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摘要 我国从2 0 世纪6 0 年代初开始将粉煤灰用作道路( 底) 基层材料。其后随着公路建 设步伐的加快和火电厂粉煤灰排放量的增大，近2 0 年来，粉煤灰以二灰土、二灰碎石 以及水泥粉煤灰土( 碎石) 等形式广泛应用于道路建设中，其性能和使用技术已得到同 行的公认。但近l o 年来，我国火电厂的生产工艺和使用的燃煤类型有了较大的变化， 特别是一些大型、特大型火电厂的投产使我国粉煤灰的排放格局发生了较大的变化，高 钙粉煤灰的排放量达到了一定规模，而迄今针对道路使用目的所开展的粉煤灰研究和应 用则几乎全部停留在普通粉煤灰( 低钙粉煤灰) 上。高钙粉煤灰的开发利用在理论上有 很多方式，但无论从用灰量讲，还是从开发费用讲，高钙灰用作筑路材料是最有效的途 径。 鉴于目前理论界对高钙灰认识上的差异，本文首先结合国内外的有关情况从逻辑学 和人们日常思维习惯的角度对高钙灰的含义进行了界定，并通过与普通粉煤灰的对比分 析了高钙粉煤灰的组成特点和理化性质。文中对高钙灰界定指标的选取及标准的确定既 考虑了理论上的严密性，也尊重了目前理论界大多数人对高钙灰的理解。 本文的第三章到第五章以上海吴泾热电厂和华能石洞口二电厂排放的高钙灰为样 品，从处治道路基层底基层用土的角度，对高钙灰稳定土的击实性能、安定性能、抗压 性能、水稳定性进行了试验分析，其中综合考虑了土的种类、灰的种类、外加剂、养生 时间等因素对高钙灰路用性能的影响，总结了高钙灰路用性能的一般规律，并以详实的 试验数据说明了高钙灰所具有的相对于普通粉煤灰的优势，同时也指出其使用中存在的 问题和拟采取的解决措施。 本文的第六章就高钙灰活性激发提出了三种途径：( 1 ) 物理激发；( 2 ) 热消解激发； ( 3 ) 化学激发。在化学激发一部分中以图示的方式，结合有关的化学反应对高钙灰活 性的碱性激发机理进行了深入详尽的阐述。结尾部分对高钙灰用作道路基层、底基层材 料进行了技术经济分析，得出高钙灰用作筑路材料技术可行、经济合理的结论。+ 本文在论述抗压性能时引入了“边际强度”的概念。在论述高钙灰与石灰的配合比 例时，结合了化学反应方程式的数量对应关系。此外文中还对高钙灰土击实曲线的特点 进行了归纳。 关键词：高钙粉煤灰，道路，基层，底基层，材料。 a b s t r a c t f l ya s hw a su s e df o rh i g h w a yb a s e ( s u b - b a s e ) m a t e r i a l sf r o m19 6 0 s i nr e c e n t2 0y e a r s ， f l ya s hw a su s e dw i d e l yi nf o r m so ff l ya s h l i m es o i l ，f l ya s h - 1 m em a c a d a m ，c e m e n t f l ya s h s o i l ( m a c a d a m ) e t c ，w h i c hp e r f o r m a n c ea n dp r a c t i c et e c h n o l o g yh a v eb e e na p p r o v e db y h i g h w a yc o n s t r u c t o r sa n dr e s e a r c h e r s b u tt h ep r o d u c t i o nt e c h n i c sa n df u e lc o a lo fm a n y c o a l f i r e dp o w e rp l a n t si no u rc o u n t r yh a v e b e e nc h a n g e dg r e a t l yi nr e c e n t10y e a r s ； e s p e c i a l l yt h er u no fs o m eb i go rv e r yb i gc o a l f i r e dp o w e rp l a n tm a k e st h ec o m p o s i t i o no ff l y a s hc h a n g e d t h e r eh a v eb e e ng r e a ta m o u n to fh i 曲一c a l c i u mf l ya s h ，b u tt h er e s e a r c ha n d p r a c t i c eo nh i g h c a l c i u mf l ya s ha p p l i c a t i o ni nh i g h w a yc o n s m a c t i o na r em a d el i t t l e a l t h o u g h t h e r ea r em a n yw a y so fu t i l i z a t i o no nh i g h c a l c i u m 嘶a s ht h e o r e t i c a l l y , i ti st h