粉煤灰對電石渣穩定黃土的性能改善分析

栗培龍，畢嘉宇，裴 儀，朱德健

(1.長安大學，陜西 西安 710064； 2.長安大學 道路結構與材料交通行業重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引言

電石渣用于穩定細粒土取得了較好的成效，但對于特殊土的改良仍有提升的空間。電石渣與蔗渣灰、稻殼灰、生物質灰、粉煤灰等火山灰材料混合時會發生一系列的物理化學反應[10-12]，包括更強地陽離子交換、火山灰反應等，通過更充分的水硬膠結作用[13]形成類似于水泥的膠凝材料，可以進一步改善電石渣穩定土的性能。其中，粉煤灰作為燃煤產生的工業廢渣，產量巨大，利用率低，環境污染嚴重[14-15]，粉煤灰與電石渣綜合利用對環境保護的前景廣大，其中的研究也在不斷有著新的進展。韓巍等[16]測試了電石渣和電石渣-粉煤灰-礦渣穩定土強度變化，發現粉煤灰對于電石渣穩定土強度的增強效果顯著。郝士華等[17]發現研磨后的粉煤灰能夠提高粉煤灰-電石渣混合物的無側限抗壓強度。DARIKANDEH等[18]用不同比例的電石渣粉煤灰穩定高膨脹黏性土，發現最佳電石渣粉煤灰用量為20∶80。王亮等[19]以電石渣、粉煤灰和堿激發劑為原料用正交試驗法測試各因素對固化鹽漬土抗壓強度的影響，得到的影響順序為：堿激發劑>膠凝材料摻量>電石渣粉煤灰比例。PHUMMIPHAN等[20]利用粉煤灰和電石渣開發黏合劑穩定紅土作為道路基層，發現提供最大90 d強度的電石渣摻量為20%。紅土中的電石渣摻量最好不超過30%。PHETCHUAY等[21]研究了NaOH濃度、含水量、粉煤灰含量、電石渣含量、溫度和固化時間對穩定軟粉土強度發展的影響。

綜上所述，已有學者對電石渣穩定土的強度、固化時間和最優摻量等開展了較為深入的研究，有關粉煤灰-電石渣復合穩定土不同比例、堿激發劑、含水量、固化時間等對強度方面的影響也有所涉及，但在耐久性和干濕、凍融循環后的強度特性等方面仍需進一步探討。本文針對不同配比組成電石渣穩定土(CS)和電石渣-粉煤灰穩定土(CFAS)試件，從試件強度、干濕循環和凍融循環特性出發，研究了CS試件和CFAS試件性能的差異，分析粉煤灰的摻入對于電石渣穩定土強度和耐久性的影響，以期為電石渣穩定土的推廣應用提供參考。

1 試驗材料和試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所采用的土樣為陜北神木地區粉黏性黃土，所取土樣含水率較低且無明顯腐殖質和碎石雜質，試驗前對土樣進行人工破碎處理并過2.36 mm方孔篩，其主要物理指標如下：液限為30.1%，塑限為17.8%，塑性指數為12.3%。比重為2.67，最大干密度為1.915 g/cm3，最佳含水率為11.5%。試驗用電石渣來源于北元化工集團生產線，其主要物化指標如下：CaO為64.93%，MgO為0.18%，Fe2O3為0.72%，AL2O3為1.40%，SiO2為3.97%，燒失量22.79%；總和為93.99%。試驗用電石渣材料均過0.075 mm方孔篩，其比重為2.18。試驗采用北元化工電廠生產的粉煤灰，主要成分如下：二氧化硅50%，氧化鋁22%，氧化鐵3%，氧化鈣+氧化鎂10.1%，三氧化硫4%，燒失量9.4%。

