利用石屑制備鐵路水泥火山灰碎石樁材料

曾曉輝 李傳書 周劍波 胡小寶 辜英晗 潘自立 曾永平 龍廣成 謝友均 薛元 王艷峰

(1中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2中鐵五局集團(tuán)有限公司拉林鐵路指揮部，貴州 貴陽550000；3中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；4中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 太原 030006)

水泥粉煤灰碎石（CFG）樁是基于低強(qiáng)度混凝土復(fù)合地基理論發(fā)展起來的一種半剛性樁[1-4]，其作為復(fù)合地基處理技術(shù)已逐漸在工程應(yīng)用中得到推廣，特別是在一些基礎(chǔ)穩(wěn)定性要求高的重要工程中較常應(yīng)用，CFG樁已成為我國客運(yùn)專線和高速鐵路建設(shè)復(fù)合地基處理中的一種重要形式。由于樁基材料一般處于潮濕地下環(huán)境中，環(huán)境水中的侵蝕性物質(zhì)如硫酸鹽、氯鹽、碳酸鹽等易對其產(chǎn)生腐蝕，因此需高度重視其抗腐蝕能力[5-7]。

大瑞鐵路保瑞段經(jīng)保山市、龍陵縣、芒市、瑞麗市等地，是我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中的重點(diǎn)項目，也是云南省“八入滇、四出境”鐵路網(wǎng)規(guī)劃中的重要出境通道之一。保瑞段有樁基處理70余萬m3，采用C25低標(biāo)號樁基材料約14萬m3。鐵路沿線酸性侵蝕等級大多為H1級，CO2侵蝕等級可達(dá)H2級，當(dāng)?shù)厮w的硫酸鹽濃度為400mg/L的水平，為中度硫酸鹽侵蝕環(huán)境，此外，保瑞段還有L1級侵蝕環(huán)境的工況，樁基材料易遭受侵蝕。

大瑞鐵路保瑞段沿線距離粉煤灰產(chǎn)地較遠(yuǎn)，粉煤灰到工地價格較高，但保山、龍陵當(dāng)?shù)鼗鹕交屹Y源極為豐富，因此研究火山灰取代粉煤灰，開發(fā)相應(yīng)的水泥火山灰碎石（CPG）樁十分必要。在本文中，通過對當(dāng)?shù)鼗鹕交疫M(jìn)行改性，并利用當(dāng)?shù)夭墒瘓鍪迹苽淞肆鲃有浴⒖杀眯浴?qiáng)度以及耐久性優(yōu)良的CPG樁基材料，并成功于應(yīng)用工程中。

1 原材料與試驗

1.1 原材料

水泥：保山海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，3d抗壓強(qiáng)度32.1MPa，28d抗壓強(qiáng)度51.2MPa。

火山灰：如圖1所示，采用龍陵縣江騰火山灰有限公司生產(chǎn)的磨細(xì)火山灰，火山灰活性指數(shù)63.1%，燒失量為1.18%，需水量比105%。火山灰的化學(xué)成分如表1所示，XRD礦物組成分析結(jié)果如圖2所示，該火山灰主要含有硅、鋁氧化物和堿金屬氧化物，從XRD的衍射峰來看，該火山灰內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)主要為無定型的玻璃體氧化物。

圖1 火山巖及火山灰

表1 火山灰化學(xué)組成分析結(jié)果

圖2 火山灰XRD分析結(jié)果

改性火山灰：針對天然火山灰引氣能力強(qiáng)、需水量大、反應(yīng)活性不足的問題，在工廠內(nèi)對火山灰進(jìn)行改性，全面提升其性能，改性后火山灰活性指數(shù)為77.2%，需水量比99%。

粉煤灰：原灰來自云南華電昆明發(fā)電有限公司，粉煤灰活性指數(shù)為76.2%，細(xì)度為13.1%，需水量比為101%，燒失量為6.1%，相關(guān)指標(biāo)均符合Ⅱ級粉煤灰要求。

石屑：來源于瑞麗市當(dāng)?shù)夭墒瘓觯瑸樯a(chǎn)砂石料后的副產(chǎn)品，其篩分結(jié)果如表2所示。試驗時將石屑過篩，依據(jù)篩余將石屑分為0.15～9.5mm、0.075～0.15mm、0.075mm以下組，再進(jìn)行復(fù)合摻配。