eb e s tt ou s e h i g h - c a l c i u mf l ya s hi nh i g h w a yc o n s t r u c t i o nf r o mp o i n to fa m o u n ta n dc o s t w 确r e g a r dt ot h ed i f f e r e n c ei nt h e o r ya b o u th i g h c a l c i u mf l ya s h ，t h ep a p e ri d e n t i f i e d t h eh i 曲一c a l c i u mf l ya s hf r o mp o i n to fl o g i ca n dn o r m a lt h o u g h tw a y sf i r s t l y s e c o n d l y , t h e c o m p o s i t ea n dp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r ep r o p o s e d ，t h ec h o i c e o fi d e n t i f i c a t i o ni n d e xa n ds t a n d a r dc o m b i n e dt h es t r i c t n e s si nt h e o r yw i t ht h eu n d e r s t a n d i n g o fm o s tr e s e a r c h e r s t h et h i r d ，f o u r t ha n df i f t hc h a p t e r sa n a l y z e dt h ec o m p a c t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，s w e l l i n ga n d s h r i n k a g e ，c o m p r e s s i v ep r o p e r t i e so fh i g h - c a l c i u mf l ya s h ( p r o d u c e di nw u j i n gc o a l f i r e d p o w e rp l a n ta n dt h es e c o n dc o a l f i r e dp o w e rp l a n t ，s h i d o n g k o u ，s h a n g h a i ，c h i n a ) s o i l s ，i n t h ec o u r s eo fa n a l y s i s ，d i f f e r e n th i g h - c a l c i u mf l ya s h ，d i f f e r e n ts o i l s ，d i f f e r e n ta d d i t i v e sa n d c u r ec o n d i t i o nw e r ei n v e s t i g a t e dc o m p a r a t i v e l y i nt h ee n do ft h ec h a p t e r s ，t h ea u t h o r p r e s e n t e dt h eg e n e r a ll a wo fh i 曲一c a l c i u mf l ya s hp e r f o r m a n c e ；t h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo fh i g h c a l c i u mf l ya s hw e r ep r e s e n t e d t h es i x t hc h a p t e rp u tf o r w a r dt h r e ew a y so fh i g h - c a l c i u mf l ya s ha c t i v a t e d ，t h e ya r e ( 1 ) p h y s i c a la c t i v a t e d ，( 2 ) h o ts l a k ea c t i v a t e d ，( 3 ) c h e m i c a la c t i v a t e d t h ea u t h o ra n a l y z e di n d e t a i lt h em e c h a n i s mo fh i 曲- c a l c i u mf l ya s ha l k a l ia c t i v a t e db yt h eh e l po fd i a g r a ma n d t e s t i n gd a t a i nt h es e v e n t hc h a p t e r , t h ea n a l y s i so fh i 。