粉煤灰改良黃土公路路基填料強度性能研究

王春林 （安徽省路橋工程集團有限責任公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

黃土高原是世界上最大的黃土堆積區，也是世界上黃土覆蓋面積最大的區域，總面積達54萬km之多。因黃土具有較強的濕陷性、滲透性和崩解性，黃土用作路基填料不易壓實。黃土的水穩定性也較差、浸水易軟化，在冬季0℃以下還易發生凍脹。黃土還具有干縮濕脹的特性，在反復干濕循環之后，表層易發生開裂和剝落，造成邊坡滑塌等病害。因此，對于在黃土地區建設的高等級公路路床不宜直接用黃土作為路基填料。

粉煤灰是火力發電廠中燒煤的副產品，研究表明，粉煤灰摻入黃土可明顯降低黃土的濕陷性和壓縮性。且粉煤灰價格低廉，若能成功應用到工程中，對工程質量、環境保護及工程成本均有益處。本試驗采用粉煤灰作為改良材料，以洛陽欒川地區的黃土為研究對象，研究粉煤灰改良黃土的強度性能等改良效果。為在黃土覆蓋地區建設公路及其他相關工程提供理論支撐。

1 試驗黃土和粉煤灰基本性質

試驗黃土的基本性質如表1所示。

由表2可知，在壓實系數k=0.81～0.91范圍內，其壓縮模量E均大于20MPa，壓縮系數a均小于0.1 MPa，屬于低壓縮性土。

試驗所用粉煤灰的化學成分如表3所示，其燒失量Loss（950℃）為2.59。

2 試驗方案

為研究粉煤灰改良黃土的強度特性，采用兩種試驗方法：常規三軸試驗和無側限抗壓強度試驗。采用三種粉煤灰摻配比進行試驗，試樣制備兩組，粉煤灰含量分別為10%，20%，30%，初始含水量為16.5%，養護到齡期后，其中一組試樣浸水飽和，養護齡期為28d。

另外再做一種室內凍融循環試驗，來研究粉煤灰改良黃土的抗凍融性能。該種試驗的方法把養護28d的試件通過零下20℃冰凍和20℃恒溫融化后檢測改良料的抗壓強度。

試驗黃土基本性質 表1

黃土土樣壓縮系數及壓縮模量 表2

粉煤灰化學成分含量（%） 表3

3 粉煤灰黃土的強度機理

粉煤灰是在火力發電廠中由磨細煤粉燃燒后從煙道排出的，屬于一種工業廢料。該種廢料之所以能夠變成一種可以在工程上使用的材料，源于它的火山灰活性具有優異的性能。粉煤灰的火山灰活性物質能與堿或堿土相關產物發生一定的化學反應生成膠凝性產物。

粉煤灰具有細粒結構和含有多種微量元素，粉煤灰的主要化學成分為SiO、AlO、FeO、CaO，它們對粉煤灰的活性及強度性能有明顯的影響。粉煤灰表面的玻璃體與土體中的水分子接觸，所含的活性SiO、AlO及CaO等逐漸溶于水中并發生一系列水化反應。首先是微量的活性氧化鈣CaO與水反應：

CaO+HO=Ca(OH)

其次是玻璃體內活性SiO和Ca(OH)進行二次反應，形成水化硅酸鈣凝膠，反應式如下：

xCa(OH)+SiO+(n-1)HO

=xCaO·SiO·nHO

此外，粉煤灰與水還會發生一定的其他反應，這表現在溶于水的其他活性物質會發生反應生成鈣釩石等物質。隨后經過一段時間，水化產物促使粉煤灰顆粒之間繼續增加粘結作用，表現為粉煤灰的強度會不斷地增長。文獻[7]表明粉煤灰的摻入可明顯降低黃土的濕陷性和壓縮性。

4 試驗結果分析

4.1 煤灰黃土強度特性

4.1.1 粉煤灰黃土的破壞特征

圖1給出了粉煤灰黃土典型的應力-應變關系曲線。

圖1 粉煤灰黃土的（σ1-σ3）～ε1曲線

由圖1可以看出，當摻合比a=10%，w=17%時，粉煤灰黃土的應力-應變曲線為加工硬化性，屬于塑性破壞；當摻合比a=20%，w=17%時，粉煤灰黃土的應力-應變曲線為加工軟化性，屬于脆性破壞，破壞應變在2%左右，圍壓越大，試件破壞時的峰值強度越大，且試件破壞時的應變值也隨圍壓的增大而有所增大；由此可見，粉煤灰黃土的破壞模式與摻合比有關，隨著摻合比的增大，破壞模式由塑性破壞向脆性破壞轉變。

