貯灰場粉煤灰的物理力學性質試驗研究

摘要：對揚子石化貯渣場的粉煤灰進行了化學組成、滲透、級配、壓縮、擊實、直接剪切等一系列物理力學性能試驗，對其基本的力學性質、工程特性及其影響因素作了深入細致的分析和研究，為這種材料在地基處理中的應用提供了指導和參考意見。

關鍵詞：粉煤灰 物理力學性質 級配試驗 擊實試驗 剪切試驗

中圖分類號：TV421文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

隨著我國的經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對能源的需求也快速增加。作為燃煤電廠的主要廢料的粉煤灰也不斷增長，我國每年排出的粉煤灰已達一億多噸，如處理不當，將會對周圍的環(huán)境造成嚴重污染[1~7]。因此如何利用這些粉煤灰已成為人們面臨的一個突出的社會及經(jīng)濟問題。因此，粉煤灰的工程應用問題已經(jīng)引起業(yè)內(nèi)人士的重視。本文以揚子石化灰渣場的粉煤灰為試驗研究對象，在進行級配試驗、擊實試驗、壓縮試驗、靜力直接剪切試驗、動力三軸剪切試驗及所得實驗資料的基礎上，對其基本的力學性質工程特性及其影響因素作了深入細致的分析和研究，為這種材料在地基處理中的應用提供了指導和參考意見。

1 粉煤灰的物理化學特性

1.1粉煤灰的物質組成

粉煤灰的主要化學成分是硅石（SiO2）、礬土（Al2O3）和鐵的氧化物（Fe2O3），其次為氧化鈣(CaO)和氧化鎂（MgO）和未燃盡的碳，再其次是氧化鉀（K2O）和氧化鈉（Na2O），其含量都比較低。南京揚子石化的粉煤灰的主要化學成分如下所示：SiO2 、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O含量分別為48.2％、28.5％、6.8％、2.8％、1.52％、0.12％、1.0％。

1.2 粉煤灰的物理性質

眾多國內(nèi)外試驗研究資料成果表明，粉煤灰基本上屬于粉土、粉砂性的無粘性土。其物理性由粒徑大小不同的粉質顆粒，包括粉煤灰多孔性本身的孔隙中存在的非增塑性的水分在內(nèi)的水和空氣要素所組成。三要素之間的相對含量和相互作用，決定粉煤灰的工程性質，并由此而對粉煤灰的物理性質做出半定量、定量的評價。

1.2.1粉煤灰的顆粒組成

本試驗研究所用粉煤灰為粗顆粒，顆粒組成如下：粒徑0.25～0.05mm的占44.5％，0.005～0.05mm占47.7％，小于0.005mm的占7.8％，平均粒徑d50為0.048mm，控制粒徑d60為0.056mm，有效粒徑d10為0.01mm，不均勻系數(shù)Cu為4.8。由上述顆粒粒徑組成可以看出，揚子石化的粉煤灰的顆粒以0.25-0.5mm的砂粒和0.05-0.005mm的粉土顆粒為主，＜0.005mm的粘粒含量極少，根據(jù)顆粒分析，揚子石化的粉煤灰可定為砂質粉土。

1.2.2粉煤灰其它物理性指標

試驗段不同深度粉煤灰的物理性指標匯總如下：深度為2.2～2.4m的粉煤灰天然含水量分別為80.8％、81.8％、68.8％，濕重度分別為13.1 kN/m3、13.2 kN/m3、13.0 kN/m3，干重度分別為7.2 kN/m3、7.1 kN/m3、7.3 kN/m3，孔隙比分別為2.18、2.21、2.28，滲透系數(shù)分別為9.63×10-5m/s、9.60×10-5m/s、9.34×10-5m/s；深度為4.2～4.4m的粉煤灰天然含水量分別為71.0％、8.55％、8.52％，濕重度分別為14.4 kN/m3、14.3 kN/m3、14.2 kN/m3，干重度分別為8.4 kN/m3、8.8 kN/m3、8.9 kN/m3，孔隙比分別為1.79、1.85、1.86，滲透系數(shù)分別為8.67×10-5m/s、8.55×10-5m/s、8.52×10-5m/s；深度為6.2～6.4m的粉煤灰天然含水量分別為65.2％、60.2％、53.8％，濕重度分別為15.0 kN/m3、15.1 kN/m3、15.7 kN/m3，干重度分別為9.1 kN/m3、9.2 kN/m3、9.0kN/m3，孔隙比分別為1.64、1.56、1.79，滲透系數(shù)分別為9.01×10-5m/s、8.59×10-5m/s、8.37×10-5m/s。

從上面可以看出，不僅在不同的深度，而且在同一深度，粉煤灰的含水量變化幅度比較大，變化范圍從53.8％～81.8％。粉煤灰濕度高，這主要是由于不僅顆粒之間充滿水，而且顆粒本身孔洞含水的緣故；粉煤灰比一般粘土，粉土，砂土的濕重度和干重度要小，主要是因為粉煤灰的結構物組織疏松，且顆粒具有孔洞的緣故。一般濕重度變化范圍在13.0～15.7kN/m3之間，干重度變化范圍在7.1～9.2kN/m3之間；粉煤灰的孔隙比一般比較大，變化范圍在1.56～2.28，主要原因是由于顆粒間有比較大的孔洞，使它的孔隙比比其它土大。4：從上表可以看出，其滲透系數(shù)k的變化范圍為8.37×10-5～9.63×10-5cm/s，屬于10-4～10-5級別的滲透性中等的范圍。粉煤灰的滲透系數(shù)與沉積層理、顆粒粒度粗細以及結構密實程度等因素息息相關。正因為受諸多因素的影響，粉煤灰的滲透系數(shù)，隨著滲透時間的延續(xù)而降低。滲透系數(shù)隨時間變化的性質，在工程設計中宜考慮長期滲透對滲透系數(shù)的影響。