曲c a l c i u mf l ya s hu s e df o rh i g h w a y b a s e ( s u b - b a s e ) m a t e r i a l sw e r ep r e s e n t e dt e c h n i c a l l ya n de c o n o m i c a l l y , a n dt h ec o n c l u s i o no f h i g h c a l c i u mf l ya s hi ss u i t a b l ef o rh i g h w a yb a s e ( s u b b a s e ) m a t e r i a l si sm a d e t h ec o n c e p t m a r g i n a ls t r e n g t h ”w a si n t r o d u c e di nt h ea n a l y s i so fh i g h c a l c i u mf l ya s h s o i l sc o m p r e s s i v ep r o p e r t i e s i nd e t e r m i n a t i o nr a t i oo f h i g h c a l c i u mf l ya s ht ol i m e ，t h ea u t h o r m a d eu s eo ft h ec o r r e s p o n d i n gc h e m i c a lr e a c t i o ne q u a t i o n ，m o r e o v e lt h ep a p e rc o n c l u d e dt h e t y p e so fc u r v e sw i t hr e g a r dt oh i g h c a l c i u mf l ya s hs o i l sc o m p a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s ：h i g h c a l c i u mf l ya s h h i g h w a y b a s e s u b b a s e m a t e r i a l s 申请同济大学博士学位论文【高钙灰路用性能及其活性激发的途径和机理研究】 1 1 问题的提出及背景 第一章前言 近年来，随着一些采用新生产工艺的大型、特大型火电厂的投入使用，我国的粉煤 灰排放格局发生了一定变化，以燃烧褐煤或次烟煤排放的高钙粉煤灰达到了一定的规 模。以上海为例，1 9 9 1 年华能上海石洞v 1 z 电厂第一台6 0 万k w 超临界机组投入运行， 该机组最先在上海采用神木东胜煤，从此上海有高钙粉煤灰的排放。继石洞口二电厂以 后，吴泾热电厂六期，外高桥发电厂相继投入运行，也都采用神木东胜煤。从排灰规模 看，华能石洞口二电厂单机容量最大，排灰量最多，9 5 年为2 3 3 3 万吨，占整个上海高 钙灰排灰总量的5 3 。随着后续机组的投入使用，总体上排灰量逐年增加，1 9 9 6 年为 5 2 9 万吨，1 9 9 8 年增加到7 0 万吨，到2 0 0 0 年上海高钙灰总的排放量已经达到1 5 0 万吨 【l 】。按照每亩土地堆放2 5 0 0 吨粉煤灰的标准，如果这些高钙灰得不到及时的开发利用， 那么即使每年只有1 0 0 万吨闲置，也需要堆场4 0 0 亩，这在土地严重短缺的上海地区， 征用这么多的土地无疑是笔巨大的开支，而且堆放粉煤灰对征用土地本身也是一种浪 费，同时还会造成环境污染。除此之外，我国的云南( 1 9 9 5 年高钙灰的排放量为5 0 - 7 0 万吨；1 9 9 7 年为9 0 万吨左右) 、内蒙古、山东等省近年来高钙灰的排放量也在逐年增加， 所以高钙灰的开发利用既是现实中亟待需要解决的一个问题，同时在理论上也是一个需 要进一步探索的课题。 象普通粉煤灰一样，高钙灰的开发利用在理论上必然也存在很多方式，如应用于水 泥工业；用于混凝土掺合料：用于生产人造轻骨料；用于生产各种高钙灰砖；用于农业； 用作工程回填材料；从高钙粉煤灰中分选空心微珠；从高钙粉煤灰中提取工业原料；利 用高钙粉煤灰作吸附、过滤等功能性材料，此外也可用于道路工程。但无论从用灰量讲， 还是从开发费用讲，高钙粉煤灰用于道路工程都是一个最可取的开发途径。 目前我国对普通粉煤灰在道路中的应用研究比较多，应用技术也相对成熟，但以路 用为目的的高钙灰的开发研究则很少。所以对高钙粉煤灰路用性能的试验研究既有助于 解决高钙灰的堆放问题，同时也为筑路材料提供了一种新的选择。从经济效益的角度讲， 以上海地区为例，根据以往对普通粉煤灰的统计情况，每用一吨灰可节约排放费6 1 0 元，灰场建设费4 8 8 元，排污费1 元 2 1 ，照此计算，如果2 0 0 0 年上海排放的1 5 0 万吨 高钙灰有8 0 得到利用，则意味着该年度创造的间接经济效益可达到1 4 1 6 - - 2 2 8 0 万元， 经济效益非常可观。 从长远看，对高钙粉煤灰的研究有广阔的发展前景。按照1 9 9 7 世界能源统计评论 显示的统计结果，至1 9 9 6 年底，世界煤炭探明的可采储量为1 0 3 1 6 1 x 1 0 4 亿t ，储采比 为2 2 4 年，其中储量最大的7 个国家的煤炭资源组成见表l 一1 。 