表2 石屑篩分結(jié)果

砂：瑞麗江潔凈河沙，細(xì)度模數(shù)2.72。

石：來自云南保山，非連續(xù)顆粒級配，分別對5～10mm，10～20mm，20～31.5mm單粒粒級篩分后進(jìn)行分類堆放，將以上單粒級配按30:50:20的比例組成為5～31.5mm的連續(xù)級配。

減水劑：聚羧酸減水劑。

1.2 試驗

1.2.1 配合比

試驗用配合比如表3所示，混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C20，設(shè)計坍落度為200mm，配合比中保持水膠比0.5不變，通過減水劑調(diào)整混凝土坍落度。配比中PO、VA、FA、MVA分別代表摻純水泥、摻火山灰、摻粉煤灰、摻改性火山灰。

表3 混凝土配合比(kg/m3)

1.2.2 和易性

CPG樁基施工中混凝土采用泵送，對拌合物和易性要求較高，以坍落度評價拌合物和易性，目標(biāo)坍落度為200mm左右。

1.2.3 強(qiáng)度

CPG樁為C20 低標(biāo)號素混凝土，試驗參照GB/T-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，以3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度來表征混凝土強(qiáng)度發(fā)展。

1.2.4 電通量

電通量是表征混凝土耐久性的重要參數(shù)，實(shí)驗采用TB10005-2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的混凝土電通量測試方法。

1.2.5 抗腐蝕系數(shù)

實(shí)驗采用TB10005-2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的水泥或膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能快速檢測方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 火山灰對混凝土拌合物性能的影響

如表4所示，在采用河沙時，摻天然火山灰混凝土表現(xiàn)出極強(qiáng)的引氣能力，且摻量越高，引氣能力越強(qiáng)，這可能與火山灰多孔結(jié)構(gòu)吸附氣體有關(guān)[8]，拌合物含氣量高達(dá)15%以上，且氣泡極不穩(wěn)定，含氣量損失較快，拌合物離析、泌水較為嚴(yán)重（圖3a），拌合物迅速板結(jié)并喪失流動性，可泵性較差。摻用改性火山灰后，拌合物引氣能力有所削弱，降低至6%以下，且坍落度≤80mm時，拌合物無離析、泌水，氣泡穩(wěn)定，但坍落度較高時，拌合物仍泌水嚴(yán)重，坍落度無法測試。而摻用20%粉煤灰后，拌合物含氣量降低至4.6%，氣泡穩(wěn)定性良好，但坍落度較高時，仍存在少許離析與泌水，拌合物易板結(jié)。

圖3 混凝土拌合物外觀

表4 拌合物性能測試結(jié)果

石屑對拌合物離析與泌水改善非常明顯，摻入石屑后氣泡也較為穩(wěn)定，且石屑中粒徑≤0.15mm的粉體含量越高，拌合物含氣量損失越小，當(dāng)石屑中0.15mm以下顆粒物含量≥15%或0.075mm以下顆粒物含量≥10%時，流動性甚至達(dá)到自密實(shí)混凝土的水平，擴(kuò)展度達(dá)550mm（圖3b），且無離析與泌水。這些可能與石屑連續(xù)級配及粉體懸浮作用有關(guān)，由于CPG樁基混凝土中膠凝材料僅320kg/m3左右，其有效粉體含量不足，較大坍落度時拌合物易離析、泌水，而石屑中0.15mm以下顆粒物可充當(dāng)粉體材料，因此采用石屑后拌合物和易性大為改善。