通過實驗結果表明，揚子石化的粉煤灰具有含水量高，干重度和濕重度小，孔隙比大，滲透系數(shù)大的一些物理特性。從試樣的顆粒分析來看，該地的粉煤灰屬于砂質粉土類。

2 粉煤灰的力學特性

2.1 粉煤灰的擊實特性

粉煤灰的最大干密度一般為9.2～10.8kN/m3 ，相應的最優(yōu)含水量一般為32～46％。粉煤灰顆粒與壓實關系體現(xiàn)在顆粒越細其最大干密度就越大，而最優(yōu)含水量就越小。圖2是對揚子石化灰渣場的粉煤灰所做的擊實試驗的曲線，擊實采用重型擊實標準。

圖2 擊實曲線

從曲線形態(tài)可以看出：粉煤灰的擊實曲線與粘性土相似，但曲線的峰值區(qū)比粘性土平緩，即灰樣的干重度對水的敏感性比粘性土小；粉煤灰的最佳含水量為33.5%，最大干容重為1.065g/cm3。

2.2粉煤灰的壓縮性

粉煤灰的壓縮性屬中等壓縮性～高壓縮性范圍。飽和狀態(tài)條件下，其壓縮性更大。大量的粉煤灰壓縮試驗研究資料統(tǒng)計表明，粉煤灰的壓縮系數(shù)變化在0.15～1.65MPa-1，壓縮模量一般為2.15～16.36 MPa。作為地基應考慮沉降變形，需進行加固處理，以防止液化。

通過數(shù)值擬合，粉煤灰的干重度和壓縮模量之間的關系如下：多個孔和的統(tǒng)計關系曲線：，＝0.772，同一孔的和的統(tǒng)計關系曲線：，＝0.997。

從上述結果可以看出，從趨勢上來看，粉煤灰的壓縮模量似乎隨干密度的增大而增大，但有一定離散性，相關系數(shù)只有0.772，但對于取自同一個孔粉煤灰土樣做出的干密度和壓縮模量有著很好的線性關系。分析其原因，同一孔粉煤灰在不同深度在不同上覆荷載壓力下，顆粒級配，顆粒壓縮程度有所不同，導致干密度和壓縮模量在不同深度也不同，深處一般顆粒級配好，顆粒間壓實度高，干密度和壓縮模量較大，淺處則較小。

2.3粉煤灰的抗剪強度

粉煤灰和砂土一樣都是散粒材料，其強度均應按庫侖—摩爾理論分析。粉煤灰的主要指標是粘聚力和內(nèi)摩擦角。同一孔中不同深度的粉煤灰的抗剪強度如下：2m深度處的粉煤灰的抗剪強度=25kPa，=19°；4m深度處的粉煤灰的抗剪強度=20kPa，=24°；6m深度處的粉煤灰的抗剪強度=25kPa，=19°

從上述結果可以看出，隨著深度的增加，粉煤灰的內(nèi)摩擦角有一定的增長。從整個工程的粉煤灰的試驗結果來看，粘聚力一般為20～31kPa， 內(nèi)摩擦角一般為18°～27°。、指標接近一般粉土指標。

3 結語

通過基本的物理力學試驗，得出揚子石化貯灰場的粉煤灰的基本物理力學指標；通過比較分析，得出了揚子石化貯灰場的粉煤灰的物理力學特性：(1)干密度小，含水量高，孔隙比大，屬于砂質粉土；(2)干重度和壓縮模量近似成線性變化，特別是在同一地點土層；

(3)粉煤灰的擊實曲線與粘性土相似，但曲線的峰值區(qū)比粘性土平緩，干重度對水的敏感性比粘性土小；(4)隨著深度的增加，內(nèi)摩擦角有增大的趨勢。

參考文獻

[1] 李豐樸.粉煤灰的工程性質與應用[J].鐵道工程學報.1995(1):119-131.

[2] 錢覺時.粉煤灰特性與粉煤灰混凝土[M].北京:科學出版社.2002.

[3] 馮海寧，楊有海，龔曉南.粉煤灰工程特性的試驗研究[J]巖土力學.2002，23(5):579-582.

[4] 康學毅，王濟盛.干貯灰場粉煤灰物理力學性質及碾壓試驗[J].電力勘測設計.2004，(3):13-17.

[5] 魯曉勇，朱小燕.粉煤灰綜合利用的現(xiàn)狀與前景展望[J].遼寧工程技術大學學報.2005， 24(2):295－298.

[6] 駱亞生，李靖，徐麗.摻土粉煤灰的工程性質試驗研究[J].巖土力學.200930(S2):67-71.

[7] 章華.粉煤灰的力學性能[J].現(xiàn)代交通技術.2009，6 (5):8-11.