1 申请同济大学博士学位论文【高钙灰路用性能及其活性激发的途径和机理研窭】 表l l ：1 9 9 6 年世界前七位国家的煤炭储量 m t l 序号 国家 无烟煤和沥青煤 次烟煤和褐煤合计褐煤和次烟煤比重 i 美国 1 0 6 4 9 5 1 3 4 0 6 32 4 0 5 5 8 5 5 7 3 2 中国 6 2 2 0 05 2 3 0 0 1 1 4 5 0 04 5 6 8 3 澳大利亚 4 5 3 4 04 5 6 0 0 9 0 9 4 05 0 1 4 4 印度 6 8 0 4 71 9 0 0 6 9 9 4 72 7 2 5德国2 4 0 0 0 4 3 3 0 06 7 3 0 06 4 3 4 6 南非 5 5 3 3 3 o5 5 3 3 3o o o 7 波兰 2 9 1 0 01 3 0 0 0 4 2 1 0 03 0 8 8 8 全世界合计 5 1 9 3 5 85 1 2 2 5 21 0 3 1 6 1 04 9 6 6 从表1 1 我们可以看到，全世界次烟煤和褐煤储量占煤炭资源总储量的4 9 6 6 ， 成为煤炭资源的半壁江山。而用于发电的褐煤和次烟煤燃烧产生的粉煤灰绝大多数属于 高钙粉煤灰，所以对将占有粉煤灰份额近一半的高钙灰进行开发研究极具发展前景。 1 2 国内外关于高钙粉煤灰的研究和利用情况 高钙粉煤灰属于粉煤灰的一个分支，所以谈到高钙灰的研究情况离不开对普通粉煤 灰研究历史的考察。 1 9 1 4 年6 月1 1 日美国工程新闻首次报告了对“煤灰”研究的成果，并揭示出煤灰 中的氧化物与天然火山灰具有惊人的相似之处。这一发现不禁使人们想到这样一个问题：煤 灰与石灰混合时是否具有水硬性粘结性能? 如果有这一性能，那么以其低廉的价格和广泛的 来源，煤灰必将在房屋建筑和路基修筑等方面大有用武之地。然而当这样的想法真正付诸试 验的时候，却并未出现人们所期待的那种活性。大量的试验得出这样的结论：炉膛内的高温 及骤然的冷却是使这一含硅性材料获得凝硬性或水硬性等性能的必要条件。这一结论对于我 们理解现代电厂在很高温度下燃烧煤粉产生的粉煤灰的诸多不同于早期粉煤灰的性能具有 极为重要的意义。从上述的有关研究成果我们不难推测其中的“煤灰”实际上就是我们现在 意义上的粉煤灰，但作者使用的是“c o a l a s h ”这个词。也就是说。那个时候还没有对炉底 灰和飞灰进行区分。直到2 0 世纪3 0 年代，才出现了“飞灰”( f i y a s h ) 这个词( 这也是汉 语中“粉煤灰”的英译，即指煤粉燃烧后，从烟道中捕捉到的灰尘) ，并对飞灰的性质进行 了研究。 继“飞灰”一词问世后，直到1 9 3 7 年，戴维斯等人发表了关于将飞灰用于混凝土的最 全面、现在来看也是影响最深远的研究成果后，在美国才开始了飞灰混凝土的新纪元。这些 研究成果指出：如果把飞灰与硅酸盐水泥混合用于混凝土时，飞灰就不再是一种废弃物，而 是一种具有很高利用价值的副产物了。戴维斯等人还提出了混凝土中使用飞灰的一些准则。 这些成果后来被得到广泛的证实，并为世界范围内粉煤灰利用的许多规范、标准的制定提供 了依据。粉煤灰首次在实践中用于混凝土是美国建造的亨格利赫斯水坝，其试验数据已在 。_ - _ _ _ i - - _ _ _ i l _ _ _ - i _ 。- _ - - _ - _ _ - _ - _ - _ - _ - - _ _ - - _ _ _ _ - _ 1 。- - _ - _ _ - _ - _ _ - - _ _ - _ _ - i - _ 。1 。一一 2 申请同济大学博士学位论文【高钙灰路用性能及其活性激发的途径和机理研究】 1 9 4 8 年发表。 在此之后，由于将粉煤灰用于混凝土能获得直接的经济效益，冉加上人们环保意识的增 强和节约能源的心理驱动，各国都开始关注并研究粉煤灰在混凝土中的应用。特别是世界范 围内粉煤灰排放量与日俱增带来的处理压力也促使这方面的研究工作不断得到发展。表现在 这一期间粉煤灰研究论文的大量发表、8 0 年代后多次国际会议的召开以及国际上许多关于 粉煤灰标准的颁布h 。 粉煤灰在早期没有被广泛地利用，除了人们对粉煤灰认识上的局限外，也有偏见产生的 消极影响。英国的海德尔认为，实际上水泥和粉煤灰有许多极为相似的地方，首先粉煤灰和 水泥都是将粉磨过的岩石( 只不过前者使用的是煤炭，后者使用的是石灰石或白垩，但这些 都属于矿物的范畴) 在大致相同的温度下( 1 4 0 0 - - - 1 5 0 0 ) 燃烧得到的产物；其次粉煤灰和 水泥的主要成分都是硅、铝、钙和铁的氧化物。只是由于原材料的和生产方法的具体差异使 这两种物质的组成和物理特征有所不同。但就是这样两种很相似的物质，一种被冠以水泥的 名称理所当然地被人们作为商品进行买卖；而另一种则被长期认为是一种灰渣，是一种废弃 物，这种根深蒂固的偏见，一定程度上也阻碍了粉煤灰的开发利用。可以说，如果当时给粉 煤灰起一个更为恰当的名称，比如“人工火山灰”，或许会更早地引起人们对其的重视口1 。 尽管这种看法多少带有唯心主义的观点，但从一个侧面也可以看出，国外对粉煤灰的研究也 是在粉煤灰出现后的相当长一段时间后进行的。 