粉煤灰在公路中的应用.doc

粉煤灰在公路中的应用粉煤灰作为一种电厂的燃料废渣，过去是很多企业头疼和难办的一件事，大量的粉煤灰需要占用大面积的土地进行堆放，粉煤灰的粉尘造成周边环境被严重污染，随着各行各业对粉煤灰的开发和利用，特别是近几年全国高速公路的迅猛发展，粉煤灰的利用率越来越高，使粉煤灰“变废为宝”，粉煤灰在各项工程中的利用，不但使工程造价大大降低，而在节约土地、环境保护方面的意义将是非常深远的。1、粉煤灰材料1.1粉煤灰的化学成分粉煤灰属于CaO、Al2O3-SiO2系统。由于煤粉高温燃烧，其中主要成分铝、硅形成了活性成分，同时由于粉煤灰的比表面积很大，具有很大的表面能，且粉煤灰的密度小，这就是我们将其在公路中利用的基础。为了较全面地掌握粉煤灰的化学性质，我们将近几年利用粉煤灰的调查情况作如下统计：由1可见，以上粉煤灰的化学成分的变化范围基本上与我国发电厂的粉煤灰化学成分一般变化范围一致。其化学成分以Al2O3和SiO2为主，次要成分为CaO和Fe2O3以及少量的MgO和SO3等。1.2粉煤灰的物理性质粉煤灰其比重在1.952.36之间，松干密度在450700kg/m3范围内，比表面积在220588m2/kg之间。由于粉煤灰的多孔结构、球形粒径的特性，在松散状态下具有良好的渗透性，其渗透系数比粘性土的渗透系数大数百倍。粉煤灰在外荷载作用下具有一定的压缩性，同比粘性土其压缩变形要小的多，例如某组试件，相同密实度（重型K=100%）的土与粉煤灰，土的压缩系数10N20N=0.24Mpa-1,而粉煤灰的压缩系数10N20N=0.15Mpa-1,土的压缩系数比粉煤灰的压缩系数大40%50%。粉煤灰的毛细现象十分强烈，其毛细水的上升高度与压实度有着密切关系。表2为粉煤灰的渗透系数、压缩系数、毛细水上升高度参考值。2、粉煤灰研究成果2.1粉煤灰的结构决定其活性特征我们知道粉煤灰是含有少量碳、晶体（石英、莫来石）和大量铝硅酸盐玻璃体的细粉状工业废渣。由于碳和晶体（石英、莫来石）在常温下没有活性，粉煤灰中也不含纳米粒子（粒径小于100nm），因此，粉煤灰的火山灰活性主要取决于玻璃体的化学活性，包括玻璃中可溶性SiO2、Al2O3的含量和玻璃网络聚集体的解聚能力。由于粉煤灰是在高温流态化条件下快速形成，玻璃液相出现使之在表面张力的作用下收缩成球形液滴并相互粘结，则在快速冷却过程中形成多孔玻璃体。快速冷却阻止了析晶，使大量粉煤灰粒子仍保持高温液态玻璃相结构。这种结构表面外断键很少，可溶性SiO2、Al2O3也少，因而粉煤灰的火山灰活性比成分相近的火山灰低。在粉煤灰玻璃体中，Na2O、CaO等碱金属、碱土金属氧化物少，SiO2、Al2O3含量高，由于脱碱作用，在玻璃体表面形成富SiO2和富SiO2-Al2O3的双层玻璃保护层。保护层的阻碍作用，使颗粒内部本来含量较少的，可溶性SiO2、Al2O3很难溶出，活性难以发挥。所以，粉煤灰早期活性是以物理活性（颗粒效应、微集料效应等）为主。经过3个月或更长时间，粉煤灰的火山灰化学活性才能逐渐表现出来，并赋予其良好的性能（后期强度高、抗渗性能好、耐磨等）。为了有效地激活粉煤灰早期化学活性，必须：A、破坏Si-O-Si和Si-O-Al网络构成双层保护层，使内部可溶性SiO2、Al2O3的活性释放。B、将网络聚集体解聚、瓦解，使SiO4、Al O4四面体形成的三维连续的高聚合度网络解聚成四面体短链，进一步解聚成SiO4、Al O4等单体或双聚体等活性物，为下一步反应生成C-S-H、C-A-H等胶凝物提供活化分子。