水泥-高鈣粉煤灰改良泥炭質(zhì)土力學性能研究

張文豪，謝建斌，2，劉道炎，王盛

(1.云南大學 建筑與規(guī)劃學院，云南 昆明 650500;2.昆明軍龍巖土工程有限公司，云南 昆明 650021；3.中鐵隧道集團有限公司，河北 三河 065200)

0 引 言

泥炭質(zhì)土又叫湖相沉積土，它是一種特殊土體，主要存在于水源豐富的地方以及地勢較矮的平原和山谷中。一般形成的區(qū)域擁有豐富的植物體，其在缺氧情況下不能完全分解，這些植物殘體沉積和堆積最終形成了泥炭質(zhì)土，多為淺褐色或棕黃色[1]。泥炭質(zhì)土天然含水量高、密度小、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低[2]，屬于巖土工程中不良地基，在泥炭土地基上的建筑往往會發(fā)生下沉、開裂、傾斜等現(xiàn)象。與其他地區(qū)相比，昆明滇池地區(qū)泥炭質(zhì)土形成時間短、上覆土層薄、固結(jié)程度低、性能差，給工程建設帶來了諸多困難[3]。因此，在泥炭質(zhì)土地區(qū)進行工程建設，就必須先治理好泥炭質(zhì)土。目前國內(nèi)外學者針對黃土[4]、凍土[5]、膨脹土[6]、軟土[7]的改良研究較多，而對湖相沉積的泥炭質(zhì)土改良研究較少。

粉煤灰是生活中常見的物質(zhì)，發(fā)電廠、鍋爐房等都會產(chǎn)生大量的粉煤灰，對自然環(huán)境造成污染[8]。為了減少粉煤灰對環(huán)境的污染，國內(nèi)于20世紀50年代開始研究粉煤灰，并將其開發(fā)利用于實際工程。目前使用粉煤灰主要集中在2個方向：一是使用化學和物理方法對粉煤灰進行處理，改變其部分特性，減少膨脹變形，提高粉煤灰制品和摻用粉煤灰的水泥[9]、混凝土[10]等材料的質(zhì)量；二是利用高鈣粉煤灰的特點，即水化后體積變形較大，將其應用在混凝土膨脹劑[11]、軟土地基固化劑[12]等領域。本文將高鈣粉煤灰和水泥進行混合作為改良劑對泥炭質(zhì)土進行加固改良，通過室內(nèi)物理力學試驗分析水泥、粉煤灰及高鈣粉煤灰不同摻量單一和混合摻入的改性土壓縮模量、滲透系數(shù)、抗剪強度、無側(cè)限抗壓強度的變化情況，得出最佳改良方案，以期為工程實際提供應用參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

42.5級普通硅酸鹽水泥；有效CaO含量4.5%的粉煤灰和26.4%高鈣粉煤灰[13]；泥炭質(zhì)土。中其粉煤灰化學組成及質(zhì)量分數(shù)如表2所示，水泥試驗指標如表3所示。泥炭質(zhì)土土樣取自云南昆明滇池會展中心4號地塊，取土深度15～25 m，基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 泥炭質(zhì)土基本物理力學參數(shù)

表2 粉煤灰化學組成及質(zhì)量分數(shù)

表3 水泥試驗指標

1.2 試驗方法

本次試驗為室內(nèi)土工試驗，采用單一摻料和混合摻料改良相結(jié)合的方法，將不同摻比的水泥、粉煤灰、高鈣粉煤灰、水泥粉煤灰、水泥高鈣粉煤灰摻入滇池泥炭質(zhì)土中，測定改良土的物理力學性能，從而探討各改性材料對滇池泥炭質(zhì)土的改良效果。由于水泥改良泥炭質(zhì)土的過程中不可避免地產(chǎn)生收縮裂縫，水泥用量與收縮裂縫的產(chǎn)生關系密切，一旦水泥用量超過某個限度，裂縫就會加劇，因此根據(jù)工程實際和相關規(guī)范，本試驗改性土中水泥摻和量設計為2%，4%，6%。邵俐等[14]研究得到改良有機質(zhì)土的粉煤灰摻入量12%最佳，因此，本試樣改性土中粉煤灰和高鈣粉煤灰的摻和量設計為2%，4%，6%，8%，12%，16%。

