由图9可知,对于4种不同的煤矸石混合料(A1、B1、C1和D1),其强度损失率为7.8%～14.2%,不同煤矸石制备的混合料强度损失率差异不大。混合料的强度损失率随着粉煤灰掺量的增加而增大,其强度损失率为8.3%～38.9%;粉煤灰掺量为60%时,强度损失率较大。

图9 各组混合料酸浸泡后的强度损失率

4 结 论

本文通过试验,对粉煤灰煤矸石混合料加固后的力学性能进行了研究。结论如下:

1)粉煤灰掺量为40%时,抗压强度明显提高。随着粉煤灰掺量的增加,GFG从脆性破坏模型逐渐向延性破坏模型转换,抵抗动荷载的高速冲击性能增强。

2)煤矸石制备的混合料强度损失率差异不大。从质量损失率来看,添加40%～50%粉煤灰,有利于混合料抵抗酸侵蚀。

3)粉煤灰煤矸石混合料是一种经济有效的地基加固材料。粉煤灰掺量为40%时,混合料的耐酸性侵蚀能力最强。

4)试验数据与材料种类等影响有关,可能会影响研究结果。粉煤灰新型混合料在软土地基加固时,建议先开展试验配比设计。