翻新时间：2013-12-17
高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的路用性能研究(1)
摘要：本文从高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的化学成分入手，阐述了高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的强度形成机理。根据《公路无机结合料稳定材料试验规程》的相关试验方法，对高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的强度、模量、水稳定性等路用技术性能进行了系统的试验研究，并分析了其强度的影响因素。试验结果表明，高钙粉煤灰与粉煤灰混合料具有较高的强度、模量和较好的水稳定性，其各项技术性能满足现行规范的要求，可以作为各级公路的底基层或基层材料。
关键词：高钙粉煤灰 粉煤灰 基层 试验研究 强度
1 引言
粉煤灰是火力发电厂的一种工业废弃物，是磨细的煤粉燃烧后从烟道排出的废渣，俗称“飞灰”。当发电厂采用立式旋风炉时，需要在燃煤中加入一定比例的石灰石（一般为8～10%），共同磨细后喷入炉膛高温燃烧，炉渣呈融熔状态由炉底排出，而炉中排出的飞灰即为高钙粉煤灰，它是CaO含量较高的粉煤灰。全国电厂每年都要排出大量的粉煤灰和高钙粉煤灰，各大城市电厂中均有很大的储量，其堆放占用了大量的土地资源。将这些粉煤灰废弃物利用起来，修筑道路，不仅可以为道路建设提供建筑材料，减少取土毁地面积，还能减少工业废料的堆放占地面积及对环境的污染，有利于环保。具有很大的经济效益和社会效益。目前，工程中多以石灰、水泥等与普通粉煤灰的混合料来作为公路的（底）基层材料，本文介绍高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的主要路用技术性能。
2 原材料性质
粉煤灰主要由玻璃质（非晶质）的空心球状颗粒组成，其玻璃质含量占71%～88%。为了防止粉煤灰在空气中扬尘，往往向干灰堆浇水或将粉煤灰排放在水池中，含水量较大，另外粉煤灰特有的结构不但使颗粒之间可以充水，而且颗粒本身的空洞含水，故粉煤灰的含水量变化幅度较大，一般为18%～87%。但其自身无持水能力，在空气中很快风干。粉煤灰的玻璃质中空结构使得粉煤灰材料结构疏松，干容重较小（6.1～11.9kN/m3）。粉煤灰内聚力c值很小，自身难以成型。
高钙粉煤灰的CaO含量较高，与普通粉煤灰同属CaO-Al2O3-SiO2-H2O系统，其活性较高，遇水有自硬性，可以作为一种无机结合料使用。高钙粉煤灰与粉煤灰的主要化学成分如表1所示。
表1 高钙粉煤灰与粉煤灰的化学成分（%）
主要成分
粉煤灰种类
Fe2O3
Al2O3
SiO2
CaO
烧失量
其它
普通粉煤灰
6.59
32.73
48.81
3.87
5.92
2.08
高钙粉煤灰
5.51
35.92
19.51
12.17
5.63
普通粉煤灰自身活性较低，但与高钙粉煤灰混和后，高钙粉煤灰能够激发普通粉煤灰的活性，二者发生一系列的化学反应，使高钙粉煤灰与粉煤灰混合料形成较高的强度、刚度和水稳定性。
就化学组成的本质而言，高钙粉煤灰与粉煤灰混合料和石灰粉煤灰基本相同，根据加固土原理[3]，高钙粉煤灰与粉煤灰混合料加水拌和后，其中所含的CaO与微粒之间的水反应生成Ca(OH)2，Ca(OH)2水解电离使环境碱化，在碱性条件下粉煤灰混合料中的SiO
2、Al2O3等物质缓慢溶解，高钙粉煤灰与粉煤灰发生火山灰反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质。同时，高钙粉煤灰中存在一定量的C3A和C3S，遇水生成CAH和CSH系化合物。主要化学反应式如下：
CaO+H2O→Ca(OH)2
Ca(OH)2→Ca2++2OH—
mCa(OH)2+SiO2+(n-m)H2O→mCaO•SiO2•nH2O
mCa(OH)2+Al2O3+(n-m)H2O→mCaO•Al2O3•nH2O
2(3CaO•SiO
2)+6H2O→3CaO•2SiO2•3H2O+Ca(OH)2
3CaO•Al2O3+6H2O→3CaO•Al2O3•6H2O
随着各种化学反应的不断深入和部分水分的散失，上述胶凝物质逐步结晶，转化为更为稳定的晶体，同时，部分Ca(OH)2与混合料孔隙中的CO2反应生成晶态的CaCO3（方解石）。
Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O
这些晶体物质相互交织构成空间网状结构，使高钙粉煤灰与粉煤灰混合料形成较高的强度、模量和水稳定性。本文在初步研究的基础上，就几种典型配比的高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的路用性能进行试验研究。
3 高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的抗压强度
根据《公路无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057—94）的相关方法，对不同配比的高钙粉煤灰与粉煤灰混合料进行制件、养生，测得其各龄期浸水无侧限抗压强度试验结果如表2所示。
表2 高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的强度统计表
配合比
7天
28天
90天
180天
R7
（MPa）
Cv
（%）
n
R28
（MPa）
Cv
（%）
n
R90
（MPa）
Cv
（%）
n
R180
（MPa）
Cv
（%）
n
20:80
1.028
8.9
9
1.325
7.7
9
1.682
5.3
9
1.994
4.2
9
25:75
1.232
9.3
8
1.717
5.2
9
2.031
