粉煤灰對(duì)紅土工程特性改良的實(shí)驗(yàn)研究

梁?jiǎn)⑶? 高穎 盧琴 吳昌明 陳星

摘 要：土工護(hù)坡與生物護(hù)坡是常用的邊坡穩(wěn)固方法。但是工程造價(jià)高，花費(fèi)大量人力物力，國內(nèi)外已經(jīng)開始嘗試研究其他穩(wěn)固方法，如粉煤灰的研究。六盤水儲(chǔ)存了大量的低價(jià)粉煤灰，粉煤灰不加處理將會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵進(jìn)入空氣污染大氣，但是粉煤灰成分復(fù)雜，活性物質(zhì)較多，由于六盤水地區(qū)粉煤灰特性與其他地區(qū)不同，特別是三稀礦產(chǎn)富集。常規(guī)粉煤灰有活性物質(zhì)，但特殊地質(zhì)成因地質(zhì)條件下的粉煤灰可能有更好的改性效果。通過設(shè)計(jì)有關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證粉煤灰對(duì)紅黏土工程特性改良。

關(guān)鍵詞：粉煤灰;紅黏土;自由膨脹率;無側(cè)限抗壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.070

0 前言

中國是個(gè)產(chǎn)煤大國。由于火電廠的發(fā)展，粉煤灰排放量增加。大量的粉煤灰不僅污染大氣，排入河流也會(huì)造成河淤塞，其中有毒物質(zhì)還會(huì)對(duì)人類和生物帶來危害。但粉煤灰可資源化利用，國內(nèi)外開始嘗試將煤炭燃燒產(chǎn)生的粉煤灰大規(guī)模利用到工程加固和土壤改良上，已作為混凝土的摻合料等。貴州省六盤水市煤儲(chǔ)量居全省之首，但是由于煤層產(chǎn)生的地質(zhì)背景差異較大，比如部分粉煤灰還富有三稀礦產(chǎn)，這使得其改性作用復(fù)雜，需要深入開展相關(guān)的研究。

1 天然狀態(tài)下紅粘土礦物組成及物理特性

1.1 紅粘土主要礦物組成：高嶺石、伊利石

一般紅粘土的粘粒組分含量較高，最高可達(dá)到75%，最低也能達(dá)到55%。粒度較均勻，具有高分散性。

紅粘土的物理特性：具了解紅粘土風(fēng)干脫水其塑、液限沒有明顯影響，比如用含水量較高的紅粘土作為地基時(shí)，經(jīng)陽光酷曬后雖然含水量降低了，但是塑性的大小一般沒有太大改變。在達(dá)到壓實(shí)度的最佳含水量時(shí)，紅粘土的壓實(shí)度遠(yuǎn)高于一般粘性土。

1.2 相對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）六盤水是典型的紅粘土地區(qū)，一般情況下，紅粘土具有高分散性，但是不同地區(qū)紅粘土具有較大的差異性，因此設(shè)計(jì)顆粒分析試驗(yàn)驗(yàn)證六盤水紅粘土是否具有高分散性。顆粒分析試驗(yàn)分為篩析法、密度計(jì)法。紅粘土的粒徑較小，因此選擇密度計(jì)法來測(cè)定。

紅粘土顆分實(shí)驗(yàn)：①選取六盤水紅粘土制作土粒懸液;②用攪拌器在量筒中充分?jǐn)嚢?～2min左右，使懸液內(nèi)土粒分布均勻;③取出攪拌器的同時(shí)開動(dòng)秒表，每過20秒讀一次密度計(jì)讀數(shù)。④當(dāng)試驗(yàn)完成后發(fā)現(xiàn)下沉顆粒超過總土質(zhì)量的14%～15%時(shí)，將量筒中的紅粘土用0.075分析篩進(jìn)行洗篩，再進(jìn)行大于0.075的粒徑分析。