4.1.2 摻合比對改良土強度指標的影響

圖2為粉煤灰改良黃土摻合比a與破壞主應力σ的關系曲線，可以看出粉煤灰黃土的破壞主應力σ隨摻合比a的增加而增大，在含水量w=17%狀態下，隨著圍壓越大，摻合比a對破壞主應力σ的影響越明顯，在較小圍壓下，當摻合比a達到20%以上時，其對破壞主應力σ的影響更大；在含水量w達到飽和狀態下，當摻合比a小于20%時，其對破壞主應力σ的影響在任何一種圍壓情況下均很明顯。

圖2 粉煤灰黃土aw～σ1f 關系曲線

圖3為齡期28d粉煤灰黃土強度指標與摻合比a的關系，從中可以看出，粉煤灰黃土的c值和q值均隨摻合比的增大而增大；w=17%狀態下較相同條件的飽和狀態下增長率要大得多，如摻合比由10%增至20%和20%增至30%時對應的q值增長率，w=17%狀態下分別為54.3%和65%，飽和狀態下分別為23.2%和56.5%。

圖3 粉煤灰黃土的 σ 3～σ1f 曲線

4.1.3 含水量對粉煤灰黃土強度指標的影響

由圖4可知，含水量越大粉煤灰黃土的破壞主應力越小，強度衰減率比較明顯，這說明粉煤灰黃土的水穩定性不良。為進一步驗證粉煤灰黃土的水穩定性，對粉煤灰黃土做了剪切試驗，試驗結果見表3，無側限抗壓強度q值衰減率表明，粉煤灰黃土的q值衰減率均較大，并隨著摻合比的增大而增大，這說明粉煤灰對黃土的水穩定性改善效果不明顯。

圖4 粉煤灰黃土的aw～強度指標曲線

與素黃土相比，粉煤灰對黃土的強度特性有一定程度改善，其效果與摻合比有關。如在非飽和狀態下，摻合比a=10%的粉煤灰黃土的無側限抗壓強度q值是素黃土的1.4倍，a=20%時為2.2倍，a=30%時為3.6倍。

4.2 粉煤灰黃土的抗凍融性能

由圖5可以看出，隨著粉煤灰改良料凍融次數的增加其強度變小。經過5次凍融循環后，其無側限抗壓強度q衰減在a=20%時達到48.7%，在a=30%時達到18.4%，這說明粉煤灰黃土的抗凍融能力隨著摻合比的提高而變好。但從上圖還可以看出，改良料的q衰減即使在a達到30%時仍然不小，這是因為改良料顆粒間的膠結作用在凍結作用下發生拉裂、破裂等弱化現象，從而導致粉改良料的強度降低。因此，在公路路基設計時，須采取封水措施，最大程度減輕凍融導致強度下降。

圖5 粉煤灰黃土凍融后的無側限抗壓強度qu

5 結論與建議

①粉煤灰中含有大量的活性化學成分 SiO、AlO、FeO、CaO等，可以在黃土中發生一系列物理化學反應，對改善黃土的工程性能有一定作用。

②粉煤灰黃土強度與摻合比有很大關系，當摻合比較小時，對黃土的改良的效果不明顯；隨著摻合比的增大，其單軸抗壓強度逐漸提高，摻合比在20%、30%時，與素黃土相比，其強度提高值幅度較大。

③含水量對粉煤灰黃土的影響較大，當其含水量從非飽和狀態達到飽和狀態，其無側限抗壓強度q值衰減率約為40%～60%，幅度較大，說明粉煤灰黃土的水穩定性較差。

④隨著粉煤灰改良料凍融次數的增加，其強度變小。抗凍融性能隨摻合比的提高而變好。盡管摻合比提高，但其無側限抗壓強度衰減仍比較明顯。因此，在公路路基設計時，須采取封水措施，最大程度減輕凍融導致強度下降。