2.2激活粉煤灰活性的主要方法2.2.1细磨法常见的细磨方法主要是机械细磨。通过细磨可将粗的粉煤灰颗粒磨成细小的碎粒。一方面粉碎粗大多孔的玻璃体，解除玻璃颗粒粘结，改善了表面特性，提高了粉煤灰的物理活性（颗粒效应、微集料效应等）；另一方面，破坏了玻璃体表面坚固的保护膜，使内部可溶性SiO2、Al2O3溶出，断链增多，比表面积增大，使反应接触面、活化分子增加，粉煤灰早期化学活性得到提高。根据生产和使用经验，粉煤灰的最佳细磨比表面积为60007000cm2/g。2.2.2水热合成法人们从许多有关玻璃侵蚀动力学的研究中发现，在50150间，碱液对玻璃侵蚀速度的对数与温度成直线关系。如：粉煤灰加气混凝土在蒸压条件下（120145，4小时左右）的强度远远高于普通条件下的混凝土强度，这是因为在蒸压条件下，粉煤灰在常温下需要几年才能激发的活性可在几个小时内全部激发出来。由此可知：水热合成法激发粉煤灰化学活性的效果非常显著，具有重要的实用价值。2.2.3碱性激发法在常温下，水、酸、碱和盐等物质，只有碱对硅酸盐玻璃网络具有直接的破坏作用，所以碱溶液具有最强的作用，即碱性激发。碱性越强，PH值越高，温度越高，碱性激发作用越强。例如：在粉煤灰中掺入硫酸钠（ Na2SO4）或氯化钙（CaCl2）能显著提高粉煤灰的活性。用80%粉煤灰与20%消石灰混合料，按0.35水灰比配制标准稠度的浆液，将激发剂按4%掺量先溶于拌和水中，然后与粉煤灰石灰混合料混合5分钟，在23雾室中养护至一定强度。从凝结时间看，不掺激发剂的粉煤灰石灰混合料凝结时间长，虽然两者在初凝未有明显差别，但终凝时间由60小时缩短至26小时；从强度看，不掺激发剂的粉煤灰石灰混合料3天未具备可实测的强度，R28=1Mpa， R90=13Mpa。掺Na2SO4粉煤灰石灰混合料1天未具备可实测的强度，R7=10Mpa，R28=19Mpa。掺CaCl2粉煤灰石灰混合料1天未具备可实测的强度，R7=3Mpa，R28=23Mpa。可以看出，掺激发剂的粉煤灰石灰混合料不管是早期强度还是后期强度都明显高于不掺激发剂的粉煤灰石灰混合料强度。3、粉煤灰应用随着粉煤灰的研究和开发，粉煤灰在各行各业中的应用越来越广泛。在观念上从以前的废渣利用到现在的资源开发、利用，使粉煤灰的应用性质有了质的变化。3.1粉煤灰路堤在公路中利用粉煤灰最为广泛的是粉煤灰路堤，尤其是在软土地基路段，能充分利用粉煤灰质量轻的特点，减轻路堤自重、减轻软土地基的附加应力，减少总沉降并大路堤的稳定性。3.1.1材料要求粉煤灰的烧失量不得大于12%，烧失量超过标准的粉煤灰应作对比试验，分析论证后方可采用。粉煤灰的粒径应在0.0012.0mm之间，小于0.074mm的颗粒含量应大于45%。3.1.2室内试验粉煤灰路堤施工前应对所采用的粉煤灰做好各项室内试验。室内试验的项目详见公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范（JTJ01693）中表2.2.4。通过室内试验确定各项技术指标和设计参数，并对粉煤灰路堤进行验算。3.1.3路堤横断面路堤横断面详见下图：为提高粘土边坡保护层与粉煤灰边坡的稳定性，应将相接面筑成3050cm的台阶状，并把台阶做成2%的反拱。保护层厚度不小于2.0m。在路槽标高以下设置不小于30cm的二灰封层。