利用再生石膏和粉煤灰改善軟土強度及耐久性能

張永強

(呂梁公路建設有限公司，山西呂梁 033000)

0 引言

為了降低垃圾填埋場的處置費用和土石方項目的成本，并維持一個良好的環境，人們針對能夠應用到土工項目中作為替代材料的不同類型的廢棄物和再生材料進行了大量的研究［1-3］。這類廢棄物及循環再造材料包括石膏，粉煤灰，水泥窯灰，爐渣，焚燒污水灰，石粉，稻殼灰和工業用石灰等［4，5］。

石膏可以增加土壤顆粒之間的粘結性能［6］，將其應用到軟土工程中作為穩定劑是一種很好的解決措施，但它溶于水，在工程應用中面臨嚴峻挑戰。因此，添加固化劑以降低石膏的溶解度是非常必要的，以避免發生任何機械和環境危害。部分粉煤灰具有良好的膠凝性能，在軟土的固化應用中有了大量的應用。粉煤灰作為添加劑應用到燒石膏固化的軟土中，將會更經濟地提高軟土的耐久性和降低石膏的溶解度，這將減少所需水泥的用量。本文針對使用粉煤灰和再生石膏作為土壤穩定劑以改善軟土的強度和耐久性，進行了系統的研究。

1 材料及實驗方法

1.1 原材料

水泥:采用華潤牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

穩定劑:石膏、粉煤灰，其中值粒徑分別為0.8mm和0.01mm。軟土:高嶺土粘土，其中值粒徑為0.008 mm。

1.2 實驗方法

首先將石膏、粉煤灰和水泥在干燥狀態下混合均勻，然后與濕試土壤混合，并制成直徑50 mm和高度100 mm的圓柱土樣。經過24 h養護之后，在室溫20℃下利用電流互感器進行1 d，3 d，7 d，28 d不同時間的固化。使用北京工具廠生產的型號為LQ-100S的路面材料強度試驗儀，以及量程分別為7.5 kN和30 kN的測力環測定固化土無側限抗壓強度，加載速度為該儀器的機動速度1mm/min。此外，對穩定土的基礎上進行的抗壓強度試驗結果進行耐久性評估。

2 結果與討論

圖1～圖3為添加了不同比例粉煤灰和石膏的軟土的抗壓強度。其中，固化時間為1 d，3 d，7 d和28 d。由圖可知，石膏和粉煤灰的添加改善了軟土的抗壓強度。一般來說，當粘土與石膏，粉煤灰，高爐礦渣水泥混合，它們之間會發生化學反應，從而提高軟土的強度。然而，某些因素通過影響化學反應活性間接的控制著強度的變化，如水分含量，穩定劑的含量，粘土礦物和穩定劑的類型和氣候條件等。此外，改善強度不僅局限于誘導土與固化劑之間的化學反應，而且一些因素也對強度的提高有著重要的聯系。例如，在本研究中的供試土壤具有高水分含量，特別是在初始階段，強度的提高主要取決于潛在穩定劑對水的吸收［7，8］。

對比圖1～圖3，隨著石膏比率的增加，試樣強度逐漸增加。這主要是因為一方面石膏可以充分吸收土壤中的水分形成膠結化合物，如鈣礬石，增加了強度，同時減小了孔隙率，進而促進了土壤顆粒之間的密實度。另一方面燒石膏中含有部分CaO，與水和二氧化碳可以形成CaCO3，加速土壤試樣的硬化。同時，粉煤灰也起了非常大的作用，粉煤灰具有非常高的火山灰活性，有助于促進鈣礬石的形成。

圖1結果與圖2，圖3結果不一致，粉煤灰增加，水泥減少，反而土樣性能下降。這主要是由于粉煤灰自身膠凝性能較差所致，相反石膏卻有較強的膠凝性能。尤其在粉煤灰添加的固化后期情況下效果更為明顯。

圖1 r石膏/土=0條件下，煤灰對軟土性能的影響

圖2 r石膏/土=5%條件下，煤灰對軟土性能的影響

從數據曲線分析可知，1 d～7 d前期，土樣的強度迅猛增加，隨著固化時間的進一步延長，土樣強度逐漸增加而趨于穩定。可見，與傳統只添加水泥的土樣相比，添加石膏穩定劑土樣的前期固化時間短［9，10］。前期固化時間是一個非常重要的屬性，尤其是當供試土壤具有高水分含量的情況下該屬性可以被用來減少施工時間。

3 結語

石膏與粉煤灰的組合應用對軟土強度和耐久性的提高具有積極的作用。粉煤灰具有潛力以提高再生燒石膏的耐用性與穩定的軟粘土層對環境的影響。根據測試結果，可以得出以下結論:

1)軟土的強度及耐久性隨著石膏土比率增加而提高。粉煤灰具有輕微的負面效應，應該與燒石膏混合應用到軟土中。

圖3 r石膏/土=10%條件下，煤灰對軟土性能的影響

2)粉煤灰和燒石膏的增加，容易促進軟土試樣中鈣礬石的形成，進而影響到試樣的整體性能。

3)相比于固化后期，前期固化時間對試樣強度的影響較大。

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