（2）根據(jù)紅粘土的物理性質(zhì)，紅粘土的塑限和液限一般情況下沒有太大變化（在風(fēng)干脫水時(shí)）。塑液限還是粘性土的重要物理特性指標(biāo)，反映了粘性土中的水對(duì)粘性土性質(zhì)的影響。測(cè)定粘土的塑液限指標(biāo)具有很重要的意義。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定六盤水紅粘土在含水量較高和含水量較低的情況下，驗(yàn)證塑、液限是否有明顯變化。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：由塑、液限聯(lián)合測(cè)定法，測(cè)定一個(gè)含水量相對(duì)較高的紅粘土試樣和一個(gè)含水量相對(duì)較低的紅粘土試樣的塑、液限。①首先將六盤水紅粘土試樣潤(rùn)濕過夜并充分調(diào)勻后，裝入試樣杯中刮平表面。②將試樣杯放在聯(lián)合測(cè)定儀的升降座上，調(diào)整升降座使聯(lián)合測(cè)定儀上部由磁鐵吸附住的圓錐尖端接觸土面，當(dāng)指示燈亮起且穩(wěn)定后（按下按鈕）使圓錐自由下落沉入試樣，5s后讀取圓錐入土深度H（mm）并測(cè)定含水率w（%）。按照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，測(cè)點(diǎn)不能少于3個(gè)，試驗(yàn)中一般控制圓錐下垂深度宜為4mm，8mm，16mm。根據(jù)這些測(cè)點(diǎn)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，繪制圓錐入土深度h與含水率W關(guān)系直線。在直線上求得2mm時(shí)的相應(yīng)含水率為塑限，17mm時(shí)含水率為液限。③同上所述再測(cè)量一個(gè)含水量相對(duì)較高的式樣，并繪制h～w關(guān)系直線。進(jìn)行兩組式樣的對(duì)比，驗(yàn)證塑、液限是否有明顯變化。

（3）測(cè)天然狀態(tài)下紅粘土的含水率。

a.取適量的六盤水紅粘土放入稱量盒中，蓋好盒蓋稱質(zhì)量。

b.打開盒蓋，將裝有紅粘土的盒放入烘箱中，在高溫下烘干。烘干時(shí)紅粘土不得少于8h。

c.將烘干后的試樣取出并冷卻。

d.冷卻后蓋好盒蓋，稱質(zhì)量。

2 粉煤灰的礦物成分及物理特性

2.1 粉煤灰成分分析

（1）元素成分分析：選取六盤水地區(qū)火力發(fā)電廠（盤南，盤北電

廠、發(fā)耳電廠）進(jìn)行粉煤灰取樣.編號(hào)后采用XRF對(duì)其主要元素進(jìn)行分析。經(jīng)以往大量數(shù)據(jù)分析可以推測(cè)出，粉煤灰中的鐵含量較高、硅含量相當(dāng)、鋁含量較低、同時(shí)還含有一定量的鈦 、鈣 。

（2）礦物成分分析：為了了解粉煤灰的晶相結(jié)構(gòu)，采用XRD對(duì)盤南盤北樣品進(jìn)行分析。經(jīng)以往大量數(shù)據(jù)分析推測(cè)六盤水地區(qū)的粉煤灰主要以莫來石和少量石英組成 ，并有少量的藍(lán)晶石，鐵的存在形式主要是磁鐵礦，其中Fe2O3、SiO2和Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為80%。

2.2 粉煤灰的物理特性

經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)查六盤水粉煤灰土粒的密度較小，一般為2.2～2.4g/cm，粉煤灰顆粒呈多孔型蜂窩狀，具有較強(qiáng)的吸附活性（因?yàn)楸砻娣e大），從而使粉煤灰具有較高的持水性，較大的膨脹性及較小的密度，因此灰渣具有孔隙大，含水量高，密度小，易擾動(dòng)，高摩擦角的特點(diǎn)。

3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證粉煤灰對(duì)紅土工程特性是否有改良

3.1 固結(jié)時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究

（1）取天然狀態(tài)下的紅粘土做三個(gè)相同的試樣，并貼上標(biāo)簽A1、A2、A3;取粉煤灰加入紅粘土做三個(gè)相同的試樣，并貼上標(biāo)簽B1、B2、B3;取水泥加入紅粘土做三個(gè)相同的試樣，并貼上標(biāo)簽C1、C2、C3;取土壤固結(jié)劑加入紅粘土做三個(gè)相同的試樣，并貼上標(biāo)簽D1、D2、D3。取A1、B1、C1、D1試樣做固結(jié)時(shí)間為一天的抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn);取A2、B2、C2、D2試樣做固結(jié)時(shí)間為二天的抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn);取A3、B3、C3、D3試樣做固結(jié)時(shí)間為三天的抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

（2）預(yù)測(cè)結(jié)果：無論固結(jié)時(shí)間為一天、二天或是三天，加入粉煤灰的紅粘土抗剪強(qiáng)度均比天然狀態(tài)下的紅粘土抗剪強(qiáng)度大，與其他試樣需具體實(shí)驗(yàn)后才能驗(yàn)證。

3.2 紅粘土的自由膨脹率實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)含水量對(duì)紅粘土塑液性沒有改變，但粉煤灰自身具有較大膨脹性，較高的持水性。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證粉煤灰加入紅粘土后的自由膨脹系數(shù)變化。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：（1）取天然狀態(tài)下的紅粘土測(cè)其自由膨脹性;（2）再取天然狀態(tài)下的紅粘土加入一定量的粉煤灰測(cè)量自由膨脹率;（3）單獨(dú)測(cè)量粉煤灰自由膨脹性;（4）根據(jù)具體數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

