CFB粉煤灰路基填料無側限抗壓強度試驗研究

周 鑫，高福寧，任希慶，杜菊平，鄧小鵬

(1.山西誠達公路勘察設計有限公司,山西 太原 030006;2.汾陽市交通運輸局,山西 呂梁 032200；3.山西能源學院,山西 晉中 030600)

0 引言

CFB粉煤灰是循環流化床粉煤灰的簡稱，指的是由循環流化床鍋爐(Circulating Fluidized Bed Combustion Boiler)燃煤時產生的主要固體廢棄物，循環流化床鍋爐一般采用的是高硫劣質煤、煤矸石等低熱值煤燃燒，燃燒時噴入一定量固硫劑脫硫，達到高效脫硫、低氮排放等優點，是新一代高效、低污染、清潔燃煤技術，因此在低熱值燃料利用中得到了廣泛的使用[1-2]。然而由于CFB鍋爐燃燒的溫度遠低于傳統煤粉爐的燃燒溫度，其產生的CFB粉煤灰在化學成分、礦物組成、物理性質等方面與傳統粉煤灰存在較大差異[3-5]。因此無法對CFB灰采用常規方式處治，制約了CFB粉煤灰的資源化利用，目前對CFB灰依然以堆放處置為主[6]。山西G307線汾陽市過境改線公路工程實施中，結合汾陽市分布著大量堆置的CFB粉煤灰，為達到固廢利用目的，提出了將CFB粉煤灰應用于路基填筑中，采用“以灰代土”的方法來修筑路基，減少取土填筑對環境的破壞。

公路路基是承受車輛荷載作用的載體，因此要求路基具有較高的強度，來抵抗車輛荷載的作用。無側限抗壓強度是反映路基填料物理力學性質的一個重要指標，是表征路基填料在無側向壓力條件下抵抗軸向壓力的極限強度，也是路基設計中重要的依據之一，如果路基填料的抗壓強度降低容易造成路基沉降變形，從而引起路基不均勻沉降、開裂、邊坡失穩等一系列的工程災害，威脅車輛行駛安全，影響公路工程使用壽命[7-9]。

CFB粉煤灰具有一定的火山灰活性和自硬性[4]，國內外學者在CFB粉煤灰作為建筑材料的資源化利用上展開了廣泛的研究。在建筑材料上，CFB粉煤灰作為凝膠材料，代替部分石膏用作水泥混合材和混凝土摻合料，研究其作為混合材對水泥性能、水化作用的影響，其研究結果表明，磨細CFB 灰渣可作為水泥混合材利用，強度、水泥安定性和凝結時間能滿足國家標準，CFB灰細度提高有利于水泥強度增加，CFB灰的最佳摻量為20%[10-14]。在道路工程上，采用CFB固硫灰改良云南紅黏土和固化淤泥質軟土，能夠提高紅黏土和淤泥質土的抗壓強度[15-18]。但CFB粉煤灰作為路基填料應用研究上，目前報道較少。因此，基于山西G307線汾陽市過境改線公路工程中的CFB粉煤灰填筑路基開展CFB粉煤灰的無側限抗壓強度研究具有重要意義。

本研究制備不同壓實度的CFB試樣，擬在不同的養護條件、不同齡期及水作用下，對CFB粉煤灰試樣進行無側限抗壓強度測試。探討不同壓實度的CFB粉煤灰無側限抗壓強度在不同養護條件、不同養護齡期及水作用下其強度變化規律，以期為CFB粉煤灰在公路工程中的應用提供理論研究和工程借鑒。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 CFB粉煤灰材料性質

本次試驗所采用的CFB粉煤灰取自山西省汾陽市某電廠所產的干灰。依據《公路土工試驗規程》(JTG E40—2019)的相關規定，對CFB粉煤灰樣品進行了比重、顆粒分析、液、塑限、含水率等基本的土工試驗并進行了化學成分分析。其主要物理力學性質見表1，其主要化學成分見表2。

表1 CFB粉煤灰土工試驗結果

1.2 試驗方案

按重型擊實試驗制作CFB粉煤灰試樣，因G307汾陽過境改線為一級公路，按《公路路基設計規范》中路基壓實度的要求，試樣壓實度分別按90%，92%，94%和96%進行制備，齡期分為1 d，3 d，7 d 和14 d，養護條件分自然養護和標準養護。自然養護是將試樣裝入塑料袋中封口后進行養護，如圖1所示，模擬CFB粉煤灰路基中包邊土的隔離功能，標準養護是將試樣放入FH-V型標準恒溫恒濕箱中進行養護，箱中的溫度為(20±2) ℃，濕度≥95%，如圖2所示。每組無側限抗壓強度測試6個試件，共計288個試件。測試不同齡期、不同壓實度在不同養護條件下的CFB粉煤灰的無側限抗壓強度，如圖3所示。