4.0
9
2.406
3.7
9
30:70
1.267
8.1
9
2.011
8.7
9
2.476
3.3
9
2.792
6.8
9
3．试件在20±2℃下保湿养生，龄期中包括最后一天的泡水时间。
从表2可以看出，高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的抗压强度随高钙粉煤灰含量的增加而升高，但各配比下混合料的7天抗压强度均大于0.8MPa，借鉴《公路沥青路面设计规范》（JTJ014—97）对石灰粉煤灰类公路基层材料的强度要求，这些配比的高钙粉煤灰与粉煤灰混合料都满足《规范》对公路（底）基层材料的强度要求，可以作为公路的（底）基层材料。
与其它半刚性材料相同，高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的强度随龄期而增长。
分析表2中高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的无侧限抗压强度试验结果，以及强度随龄期增长的关系曲线，用“最小二乘法”原理对试验数据进行回归分析可以发现，高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的强度～龄期之间遵从关系式：
式中：
D——龄期（天）；
a，b——回归系数。
对高钙粉煤灰与粉煤灰混合料抗压强度试验结果，即表2中的数据进行回归分析，并对龄期～强度的回归方程
表3 高钙粉煤灰与粉煤灰混合料龄期～强度关系回归分析
项目
配比
回归方程
相关系数r
相关系数临界值
(
4)
计算强度值
实际7天强度R7(MPa)
a
b
20:80
0.4139
0.2921
0.9885
0.9800
0.982
1.028
25:75
0.5472
0.3472
0.9871
0.9800
1.223
1.232
30:70
0.3978
0.4646
0.9977
0.9800
1.302
1.267
①注：计算强度R7系按回归方程计算得到的7天抗压强度值。
显著性检验结果表明，回归效果高度显著。这样利用表3中的回归方程，就可以较为准确地预估试验范围内各配比的高钙粉煤灰与粉煤灰混合料不同龄期的抗压强度值。
同时，压实度对高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的强度有显著的影响。如表4所示，压实度每降低1%，混合料7天龄期抗压强度将降低5%～6%。
表4 不同压实度下粉煤灰混合料7天抗压强度（MPa）
压实度
配比
90%
93%
95%
97%
20:80
0.792
0.918
1.028
1.249
25:75
0.835
1.085
1.232
1.430
30:70
0.904
1.148
1.267
1.518
4 高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的水稳定性
高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的水稳定性由干湿循环试验确定。即将试件标准养生28天（包括饱水24小时），自然风干48小时，然后饱水24小时，经过5次干湿循环后测定试件的残余强度，并与正常养生43天的对比试件的强度相比较，其比值称为水稳系数。干湿循环试验结果详见表5。试验结果表明，各配比的高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的水稳定系数均大于100%，即经干湿循环后试件强度反而提高，可见，高钙粉煤灰与粉煤灰混合料具有良好的水稳定性。干湿循环后试件的强度反而升高的主要原因是高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的强度形成过程中，需要大量水的参与，循环过程中试件在水中的反复浸泡，有利于促进混合料中化学反应的进行。因此，应用高钙粉煤灰与粉煤灰混合料修筑公路基层时，一定要保证及时洒水养生，以利于其强度的形成。
表5 高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的水稳定性（压实度为95%）
配 合 比
干湿循环后
对比试件
水稳定系数(%)
R(MPa)
Cv(%)
R(MPa)
Cv(%)
20:80
1.510
7.9
1.437
7.5
105
25:75
2.148
6.5
1.853
7.2
116
30:70
2.469
8.4
2.150
8.0
115
5 高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的劈裂强度和抗压回弹模量
高钙粉煤灰与粉煤灰混合料的劈裂强度和抗压回弹模量试验结果列与表6。从表6的试验数据可知，高钙粉煤灰与粉煤灰混合料有较高的劈裂强度和抗压回弹模量值，其配比为25:75和30:70的劈裂强度略大于二灰土，模量值与二灰土相当。
表6 压实度95%时混合料的劈裂强度和抗压回弹模量（180天）
配 合 比
劈裂强度(MPa)
抗压回弹模量(MPa)
20:80
0.215
752
25:75
0.308
1071
30:70
0.327
1307
6 结论
通过对高钙粉煤灰与粉煤灰混合料路用性能的系统试验研究，可以得出：
(2) 高钙粉煤灰与粉煤灰混合料具有较高的强度、刚度，水稳定性好。
(3) 配比为20:
80、25:
7
5、30:70的高钙粉煤灰与粉煤灰混合料满足公路对底基层和基层材料的技术要求，可以作为各级公路的底基层或基层；也可以作为公路的垫层或用于填筑路堤。
(4) 高钙粉煤灰和粉煤灰是工业废弃物，价格低廉，用其修筑道路不仅可降低工程造价，还有利于环保，具有显著的经济效益和社会效益。
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