土工室內(nèi)試驗根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)[15]進行。選取足夠的泥炭質(zhì)土和各改性材料，風干處理后過5 mm篩，按照設計比例將泥炭質(zhì)素土和各改性材料混合均勻，首先對以上混合物進行輕型擊實試驗，得到最優(yōu)含水率和最大干密度，其次對試樣進行浸水飽和后養(yǎng)護至所需齡期，再進行滲透試驗、標準固結(jié)試驗、直剪試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，養(yǎng)護齡期為28 d，養(yǎng)護溫度(22±2)℃，濕度為(80±2)%。

2 結(jié)果與分析

2.1 擊實試驗結(jié)果分析

根據(jù)標準的擊實試驗法測得單一改性摻料和混合摻料不同摻量改性土的最大干密度與最優(yōu)含水率，由于各改性土的顆粒粒徑小于5 mm，屬于細顆粒土，故選用輕型擊實試驗，試驗結(jié)果如圖1～4所示。

圖1 單一摻料下不同摻量改性土最大干密度變化曲線

由圖1～4可知，在泥炭質(zhì)土中無論單一摻入水泥、粉煤灰及高鈣粉煤灰或混合摻入，改性土的最大干密度都會隨著摻量的增大而減小，最優(yōu)含水率都會隨著摻量的增大而增大。單一摻入不同比例水泥、粉煤灰和高鈣粉煤灰時，改性土的最大干密度均低于素土的最大干密度，單摻粉煤灰改性土的最優(yōu)含水率最小，且低于素土。混合摻量中水泥摻量一定時，摻入高鈣粉煤灰的改性土最優(yōu)含水率均大于素土，只有粉煤灰摻量達到2%以上，且水泥摻量為4%時，改性土最優(yōu)含水率才大于素土。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要有：一是高鈣粉煤灰顆粒很細，同樣體積的高鈣粉煤灰顆粒表面積相對較大，吸收水分多，因此，需水較多，最優(yōu)含水率較高；二是高鈣粉煤灰中游離氧化鈣含量較高，這些游離的氧化鈣水化反應需要吸收大量水分，體積膨脹，所以不同水泥高鈣粉煤灰摻量下改性土最優(yōu)含水率較大。

圖2 混合摻料下不同摻量改性土最大干密度變化曲線

圖3 單一摻料下不同摻量改性土最優(yōu)含水率曲線

圖4 混合摻料下不同摻量改性土最優(yōu)含水率變化曲線

2.2 固結(jié)試驗結(jié)果分析

采用標準固結(jié)試驗，由標準固結(jié)試驗測定出試樣在側(cè)限和軸向排水條件下的變形以及壓力、變形和時間的關系后，即可計算壓縮模量ES，單一摻料改性土和混合摻料改性土的壓縮模量隨摻量的變化關系如圖5～6所示。

圖5 單一摻料不同摻量下改性土壓縮模量變化曲線

圖6 混合摻料不同摻量下改性土壓縮模量變化曲線

由圖5～6可知，水泥、粉煤灰及高鈣粉煤灰單摻和混合摻入的改性土壓縮模量均隨著摻量的增大而增大，都大于素土的壓縮模量，且混合摻入后改性土的壓縮模量也均大于單摻改性土的壓縮模量。當混合摻料中水泥摻量一定時，同一摻量下的高鈣粉煤灰改性土壓縮模量高于粉煤灰的。當混合摻入6%水泥加16%高鈣粉煤灰時,壓縮模量達到最大，為20.65 MPa。參考《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007—2011)可知，當ES>20 MPa時為低壓縮性土[16]。因此，水泥高鈣粉煤灰摻量為6%+16%改性土為低壓縮性土，改良效果明顯。