圖2 恒濕恒溫箱標準養護

圖3 無側限抗壓強度試驗

2 試驗結果與分析

不同齡期、不同壓實度在不同養護條件下CFB粉煤灰所對應的無側限抗壓強度如表3所示。

表3 CFB粉煤灰無側限抗壓強度

2.1 壓實度對CFB粉煤灰無側限抗壓強度的影響

為分析不同的壓實度對CFB粉煤灰的無側限抗壓強度的影響，分別繪制了自然養護與標準養護條件下CFB粉煤灰抗壓強度隨壓實度的變化曲線(圖4，圖5)。從圖4可以看出，在自然養護的條件下，相同的養護齡期，除1 d的無側限抗壓強度隨著壓實度增加不顯著外，其余養護齡期的CFB粉煤灰無側限抗壓強度均隨著壓實度的增大而增大；特別是養護天數在3 d和7 d時，壓實度的影響尤為顯著；但在14 d養護齡期時，壓實度從90%增大至92%，CFB粉煤灰的無側限抗壓強度增長迅速，但隨著壓實度的增大，其無側限抗壓強度呈現增長停滯的趨勢。

圖4 自然養護下CFB粉煤灰抗壓強度隨壓實度變化

圖5 標準養護下CFB粉煤灰抗壓強度隨壓實度變化

圖5是標準養護下CFB粉煤灰抗壓強度隨壓實度的變化曲線，從圖中可以看出，在標準養護下的CFB粉煤灰的無側限抗壓強度要小于自然養護下的無側限抗壓強度。在標準養護下，同樣的養護齡期，壓實度的增大對CFB粉煤灰的無側限抗壓強度影響不大，僅在養護7 d齡期時，CFB粉煤灰的無側限抗壓強度隨著壓實度的增大呈現稍增長的趨勢。因此在自然養護的條件下，隨著壓實度的增大，CFB粉煤灰的無側限抗壓強度也是在逐漸增長的；標準養護條件下，壓實度的增大對CFB粉煤灰的無側限抗壓強度增長影響不大。

2.2 養護齡期對CFB粉煤灰無側限抗壓強度的影響

為分析不同養護齡期對CFB粉煤灰的無側限抗壓強度的影響，分別繪制了自然養護與標準養護條件下CFB粉煤灰抗壓強度隨養護齡期的變化曲線(圖6，圖7)。從圖6可以看出，在自然養護的條件下，隨著養護齡期的增加，CFB粉煤灰的無側限抗壓強度呈現近似直線型增長，特別是養護齡期在3～7 d間，而齡期在7～14 d間，CFB粉煤灰的無側限抗壓強度增長較緩慢些，壓實度為92%，94%和96%的CFB粉煤灰養護14 d后，3者的無側限抗壓強度基本能達到一致，約為9.70 MPa，而壓實度為90%的CFB粉煤灰養護14 d后，其無側限抗壓強度小于前3者，為7.62 MPa，相差約2.0 MPa。這說明CFB粉煤灰的壓實度達到92%以上，隨著齡期的增長不同壓實度的CFB粉煤灰無側限抗壓強度最終會基本一致，因此公路工程中用CFB粉煤灰填筑路基時沒有必要追求高壓實度。

圖6 自然養護下CFB粉煤灰抗壓強度隨養護齡期變化

圖7 標準養護下CFB粉煤灰抗壓強度隨養護齡期變化

圖7是標準養護下CFB粉煤灰抗壓強度隨養護齡期變化曲線，從圖中可以看出，在標準養護的條件下，隨著養護齡期的增加，CFB粉煤灰的無側限抗壓強度呈現增長趨勢，不同養護齡期段，1～3 d和3～7 d的CFB粉煤灰無側限抗壓強度增長率基本一致，而7～14 d增長率明顯高于前兩個齡期段，但不同壓實度的CFB粉煤灰經標準養護14 d后，無側限抗壓強度基本能達到一致，約為7.40 MPa。