二十世纪5 0 年代后，英、美等国开始对粉煤灰填筑路堤进行了较为系统的研究， 特别是英国为了确定粉煤灰路堤的设计参数和施工方法曾修建了很多试验路。到6 0 年 代中期已取得了令人鼓舞的研究成果并开始将粉煤灰用于干线公路的建设。7 0 年代以 后，美国及一些欧洲国家纷纷仿效，并开始将粉煤灰用于高速公路的建设，而且应用规 模达到前所未有的程度。仅1 9 7 4 年美国在公路工程中就利用了2 0 0 万吨粉煤灰，约占 当年粉煤灰总利用量的1 4 ；英国在1 9 7 0 - 1 9 7 1 年间修建高速公路耗用的粉煤灰超过4 0 0 万吨，之后每年的用灰量也都在2 0 0 万吨左右；法国1 9 6 9 1 9 7 0 年仅a 2 5 和a 7 两条高速 公路的用灰量就有3 0 0 多万吨。广泛的实践使得这些国家的粉煤灰利用技术日趋成熟。 我国利用粉煤灰筑路的历史始于二十世纪6 0 年代初期，当时上海、江苏两地利用 沿江沿海地区电厂多，粉煤灰排放量大的特点，将粉煤灰石灰混合料作为道路建筑材料， 因此从起点上讲，我国与国外起步早的国家相隔并不遥远，但由于受到国家整体经济水 平的制约，我国在六、七十年代公路建设发展缓慢，因此粉煤灰筑路技术也不可能得到 大的发展。八十年代我国开始对粉煤灰筑路的研究和应用已经不局限于南方的个别省 份，范围逐步扩大，先后在辽宁的马鞍山、陕西西安、天津等地修建了试验路，特别是 1 9 8 5 1 9 8 7 年上海市政研究所等单位成功地将粉煤灰用于沪嘉、莘凇高速公路，从而开 创了在高速公路上大宗利用粉煤灰的先例。随着粉煤灰筑路技术的不断成熟，1 9 8 9 - 1 9 9 1 年粉煤灰筑路被列为交通部重点新技术推广项目，由交通部工程管理司负责，交通部科 技情报所等单位组成了粉煤灰筑路技术联合推广小组，先后在云南、浙江、山东、江苏 等省修筑了粉煤灰路堤工程。联合小组做了大量的工作，无论是理论研究还是工程实践 都取得了显著成效，仅调查的全国1 5 个省市这一期间就铺筑粉煤灰基层1 5 0 0 多公里， 用灰2 0 5 万吨叫。近年来，随着我国实行积极的货币财政政策，不断加大公路建设的投 3 申请同济大学博士学位论文【高钙灰路用性能及其活性激发的途径和机理研究】 入，粉煤灰在公路工程中的应用领域不断拓宽，从最初的道路路堤填筑材料、基层、底 基层材料开始延伸到用作振动碾压混凝土路面的掺和料、沥青混凝土路面掺合料以及作 为道路工程灌浆材料等领域。 在粉煤灰筑路的实践过程中，国内外的科研工作者和工程技术人员同时也进行了许 多卓有成效的研究工作。代表性的有： 1 9 7 7 年上海市政工程设计研究所在利用工业废渣修筑道路h 一书中对二灰土路 面在上海的一些实践情况、二灰土混合料的组成及基本性能以及二灰土路面施工应注意 的问题等作了详细的阐述，在系统论述粉煤灰筑路方面，这是我们所看到的比较早的资 料。 1 9 8 0 1 9 8 4 年，西安公路学院的张登良、许永明等老师曾就普通粉煤灰在道路工程 中的应用进行了试验研究，取得了一些初步的研究成果h 1 ，并发表了“加固土原理”、 “粉煤灰应用于道路工程的试验研究”等论文。其中“粉煤灰应用于道路工程的试验研 究”插1 _ 文详细地介绍了粉煤灰路堤以及粉煤灰用作道路加固材料的有关工程性质。内 容包括粉煤灰的压实特性、二灰及二灰土的加固原理、各种加固材料的强度与稳定性的 试验研究、养生条件对加固材料强度的影响以及早强剂对加固材料的早强效应。作者同 时还简要介绍了利用粉煤灰修筑路堤的工程实践。有关二灰、二灰土的强度试验其主要 结论是：( 1 ) 二灰、二灰土的无侧限抗压强度与龄期成正比关系，般的规律是7 d 、1 4 d 龄期内强度增长较快，以后则逐渐变缓，但无论是早期强度还是后期强度，其增长速度 都高于石灰土。所以作者认为二灰或二灰土的加固效果要远比石灰土优越。( 2 ) 在二灰 总量固定的情况下，石灰与粉煤灰之间存在一个最佳的配比，就文中所用材料和试验条 件，从7 d 抗压强度的标准来讲，最佳配比是1 ：4 ；( 3 ) 随混合料中土含量的增大，二 灰土的抗压强度下降，且后期下降的幅度更加显著，这就反过来说明了二灰对土后期强 度的形成起着重要的作用：在二灰与二灰土路用性能的对比方面，作者认为：( 1 ) 二灰 的回弹模量高于二灰土，说明二灰材料的整体性更好：( 2 ) 从劈裂强度与无侧限抗压强 度的比值看，二灰高于二灰土，这说明二灰具有相对较高的抗弯拉能力；( 3 ) 二灰的抗 冻性明显好于二灰土。从作者水稳性的试验数据看，二灰与二灰土基本上相当，由此我 们可以推断，从路用性能的总体看，作者认为二灰优于二灰土，同时又都优于石灰土。 从1 9 8 5 年开始，作为交通部重点科研项目“半刚性基层沥青路面研究”的参加单 位，西安公路学院专门就半刚性基层材料的抗裂性能机理作了系统研究，提出“半刚性 基层材料收缩机理的分析”一文，并对公路上常用的石灰粉煤灰、石灰粉煤灰结集料进 行了比较系统的缩裂性能试验，提出“半刚性基层材料抗裂性能研究 文，并进一步 结合此类材料的力学强度试验结果，建议以抗裂系数为评价方法，以抗裂指数为设计方 法。在材料组成方面，同济大学的“半刚性基层材料组成设计和质量控制”一文作了具 体的建议。此外西安公路学院还对提高石灰粉煤灰稳定土的早期强度进行了试验研究， 提出了几种可供选择的早强剂哺1 。 