2.2 火山灰對硬化混凝土強(qiáng)度與電通量的影響

火山灰、粉煤灰對硬化混凝土強(qiáng)度與電通量的影響如表5所示。火山灰對混凝土強(qiáng)度降低的影響較明顯，摻50%天然火山灰時，3d強(qiáng)度甚至降低至基準(zhǔn)值的50%以下，28d強(qiáng)度也僅有基準(zhǔn)值的60%左右，這反映了當(dāng)?shù)靥烊换鹕交一钚暂^弱[9]，如不加以改性將嚴(yán)重降低混凝土的強(qiáng)度。對火山灰進(jìn)行改性后，混凝土強(qiáng)度增長明顯，摻50%改性火山灰，28d抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)值的80%以上，且高于同摻量粉煤灰強(qiáng)度，滿足設(shè)計所要求的強(qiáng)度等級。石屑對混凝土的強(qiáng)度增加也比較明顯，在各組配比中，摻入石屑后混凝土強(qiáng)度均有所增加，這可能與石屑中含有大量的石灰石粉有關(guān)，石灰石粉在早期可加速水泥水化[10]，其后期填充效應(yīng)可使混凝土更加密實(shí)[11]，因此有一定的增強(qiáng)效果。采用石屑+改性火山灰方案，即使改性火山灰摻量達(dá)50%，混凝土28d抗壓強(qiáng)度仍可達(dá)30.7MPa，遠(yuǎn)高于設(shè)計所要求的強(qiáng)度。

表5 硬化混凝土強(qiáng)度與電通量

火山灰與粉煤灰均可降低硬化混凝土的電通量。由于混凝土水灰比較大，因此基準(zhǔn)組的電通量達(dá)2795C，摻入50%火山灰后混凝土電通量降低至2102C，而摻入50%粉煤灰后電通量降低至1643C，這可能與摻合料的火山灰效應(yīng)有關(guān)，通過與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成的C-S-H凝膠使混凝土更加密實(shí)，因此混凝土電通量降低明顯[12]。石屑也顯著降低了混凝土的電通量，這可能與石屑中石灰石粉的密實(shí)效應(yīng)有關(guān)[11]。對火山灰進(jìn)行改性后，混凝土電通量降低尤為明顯，摻入50%改性火山灰，并摻入石屑，混凝土的電通量降低至626C。

2.3 火山灰對膠凝材料耐蝕系數(shù)的影響

圖4 膠凝材料耐蝕系數(shù)試驗

環(huán)境水侵蝕綜合防護(hù)技術(shù)是鐵路、公路、地下工程設(shè)計的重要內(nèi)容之一。由于水泥基材料的組成與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)自然環(huán)境中含有酸、鹽等侵蝕性介質(zhì)時，這些環(huán)境介質(zhì)會對水泥基材料產(chǎn)生侵蝕作用，引起組成、結(jié)構(gòu)的變化和使用性能的劣化，嚴(yán)重影響工程結(jié)構(gòu)物的服役壽命和線路運(yùn)營的安全性。CPG樁的服役環(huán)境特點(diǎn)決定了必須注意其抗水侵蝕能力，如圖4所示，本文對比分析了摻火山灰膠凝體系的耐蝕系數(shù)，結(jié)果如表6所示。粉煤灰摻量過高使得膠凝體系耐蝕系數(shù)下降，而火山灰可使膠凝體系的耐蝕系數(shù)在較高水平，滿足規(guī)范所要求≥80%。

表6 復(fù)合膠凝體系耐蝕系數(shù)

3 結(jié)論

本文針對滇西地區(qū)粉煤灰資源匱乏而火山灰資源豐富的現(xiàn)狀，研究了采用石屑制備水泥火山灰碎石（CPG）樁材料，獲得結(jié)論如下：

1）天然火山灰使拌合物引氣能力大大增強(qiáng)，拌合物易離析與泌水，氣泡上浮，和易性變差，且使混凝土強(qiáng)度大為降低，滿足不了工程需要；而對火山灰進(jìn)行改性，可改善混凝土和易性，提高混凝土強(qiáng)度，大幅降低混凝土電通量。

2）使用河沙作為細(xì)骨料，拌合物粘聚性差，無法滿足泵送的需要；而石屑能顯著改善拌合物的和易性，其細(xì)顆粒物含量是影響拌合物流動性的關(guān)鍵因素，石屑0.15mm以下顆粒物含量≥15%或0.075mm以下顆粒物含量≥10%為宜。

3）基于改性火山灰與石屑技術(shù)，制備了性能優(yōu)異的樁基材料，其膠凝材料用量為320kg，改性火山灰用量為160kg，拌合物坍落度為160～200mm，無分層、離析、浮泡，可泵性優(yōu)良，成功用于大瑞鐵路工程建造中，芯樣28d抗壓強(qiáng)度≥30.0MPa，56d電通量≤1000C。