對CFB粉煤灰的無側限抗壓強度增長與齡期采用二項式進行擬合，發現自然養護條件下，壓實度為92%，94%，96%的CFB粉煤灰其無側限抗壓強度與齡期有較好的擬合關系；標準養護條件下各壓實度的CFB粉煤灰其無側限抗壓強度與齡期有較好的擬合關系，具體見圖6、圖7中的擬合公式，其R2值均在0.95以上，說明擬合關系較好。因此不管是自然養護還是標準養護，CFB粉煤灰的無側限抗壓強度會隨著養護齡期的增加而增大，除壓實度為90%的自然養護條件下外，不同壓實度下的CFB粉煤灰的無側限抗壓強度增長最終會達到基本一致。

2.3 水對CFB粉煤灰無側限抗壓強度的影響

為研究水對CFB粉煤灰抗壓強度的影響，試驗中對各齡期養護好的試樣采用浸水24 h后再測試其飽水無側限抗壓強度。其中齡期1 d及3 d的試樣浸泡后試樣散開破壞無法測試其強度，如圖8所示；齡期7 d及14 d的試樣浸水后試樣完整，其飽水無側限抗壓強度測試結果見表4。

圖8 齡期1 d及3 d的試樣泡水后破壞

表4 CFB粉煤灰飽水無側限抗壓強度

為分析水對CFB粉煤灰無側限抗壓強度的影響，分別繪制了自然養護與標準養護條件下CFB粉煤灰飽水與不飽水狀態的無側限抗壓強度隨壓實度的變化對比曲線(圖9，圖10)。可以看出，不同齡期CFB粉煤灰的飽水無側限抗壓強度均低于不飽水狀態的無側限抗壓強度，而且均隨著壓實度的增大而增大，特別是在自然養護的條件下，壓實度大于92%后，各齡期的CFB粉煤灰飽水抗壓強度增長較迅速，但在壓實度為96%時，7 d及14 d的CFB粉煤灰的飽水抗壓強度與不飽水抗壓強度基本一致，說明壓實度96%時，自然養護超過7 d后，水對CFB粉煤灰路基的無側限抗壓強度基本無影響。

圖9 自然養護CFB粉煤灰飽水與不飽水抗壓強度對比

圖10 標準養護CFB粉煤灰飽水與不飽水抗壓強度對比

參照巖石軟化系數的概念，對CFB粉煤灰試樣進行軟化系數進行計算，其計算結果見表5。可以看出，標準養護下的CFB粉煤灰軟化系數均小于自然養護狀態，說明自然養護條件下CFB粉煤灰的耐水浸能力強；除在標準養護條件下，壓實度為90%的CFB粉煤灰的軟化系數最小為0.75外，其余壓實度的軟化系數均大于0.75，說明壓實度大于90%的CFB粉煤灰具有耐水浸能力強，水穩性較好的性能。

表5 CFB粉煤灰軟化系數計算結果

3 結論

通過對用于路基工程的CFB粉煤灰試樣進行無側限抗壓強度試驗，分析了不同壓實度的CFB粉煤灰無側限抗壓強度與不同養護條件、不同養護齡期及水的作用下強度變化規律，得出以下結論：

(1)養護條件對CFB粉煤灰的無側限抗壓強度影響較大，套袋自然養護下對CFB粉煤灰無側限抗壓強度影響較大，而恒溫恒濕箱標準養護對CFB粉煤灰無側限抗壓強度影響不明顯，且自然養護條件下CFB粉煤灰的無側限抗壓強度要大于標準養護條件下的。

(2)CFB粉煤灰的無側限抗壓強度會隨著壓實度的增大、養護齡期的增長而增大，但在壓實度超過92%，養護齡期達到14 d后，壓實度的增大對CFB粉煤灰無側限抗壓強度無顯著影響。

(3)自然養護條件下，在壓實度大于90%，養護至14 d后，各壓實度下的CFB粉煤灰的無側限抗壓強度會達到基本相同值；標準養護條件下，養護至14 d后，各壓實度下的CFB粉煤灰的無側限抗壓強度也會達到基本相同值。因此用CFB粉煤灰填筑路基時，可不必要追求高壓實度。

(4)水對CFB粉煤灰無側限抗壓強度有一定的影響，不同齡期下CFB粉煤灰的飽水無側限抗壓強度均低于不飽水狀態的無側限抗壓強度。但在壓實度達到96%，自然養護超過7 d后，水對CFB粉煤灰路基的無側限抗壓強度影響不明顯。各壓實度下CFB粉煤灰試樣的軟化系數均不小于0.75，因此CFB粉煤灰填筑路基具有耐水浸能力強，水穩性較好的性能，是一種優質的路基材料。