1 9 8 9 - - - 1 9 9 1 年，交通部将粉煤灰筑路技术作为重点推广项目期间，山西省交通科研 所和天津市政工程研究所对粉煤灰在道路基层中的应用进行了进一步的研究。其中虞文 景等人就石灰、粉煤灰土基层材料进行了室内疲劳试验蜘，探讨了影响疲劳的主要因素， 4 申请同济大学博士学位论文 【高钙灰路用性能及其活性激发的途径和机理研究】 建立了材料的疲劳方程。天津市政工程研究所的王立柱就石灰粉煤灰类混合料基层设计 中如何确定混合料的配合比以及混合料的路用性能进行了研究n ，作者认为此类材料的 配合比设计应遵循“悬浮原则”，并建议将粉煤灰石灰类混合料按强度分为i 、 三个等级，其2 8 天龄期试件的饱水无侧限抗压强度分别为2 、1 5 和1 m p a ，分别适用 于重、中、轻交通量的道路上。此外还提出了石灰粉煤灰类混合料3 个月龄期的回弹模 量设计参数的建议僮。 1 9 9 2 年交通部重庆公路科研所张斌涛在一粉煤灰路堤修筑技术的试验研究”一文“u 中系统地介绍了粉煤灰的路用性能和粉煤灰路堤的设计、施工技术和经验。作者在文中 的“粉煤灰基本路用性能”一节中首次提及高钙粉煤灰，并将普通粉煤灰称为硅铝型粉 煤灰或低钙粉煤灰，但他同时指出，高钙粉煤灰在我国很少见，所以未作进一步的论述。 1 9 9 2 1 9 9 5 年，为了配合“公路柔性路面设计规范”的修订，同济大学的许志鸿等 老师开展了“半刚性基层材料设计参数的研究”n 引，文中介绍了8 种半刚性基层材料的 抗压强度和模量、劈裂强度和模量大量的室内试验结果、室内外试验结果的区别以及设 计参数推荐值的确定，其中包括二灰土基层有关设计参数( 抗压模量和劈裂强度) 的确 定，可以说这是对我国多年来二灰土基层实践的总结和提炼。 1 9 9 7 年山东工业大学和山西交通科研所又对二灰稳定材料的强度进行了分析研究。 山东工业大学的姚占勇等人“3 1 针对二灰稳定黄河冲积粉土初期成型差、强度低、7 d 无侧 限抗压强度几乎为零的问题，使用水泥、工业水玻璃、工业火碱、工业纯碱四种外掺剂 及其组合进行了对比试验，最后认为，在工程实践中宜选用工业纯碱作为外掺剂来提高 二灰稳定黄河冲积粉土的强度，外掺剂量为0 7 5 一1 。文中还对二灰土强度形成机理及 外掺剂对二灰土强度增强的机理进行了探讨。在评价二灰土抗水和抗冻能力时分别使用 了“水稳系数”和“冻稳系数”这两个指标。山西交通科研所的邬瑞光、张德才同年通 过大量的室内试验，分析了二灰土、二灰砂砾的无侧限抗压强度随石灰剂量、养护温度、 龄期的增长规律，并给出了相应的回归方程f l 引。 1 9 9 8 年武汉城建学院的张荣堂和中国地质大学的周北雁就过湿土的三种稳定技术 ( 固化剂、生石灰、二灰 进行了对比，最后认为：用二灰处治后的过湿土强度有了很 大的提高，但对改善施工进度和压实条件效果不太明显，尤其在拌和均匀方面给施工带 来较大麻烦。但这种方案造价较低，因此在有条件及料源充足的条件下，可优先考虑使 用。作者在进行有关试验时使用了江苏望亭电厂的粉煤灰，其中氧化钙含量3 , 2 8 。不 属于高钙灰f 1 5 】。 1 9 9 9 年山东工业大学的刘树堂等人针对道路施工中采用自然养生方式对半刚性基 层材料强度进行评定存在的问题，探讨了半刚性基层材料自然养生强度标准的建立和应 用方法【l6 1 。同年，济宁市公路管理局的王庆成、孙景旭( 1 7 1 ，山西省交通规划勘察设计院 的高根德等人也就粉煤灰在公路工程中的应用迸行了研究( 瑚。 2 0 0 0 年平树江、刘海威、曹志屏在济南绕城高速公路东线工程的建设中，结合现场 实际养生方法，研究了二灰土配合比室内设计程序，论_ i 芷了配合比由室内设计向实际施 工设计的转化以及配合比设计中应采取的一些措施【1 9 1 。 2 0 0 1 年山东省的姚群、赵东江采用正交试验的方法研究了影响= 灰稳定土强度的主 申请同济大学博士学位论文【高钙灰路用性能及其活性激发的途径和机理研究】 要因素，得出影响二灰土强度的主要因素是二灰比和二灰含量数结论f 2 0 1 。西安公路交通 大学的中爱琴、马羁针对邯( 郸) 临( 清) 公路工程中的含砂低液限粉土，采用多种加 固方案，对粉土的力学性能进行了综合分析测试，阐述了粉土的加固机理，其中使用了 用粉煤灰或粉煤灰与其它材料混合加固的方案，但仍限于普通粉煤灰【2 1 】。 国外对粉煤灰用于道路的有关研究比我国开展得要早，从文献检索的情况看，二十 世纪5 0 年代就已有这方面的论述。g e o e c k e r ( 1 9 5 6 ) 曾就石灰、粉煤灰的混合比例作 过研究，作者认为，石灰与粉煤灰的最佳比例因土而异，对不含土的二灰混合料而言， 约为1 ：2 ，二灰土中这个比例约为1 ：9 1 ：1 5 ，对于大多数土质来说，石灰与粉煤 灰的总量至少应占2 5 。m a t e o 和d a v i d s o n ( 1 9 6 2 ) 再次就石灰与粉煤灰的混合比进 行了研究，他们认为，石灰与粉煤灰的混合比为多少以及石灰与粉煤灰在土中的最佳含 量取决于石灰、粉煤灰和土质三方面的因素。