3.1.4排水为及时排除渗入路基内的渗水，路基底部设置30cm的砂垫层，在砂垫层上全幅铺设一层透水土工布，以防粉煤灰流失。在粘土保护层中设置3050cm的盲沟，设置水平间距10m，垂直间距0.9m，呈梅花形交叉布置，在盲沟进口处应采用透水土工布包裹，以防粉煤灰流失。3.1.5稳定验算及沉降计算通过多条公路粉煤灰路堤的设计和施工，对于非软弱地基上的粉煤灰路堤，当路堤高度5.0m，边坡坡率采用1:1.5时，可不作稳定性验算。当路堤高度5.0m时，应进行路堤自身的稳定性验算，一般可采用直线或圆弧滑动面进行验算，稳定系数应1.25。对于软弱地基上的粉煤灰路堤，应考虑路堤本身和地基共同的滑动破坏，对其进行边坡稳定和路堤的抗滑稳定性验算。验算时粉煤灰的内摩擦角和粘结强度C应采用饱水后测定的C、值为准，抗滑安全系数1.25。由于干粉煤灰没有塑性而是离散状的，其内聚力是由毛细水张力形成，是一种“假内聚力”。建议粉煤灰路堤稳定计算取值参数：粉煤灰容重采用压实后的湿容重15kN/m3、C值取10kPa、值取28。对于软弱地基上的粉煤灰路堤，应进行沉降量计算，计算方法采用总和法计算主固结沉降，地基的总沉降量包括三部分：S=Sd+Sc+Ss，Sd瞬时沉降，Sc-主固结沉降，Ss次固结沉降。采用综合修正系数对瞬时沉降和蠕变沉降进行综合考虑和修正，计算最终沉降量，S=mSc，m的取值范围为1.11.4。3.1.6压实标准路堤的压实对路堤的强度和稳定性影响很大，我们知道粉煤灰与土的工程特性有显著差别，其渗透性比粘土大的多。通过对粉煤灰击实实验表明，在粉煤灰达到最佳含水量前，击实含水量的变化对于最佳含水量影响较小，粉煤灰具有击实含水量区域较宽（W=30%50%）的特性，因此允许在较大含水量变化范围内对其进行压实，甚至可以在雨天进行施工。粉煤灰的各项物理、力学指标采用重型压实标准比轻型压实标准有明显的提高，有利于提高路基强度。通过试验工程效果表明，采用大吨位（20t50t）的振动压路机进行压实作业，路基的压实效果相当明显，而采用较轻的光轮静碾压路机压实效果较差。所以，高速公路和一级公路应采用重型压实标准。表3为各等级公路粉煤灰路堤压实标准3.1.7粉煤灰路堤施工好的设计必须通过好的施工来实现，所以在施工中必须控制好每一个环节。粉煤灰运输应采用自卸汽车，堆放时对颗粒组成不同的粉煤灰应分别堆放，对于运输和堆放应做好防止扬尘和流失污染措施；粉煤灰路堤应采用水平分层填筑法施工，当分成不同作业段填筑时，先填地段应分层留台阶，使每个压实层相互重叠搭接，搭接长度应大于150cm。当采用中型（20t30t）振动压路机时，每层压实厚度20cm；当采用重型（40t50t）振动压路机时，每层压实厚度30cm。粉煤灰路堤压实应遵循先轻后重的原则，压实度应严格按设计要求执行。3.2粉煤灰类基层粉煤灰类基层的主要类型：石灰粉煤灰稳定细粒土（含砂）、中粒土和粗粒土，具体可分为：石灰粉煤灰稳定土（二灰土）、石灰粉煤灰稳定砂砾（二灰砂砾）、石灰粉煤灰稳定碎石（二灰碎石）、石灰粉煤灰稳定矿渣（二灰矿渣）、石灰粉煤灰（二灰）等。粉煤灰类基层属于半刚性结构，具有强度高、稳定性好、刚度大和一定的抗冻性等特点，尤其是其抗裂缝性能优于水泥稳定碎石，在公路建设中被广泛采用。3.2.1材料要求粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量应70%，粉煤灰的烧失量应20%；粉煤灰的比表面积应2500cm2/g（或90%通过0.3mm筛孔，70%通过0.075mm筛孔）。