2.3 滲透試驗結(jié)果分析

一般用常水頭試驗和變水頭試驗測試土的滲透性，常水頭試驗適用于K=10-3～10-2cm/s的土，而變水頭試驗適用于K=10-3cm/s以下的土，泥炭質(zhì)土滲透性約為10-6cm/s，故本試驗采用變水頭試驗，試驗結(jié)果如圖7～8所示。

圖7 單一摻料不同摻量下改性土滲透系數(shù)變化曲線

圖8 混合摻料不同摻量下改性土滲透系數(shù)變化曲線

由圖7～8可知，當摻入水泥、粉煤灰及高鈣粉煤灰改性材料后，單一摻入和混合摻入都能改善土體的滲透性能，摻入后的泥炭質(zhì)土滲透系數(shù)由10-6cm/s量級提高到10-5cm/s?；旌蠐饺敫男酝恋臐B透系數(shù)均高于單一摻料改性土，當混合摻量改性土中水泥摻量為6%且高鈣粉煤灰摻量超過12%時，滲透系數(shù)量級達到10-4cm/s，分別為高鈣粉煤灰摻料12%的105.36×10-5cm/s和高鈣粉煤灰摻量16%的108.43×10-5cm/s，說明高鈣粉煤灰可有效改變泥炭質(zhì)土的滲透性。

2.4 直剪試驗結(jié)果分析

由于泥炭質(zhì)土和各改性土顆粒較小，本次試驗選擇快剪試驗，試驗中選取50，100，200 kPa三級法向壓應力。單一摻料和混合摻料改性土黏聚力隨摻量變化關系如圖9～10所示。

圖9 單一摻料不同摻量下改性土黏聚力變化曲線

圖10 混合摻料不同摻量下改性土黏聚力變化曲線

由圖9～10可知，單一摻入水泥、粉煤灰及高鈣粉煤灰改性材料時，改性土黏聚力隨著摻量增大而增大，其中水泥摻料改性土的黏聚力增加最多，呈V字形。混合摻入水泥粉煤灰和高鈣粉煤灰改性土的黏聚力增量相比單一混合時要大，說明混合改良黏聚力效果更好，當混合摻料中水泥摻量一定時，高鈣粉煤灰比粉煤灰改良黏聚力效果更好，當水泥摻量6%、高鈣粉煤灰摻量12%時，黏聚力達到最大，為11.79 kPa。

2.5 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果分析

無側(cè)限抗壓強度試驗中所用成型試件為圓柱體，高11.6 cm，底直徑10.2 cm。試驗過程中試件變形保持速率1 mm/min等速增加，待試件破壞后，記錄試件破壞時的最大壓應力。單一摻料和混合摻料改性土無限側(cè)抗壓強度隨摻量變化關系如圖11～12所示。

圖11 單一摻料不同摻量下改性土無側(cè)限抗壓強度變化曲線

由圖11～12可知，水泥、粉煤灰及高鈣粉煤灰單一摻入或混合摻入所得改性土的無側(cè)限抗壓強度均隨著摻量增大而增大，混合摻入所得改性土的無側(cè)限抗壓強度增加較多，改良效果比單一摻料明顯。混合摻料中當水泥摻量為6%時，高鈣粉煤灰摻量達到12%,無側(cè)限抗壓強度最大，說明最佳配比為6%水泥+12%高鈣粉煤灰，改良效果最佳。

3 改性材料機理分析

3.1 粉煤灰在混合改性材料中的作用

水泥作為主要膠凝材料，最大的作用是進行水化反應生成化合物，形成有一定強度的水泥骨架，這是改性土強度提升的主要原因，而粉煤灰和高鈣粉煤灰不但可以改善水泥在泥炭質(zhì)土的水化環(huán)境，使水泥充分反應，而且還能二次水化，提升加固土的后期強度，除此之外還有以下作用：

(1)替代部分水泥熟料，降低成本。生產(chǎn)水泥熟料工藝并不復雜，但成本較高，煤灰和高鈣粉煤灰作為火力發(fā)電廠廢渣，處理容易，只要和熟料一起磨細即可，水泥生產(chǎn)需經(jīng)過生料磨細和高溫煅燒等工藝過程，耗電排放大量的二氧化碳，并產(chǎn)生噪聲。與水泥生產(chǎn)相比，明顯具有更好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