此外，w a t t 和t h o m e ( 1 9 6 5 ) 、s h e r w o o d 和r y l e y ( 1 9 6 6 ) 都曾对二灰比例的问题进行了研究。 o g l e s b y 和h i k s ( 1 9 8 2 ) 则对土的类型对二灰土的强度的影响阐述了自己的观点， 他们认为，当选用二灰作稳定剂的时，土的7 5 u r n 筛余应小于1 5 ，且塑性指数小于6 。 m a t e o 和d a v i d s o n ( 1 9 6 2 ) 则认为二灰稳定砂性土要比稳定粉性土和粘土更为合适。 1 9 8 8 年澳大利亚m d l i n 和m g s y m o n s 对不同比例二灰土的性能进行了试验研究， 他们的结论是，二灰总含量为5 、石灰与粉煤灰的配合比为l ：3 时对土的强度增强效 果最明显。因此作者认为，在土中掺加少量的二灰也能获得最大的强度。试验同时表明， 在石灰土中加入粉煤灰比单纯的石灰稳定土强度更高，当石灰含量为4 - 7 时，只要 加入相当于石灰重量3 0 5 0 的粉煤灰，即可使混合土的抗压强度达到最大。就二灰 土强度高于石灰土的这一试验结论来看，澳大利亚与我国研究者的看法是一致的。同年 尼目利亚贝宁大学的b k a a k o t o 发表了“粉煤灰对石灰稳定红土强度的影响 一文， 作者在用尼日利亚当地的低钙粉煤灰进行了有关试验的基础上认为，就其试验用的红土 而言，粉煤灰的最佳含量是2 0 ；如果作为基层材料，则只要在红土中掺加4 5 的石 灰和1 6 的粉煤灰就可以满足要求。 近年来，国外学者和工程技术人员对粉煤灰作优质筑路材料正在进行深入的研究， 主要研究动向是： ( 1 ) 粉煤灰作为筑路材料的质量控制。过去一般认为用于筑路的粉煤灰质量要求 不高，近几年国外不少学者就粉煤灰对道路基层的影响及经济性作了较为深入的研究， 认为质量好的粉煤灰可以少加钙质激发材料，这既可提高道路工程质量，又可节约大量 投资。英国目前正采用优质干粉煤灰作筑路材料，尤其是采用集中厂拌法时优质干粉煤 灰比湿粉煤灰能取得更好的技术经济效果。 ( 2 ) 石灰( 水泥) 一粉煤灰、石灰一粉煤灰一骨料等混合料的水化机理研究，从 理论上进一步探索粉煤灰在道路工程中的作用机理。 ( 3 ) 粉煤灰作道路基层材料的耐久性研究。主要包括抗水性、抗冻性、抗硫酸盐 性、板体性和抗裂性的研究。 ( 4 ) 粉煤灰混凝土路面和粉煤灰沥青混凝土路面耐久性的研究。主要针对如何提 高路面的早期强度及耐磨性。 6 申请同济大学博士学位论文 【高钙灰路用性能及其活性激发的途径和机理研究】 ( 5 ) 高掺量粉煤灰振碾混凝土路面材料的研究。这是国外目前最热门的研究课题， 它可大大地提高施工进度。此法对粉煤灰的质量要求较高，质量控制也较严，一般都应 掺用优质干粉煤灰。 ( 6 ) 粉煤灰作道路灌浆材料的研究。主要是研究粉煤灰作为灌浆材料的材性。一 些学者提出用提高粉煤灰的活性来提高浆体材料的强度和流动度。 有关国外对高钙粉煤灰的研究，我们得到的资料很少，只是从一些相关的文献介绍 可以了解到高钙粉煤灰在美国、加拿大、法国和德国等几个国家已有相当规模的排放量， 他们已积累了一定的使用经验，尤其是美国关于高钙粉煤灰的试验研究开展得相对较早 口2 1 ，而且近年来在这方面的研究有日渐活跃的趋势。 美国在道路稳定材料中使用高钙灰是从1 9 7 5 年开始的，较普通粉煤灰的应用晚2 0 多年。根据美联邦公路局公布的一些资料，我们整理了一部分稳定道路材料中使用高钙 灰的记录( 见表l 叫) 。 表l z ；美国各州稳定道路材料中使用高钙灰的记录 所在州 项目估计 建设时间 项目的类型备注 阿肯色 至少i 项 1 9 8 2 州道试验段采用1 0 0 。, c 类灰 伊利诺斯 大于i 0 0 项 1 9 5 5 - 1 9 8 5 州道和县道f 类和c 类 密西西比 未知 1 9 8 3 州道c 类灰 密苏里 至少l o 项 i 9 7 0 - 1 9 8 8 州道和乡村道路堪萨斯市使用c 类灰 内布拉斯加至少l 项未知州道底基层使用的是c 类灰 北达科他多项1 9 7 1 到8 0 年代中期州道 在1 - 9 4 使用了褐煤灰 俄克拉荷马 至少l 项2 0 世纪8 0 年代早期到中期绢道c 类灰 德克萨斯未知1 9 6 0 - 1 9 9 0 州道和乡村道路c 类灰和f 类灰 怀俄明未知 2 0 世纪8 0 年代早期到中期州道c 类灰 表1 2 中有些州的记录是将普通粉煤灰和高钙灰的使用归纳在一起统计的，如 伊利诺斯和德克萨斯州。对这些记录我们无法进一步了解高钙灰的使用情况。但从旧路 翻修的些记录可以找到高钙灰使用的一些情况，如1 9 8 7 年，密苏里州堪萨斯的三个 县在进行砂砾路的翻修过程中使用了高钙灰。翻修过程中先将旧路表面材料粉碎，然后 将高钙灰分撒到粉碎后的旧路材料中，再用松土拌合机拌和，最后进行压实。这样就形 成一层密实的路面结构层。自这三处道路改建后，后来在堪萨斯和俄克拉荷马州又有 4 4 k i n 的旧路翻修采用了上述方法。 