对于湿粉煤灰其含水量应35%，含水量过大时，粉煤灰易凝聚成团，造成拌和困难。3.2.2石灰粉煤灰混合料组成设计石灰粉煤灰混合料首先应进行组成设计，通过试验选择最适宜的稳定土类，确定石灰与粉煤灰的比例，确定混合料最佳组成配合比，确定混合料最佳含水量。表4为石灰粉煤灰混合料7d浸水抗压强度标准。根据石灰粉煤灰混合料抗压强度标准，选定混合料的配合比，并对此配合比混合料试件进行室内试验取得平均抗压强度R。R应满足：RRd/(1-ZaCv)式中：Rd设计抗压强度Cv试验结果的偏差系数Za标准正态分布表中随保证率（或置信度）而变的系数，高速公路和一级公路应取保证率95%，即Za=1.645；其他公路应取保证率90%，即Za=1.282。采用二灰土做基层或底基层时，石灰和粉煤灰的比例可采用1:21:4，石灰粉煤灰与细粒土的比例可采用30:7090:10，石灰粉煤灰与集料的比例可采用20:8015:85。石灰粉煤灰与粒料为20:8015:85时，称为密实式二灰粒料，在混合料中粒料间形成骨架，石灰粉煤灰能有效地起到填充孔隙和胶结的作用，大大减少了整体材料的孔隙率、比表面积和含水量，从而较大幅度地降低了材料的收缩性，减少了干缩裂缝；石灰粉煤灰与粒料为50:50左右时，称为悬浮式二灰粒料，在混合料中粒料间形不成骨架，而是悬浮在石灰粉煤灰混合料中，使其收缩性，容易生产干缩裂缝。通过多条高速公路的实践证明，悬浮式二灰粒料的最大干缩应变约为密实式二灰粒料的3倍以上，在同等条件下悬浮式二灰粒料基层上沥青面层的裂缝比密实式二灰粒料基层上沥青面层的裂缝多很多，悬浮式二灰粒料的抗冲刷性能远不如密实式二灰粒料。因此，在高速公路和一级公路基层中应采用密实式二灰粒料，保证其粒料含量80%。3.2.3提高石灰粉煤灰混合料早期强度的措施石灰粉煤灰混合料的固有缺点是早期强度低，基层铺筑后不能及时开放交通，在一定程度上影响了石灰粉煤灰混合料的应用。因此，对于如何提高石灰粉煤灰混合料的早期强度是很有必要的。掺加化学添加剂采用碱性激发法激活粉煤灰的活性，加速石灰粉煤灰混合料强度的形成，从而提高石灰粉煤灰混合料的早期强度。掺加水泥水泥水化与硬凝反应迅速，能很快地产生水硬性胶结物，因此掺加水泥对提高石灰粉煤灰混合料的早期强度很有帮助，水泥掺入量的范围一般为0.5%1.5%，随着水泥剂量的提高，强度增强效果增大。3.2.3石灰粉煤灰混合料的施工石灰粉煤灰混合料的施工主要分：路拌法施工和中心站集中厂拌法施工。对于高速公路和一级公路应采用中心站集中厂拌法施工。施工需要注意的要点：严格控制混合料的施工配合比及含水量；混合料必须拌和充分、均匀；分层摊铺碾压，混合料应当天拌和、当天摊铺、当天碾压，压实度满足设计要求；保证足够的养生期。3.3CFG桩CFG桩-水泥粉煤灰碎石桩，是由水泥、碎石、石屑和粉煤灰加水拌合而成。CFG桩具有较高的粘结强度，和桩间土一起通过褥垫层形成CFG桩复合地基，能有效地提高地基强度，减少地基的沉降量，作为软弱地基的处理是一种行之有效的方法。3.3.1 CFG桩复合地基的工程特性CFG桩的适用范围CFG桩的长度可从几米到二十多米，既适用于独立基础也适用于条形基础。在公路地基处理中，既可用于构筑物地基的加固处理，又可用于路基地基的加固处理。CFG桩对于软弱地基强度的提高既有挤密作用，又有置换作用，同时CFG桩具有一定的渗透性（其渗透系数一般为10-410-3cm/s）对桩周土体起到排水固结的