(2)調(diào)節(jié)水泥強度。為了避免不必要的強度浪費以及專門配制特殊要求的水泥材料成本支出，適量摻入混合材料既能降低摻入材料體系的強度，也可以提高摻入材料體系的強度，從而達到調(diào)節(jié)強度的目的。

(3)改善水泥性能。首先，摻入適量的粉煤灰或高鈣粉煤灰，能大量減少水泥用量，降低水泥水化熱的產(chǎn)生，同時二次水化還可生成更多水化硅酸鹽膠凝體，水化硅酸鹽膠凝體含量的增加可提高體系的抗侵蝕性，其次，作為混合材料的粉煤灰可以增加水泥漿體的和易性，從而減少水泥需水量，除此之外還可以提高加固土的密實性。

(4)降低體系的早期強度。如果摻入粉煤灰較多，水泥土的早期強度會明顯降低，這是由于混合材活性發(fā)揮較為緩慢，導致早期水泥水化產(chǎn)物數(shù)量減少，因此粉煤灰的摻入不宜過多。后期加固土的強度相差不大甚至能更高，原因在于二次水化的存在。

3.2 粉煤灰與高鈣粉煤灰改性泥炭質(zhì)土機理對比

(1)高鈣粉煤灰含有較多的游離氧化鈣，容易水化形成Ca(OH)2，這些Ca(OH)2又會與高鈣粉煤灰和黏土中的SiO2和Al2O3發(fā)生反應生成膠凝產(chǎn)物；高鈣粉煤灰體積膨脹，會擠壓軟土，反而使壓縮性較大的軟土改良效果變好。

(2)粉煤灰中Al2O3含量一般較高，會形成較多的莫來石，從而使玻璃體減少，活性降低。由于高鈣粉煤灰含有一定量的水硬性礦物，如C2S，C3A等，一旦暴露在自然環(huán)境中或接觸到水分，可硬化結(jié)塊，產(chǎn)生一定強度，具有一定自硬性。

(3)高鈣粉煤灰顆粒粒徑要遠小于普通粉煤灰，且顆粒表面黏附有大量微粒，這有利于改性土體強度的提高。

(4)高鈣粉煤灰中的富鈣玻璃體及少量鋁酸鈣和硅酸鈣礦物與含水量較高的軟土混合后，吸收OH-或水分子，反應形成穩(wěn)定物質(zhì)，使游離氧化鈣快速消解，有利于改性土的強度提升和結(jié)構穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1)使用水泥改良滇池泥炭質(zhì)土時，對其物理力學性能有一定改良，隨著水泥摻量增加，改性土的壓縮模量、滲透性和無側(cè)限抗壓強度隨之增大，但改良效果有限。

(2)粉煤灰對泥炭質(zhì)土的滲透性和壓縮模量改良程度不弱于水泥，但黏聚力和無側(cè)限抗壓強度較低。粉煤灰摻量并非越大越好，當粉煤灰摻量超過12%時，抗剪強度和無側(cè)限抗壓強度增長明顯變緩，甚至出現(xiàn)下降。高鈣粉煤灰在加固泥炭質(zhì)土的壓縮模量、抗剪強度、滲透性和無側(cè)限抗壓強度方面均強于粉煤灰，與粉煤灰相似，高鈣粉煤灰摻量為12%時最佳。

(3)水泥粉煤灰和水泥高鈣粉煤灰混合改良泥炭質(zhì)土時，各方面物理力學性能均優(yōu)于單摻水泥、粉煤灰和高鈣粉煤灰，其中水泥高鈣粉煤灰改良效果更好，當摻入水泥加高鈣粉煤灰摻量為6%+12%時，為低壓縮性土，改良效果最好。

(4)改良云南昆明滇池泥炭質(zhì)土最優(yōu)配比方案為6%水泥+12%高鈣粉煤灰。