此外从美国学者詹姆斯f 迈耶斯等人的著作( f l ya s h 鹊ac o n s t r u c t i o nm a t e r i a l f o rh i g h w a y s ( 1 9 7 6 ) 2 3 1 中也可以找到一些相关的信息，但该书中没有使用“高钙灰” 或“c 类灰”这样的名称，而是直接从燃烧的煤种上定义为褐煤灰，从其组成上我们可 以推断这种灰就属于本文所要研究的高钙粉煤灰的范畴。作者在书中提到，“单纯用粉 煤：灰稳定土，有望成为一种很有效又很经济的技术，但目前这种技术尚处在发展阶段。 只是使用具有自硬性的粉煤灰稳定土获得了成功。因为这种粉煤灰的游离石灰含量较 7 申请同济 学博学位论文 【女蚂瓤路月性能及其活性擞拉的途径和机理研究l 商，这种游离石灰能有利地理韭某些类型土的特性，再加上选种灰与含硅和矾土的化合 物反应可以产生很有效的胶结作用”。从前后文的联系看作者所指的这种自硬性粉 煤荻包括改性粉煤灰和褐煤灰。这就进一步说明美国在7 0 年代曾经进行了用高钙获单 独稳定土的有关尝试并取得成功。此外作者在本书的第5 苹还叙述了同h 使用高钙灰和 石灰稳定土的一个例子那就是北达科他2 9 号洲际公路在施工过程中，由于担心降雨 过多，会造成a 7 段路基难既使用，在相对短促的施工季节，为了加快施工进度和不 延误下一道工序，把3 的褐煤灰与3 的熟石灰摊铺在路基上用圆盘耙翻拌并用单行 程扑和粉碎机加水拌和，然后将拌和后的混合料“软化至两天，使石灰反应降 低土的塑性指数，最后压实为厚度6 英寸( 1 52 c m ) 的基层这说明美国在处理过湿土 时曾采用高钙灰与石灰综台稳定的技术但在作为路堤或结构回填用途时没有提到褐煤 灰。 近年来美雷对高钙灰的研究也很活跃。如2 0 0 0 年美国威斯康星州运输部针对当地 软基较多的现状组织攻关课题，通过铺设试验段就道路软基处理的9 种方案进行了评价， 其中一种就是用高钙粉煤灰作稳定土材料。而且从试验段的布局看对高钙粉煤灰很重 视。试验段全长14 k m ，分1 2 个部分其中两端和中间为3 个控制部分( 用天然石料填 充) ，其余9 个部分对应9 种不同的软基处理方案( 四种利用工业废渣作稳定材料，五 种用土工台成材料) ，高钙粉煤灰段占3 0 5 米，是试验段中最长的一部分。灰样取自位 于戚斯康星州渡蒂奇市( p o 血球) 的哥伦比亚热电厂。通过室内配比设计，确定高钙灰 的掺加荆量为1 0 ( 以干土重计) ，压实厚度3 0 c m ，最佳含水量2 1 。施工采用路拌法， 并使用了专门的高钙获防尘铺洒设备( 见田1 1 ) 。 圈i - i 国外的高钙耪煤衷防尘铺g 设备 试验段的s s g ( 土壤硬度仪) 和d c p ( 动力锥贯a 仪) 检测表明动力锥贯入指数 d p i 最小的部分是使用高钙灰和土工织物的路段，变动于l 咐嘶1 叫次；最高的是 3 0 5 0 m 州次，对应于铸模砂稳定材料的路段( 见图卜吨) 。硬度( s l j 丘i e 铝) 检测的结 申请同济大学博士学位论文 【高钙灰路用性能及其活性激发的途径和机理研究】 果是高钙灰部分的硬度明显高于其它试验段，为1 0 7 1 8 m n m ，也高于三个控制段 ( 9 1 2 i v l n m ) ；铸模砂和土工织物对应的路段处于中等( 为6 - - , 9 m n m ) ，其余试验段变 动于2 5 m n m ( 低于控制段，见图1 3 ) 。从d p i 代表的强度和s s g 代表的硬度两项 指标看，高钙灰稳定土的路用性能是很理想的。 此外为了考虑季节变化对材料硬度的影响，威斯康星州运输部的攻关组还跟踪对试 验段进行了f w d 检测，其选择的时间是2 0 0 0 年1 0 月2 3 日( 竣工) 、2 0 0 1 年5 月1 6 日( 经历了第一个冻融循环后的春季) 和2 0 0 1 年1 0 月1 2 日( 竣工一年) 。三次检测的 数据分别为o 9 2 0 9 9 m m ：o 9 3 0 9 8 m m ：0 6 3 0 8 6 r a m ，以上均低于2 r n m 的设计标准。 其中第一次检测弯沉最大的试验段是铸模砂、高钙灰和土工织物。其后的两次检测高钙 灰试验段的弯沉处于中等水平，对季节影响最敏感的是铸模砂对应的试验段。 题 童 g v 夏 凸 图l 2 ：试验段的d p i 检测结果及比较 图l 3 ：试验段的s s g 检测结果及比较 1 ，5 ，1 2 控制段；2 铁矿渣：3 铸模砂；4 炉底灰；6 一高钙次；7 工格室； 8 一无纺土工布：9 一有纺土工布：1 0 - - 土工复合材料；l l 一工格栅 威斯康星州运输部的上述研究还被作为2 0 0 2 年在土耳其举行的“国际土木工程会 议”的交流材料。 此外通过互联网我们还查阅到国外关于高钙粉煤灰和水泥综合稳定土的研究资料， 有关配比及试验结果见表l q 。 9 申请同济大学博士学位论文【高钙灰路用性能及其活性激发的途径和机理研究】 表1 3 ：水泥稳定主及水泥高钙灰综合稳定士的试验结果比较 配合比无侧限抗压强度u c s ( m p a ) 线膨胀量( ) 土水泥高钙灰 7 d2 8 d 9 55 1 51 91 5 9 l91 8 2 2 3 5 9 14 54 52 ，0 2 60 5 从表1 叫的试验数据看，用高钙灰等量或超量取代水泥稳定土中的水泥? 不仅 使土的抗压强度明显提高，而且抗膨胀的性能也有明显改善。 就国外对高钙灰使