3.3 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響粉煤灰改良紅黏土強(qiáng)度的因素有：粉煤灰摻入量、壓實(shí)度、齡期、養(yǎng)護(hù)條件、與水拌和延遲制樣時(shí)間、配制試樣時(shí)含水量等， 若全面考慮這些影響因素， 則需要花費(fèi)大量的人力物力。綜合考慮試驗(yàn)條件的限制和實(shí)際工程需要， 本文選取粉煤灰摻入量、壓實(shí)度、養(yǎng)護(hù)條件、配制試樣時(shí)含水量作為影響要素進(jìn)行試驗(yàn)分析。

（1）粉煤灰摻入量的影響。定量取4份相同質(zhì)量的紅粘土試樣分別加入粉煤灰添加粉煤灰（粉煤灰用量分別為3%，5%，7%，9%，11%），分別測(cè)量各試樣的抗壓強(qiáng)度。畫出抗壓強(qiáng)度與摻入量的曲線圖。

預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，剛開始時(shí)， 粉煤灰改良紅粘土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變大， 但當(dāng)粉煤灰加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)一個(gè)數(shù)值Y%后， 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而隨著粉煤灰摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小， 即粉煤灰摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在最佳值——X%， 此時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度存在最大值。推測(cè)出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：粉煤灰的含量適當(dāng)時(shí)， 粉煤灰主要起穩(wěn)定作用（因?yàn)榉勖夯矣懈吣Σ两堑奶攸c(diǎn)，）且它會(huì)使紅粘土的塑性、膨脹性降低， 使紅粘土樣初步具有較好的水穩(wěn)定性， 并使土樣的密實(shí)度和強(qiáng)度得到增強(qiáng)， 隨著粉煤灰摻入量的增加， 土樣的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均得到提高;但當(dāng)粉煤灰的含量超過一定量 （即最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)x%） 以后， 過多的粉煤灰將沉積在土樣孔隙中而不參加反應(yīng)， 由于灰渣具有孔隙大，含水量高，因此過多粉煤灰將導(dǎo)致紅粘土強(qiáng)度降低。

（2）壓實(shí)度的影響。紅粘土經(jīng)最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)粉煤灰改良后， 并經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)或自然養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后， 改良后的紅粘土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與壓實(shí)度的關(guān)系。

預(yù)測(cè)結(jié)果;在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)或自然養(yǎng)護(hù)條件下， 粉煤灰改良紅粘土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都隨著壓實(shí)度的提高而增大。可以推測(cè)壓實(shí)度對(duì)粉煤灰改良紅粘土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響非常大。

（3）含水量的影響。紅粘土+X% （即最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)粉煤灰）改良土制件 （在壓實(shí)度為W%和不同含水量下制樣） 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值與配制試樣的含水量的關(guān)系。

預(yù)測(cè)結(jié)果， 試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨配制試樣中含水量的變化曲線近似為拋物線， 其基本原因在于土樣中的自由水除充滿顆粒間的孔隙外， 粉煤灰與土粒的水解和水化作用需要一定量的水分。含水量較低時(shí)， 水解和水化作用不充分， 使得無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較低。當(dāng)含水量過高時(shí)， 由于多余水分的存在， 影響了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)性， 致使土樣的強(qiáng)度和水穩(wěn)性降低。

4 結(jié)語

綜上所述，文章對(duì)貴州紅粘土和粉煤灰的組成成分與物理特性進(jìn)行了分析，通過對(duì)紅粘土與粉煤灰的物理特性分析，側(cè)紅粘土的自由膨脹率，設(shè)計(jì)粉煤灰改良紅黏土后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，進(jìn)行摻入量比較，含水量影響，壓實(shí)度影響綜合評(píng)價(jià)粉煤灰對(duì)紅黏土改良后效果曲線圖，評(píng)價(jià)粉煤灰改良紅黏土具體情況。

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基金項(xiàng)目：貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（2018521000）、六盤水師范學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（LPSSYZDXR201802）、六盤水師范學(xué)院教學(xué)內(nèi)容與課程體系改革項(xiàng)目（LPSSYjg201813）、貴州省教育廳青年科技人才成長(zhǎng)項(xiàng)目（黔教合KY字[2018]376）、貴州省教育廳青年科技人才成長(zhǎng)項(xiàng)目（黔教合KY字[2018]386）

作者簡(jiǎn)介：梁?jiǎn)⑶伲?997-），女，貴州黔西人，本科，研究方向：地質(zhì)工程。

*為通訊作者