1.2 試驗方案

考慮到不同電石渣摻量、電石渣粉煤灰(結合料間)比例、膠土比(結合料與被穩定材料間)對穩定土的性能改善[18，19，21]和《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中石灰粉煤灰穩定材料推薦比例，設計了6組試驗如下：3組電石渣摻量分別為9%、11%、13%，記作CS-1、CS-2、CS-3；另外3組分別為電石渣和粉煤灰比例為1∶1，膠土比為20%；電石渣和粉煤灰比例為1∶3，膠土比為20%；電石渣和粉煤灰比例為1∶3，膠土比為30%，記作CFAS-1、CFAS-2、CFAS-3。

試驗依據《公路工程無機結合料試驗規程》(JTG E51-2009)開展，首先選取代表性土樣烘干、碾碎、過2.36 mm篩并除去雜質，根據擊實參數精確稱取試件制備所用材料用量，然后將各材料混合攪拌均勻，采用靜壓成型方法制備50 mm×50 mm圓柱體小試件，脫模后將其置于標準養生箱中[溫度：(20±2)℃、相對濕度：≥95%]養生，待到相應養生齡期下取出并開展相應試驗。

1.2.1強度試驗

依據《公路工程無機結合料試驗規程》(JTG E51-2009)要求，無側限抗壓強度和劈裂強度試驗在UTM-5000微機電子控制萬能試驗機上進行。在預定養生齡期結束前1 d，將待試驗試件從養生環境箱中取出，觀察試件表面是否存在缺損，若試件存在明顯損壞，試件應該作廢。對完好試件進行稱重量高后，將其置于(20±2)℃水中浸泡24 h，浸泡過程保證水面高于試件頂面2.5 cm。試驗開始前取出試件，并用軟布輕擦試件表面可見自由水，稱重量高后，立即開展試驗。

1.2.2凍融試驗

本試驗主要研究28 d標準養生后CS和CFAS試件經過5次凍融循環無側限抗壓強度的變化。試驗開始先將浸泡24 h后試件從水中取出，使用潤濕毛巾輕拭擦干待試驗試件表面水并稱初始質量，然后放入-18 ℃冷凍箱中，使之凍結16 h，凍結后將試件取出放入20 ℃的水中浸泡8 h并稱重，這樣完成了一個凍融循環。當質量損失大于5%時停止試驗，凍融循環抗凍性指標分別如式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中：BDR為經n次凍融循環后試件的抗壓強度損失，%；RDC為經n次凍融循環后試件的抗壓強度，MPa；Rc為對比試件無側限抗壓強度，MPa；Wn為經n次凍融循環后的試件質量變化率，%；m0為經凍融循環前試件的質量，g；mn為經n次凍融循環后試件的質量，g。

1.2.3干濕循環試驗

參照文獻[22]的方法進行一些改進。首先將浸泡24 h后的待試驗試件從水中取出，輕擦拭表面水分并稱初始質量，然后將試件置于20 ℃左右室內自然風干12 h并稱取質量，將風干后試件置于20 ℃水中浸泡12 h，如此完成一次干濕循環。完成到試驗循環次數(1、3、5)后進行無側限抗壓強度試驗，當質量損失超過5%時停止試驗。干濕循環軟化系數、強度損失率和吸水量分別由式(3)、式(4)和式(5)計算。

(3)

式中：SHn為經n次干濕循環后試件的軟化系數；RGnc為經n次干濕循環后試件的抗壓強度，MPa；Rc為對比試件無側限抗壓強度，MPa。

(4)

式中：Gn為經n次干濕循環后試件的抗壓強度損失，%。

Δωn=mn-m0

(5)

式中：Δω為經n次干濕循環后試件的吸水量，g；mn為經n次干濕循環后試件的質量，g；m0為干濕循環開始前試件的質量，g。

2 試驗結果分析

2.1 強度試驗結果分析

對比研究了不同養生齡期條件下(7、14、28、60、90、180 d)CS和CFAS試件無側限抗壓強度和劈裂強度試驗結果的差異，試驗結果如圖1和圖2所示。

圖1 不同養生齡期CS和CFAS試件無側限抗壓強度

圖2 不同養生齡期CS和CFAS試件劈裂強度

從圖1和圖2可知，隨著試件養生齡期的增加，CS和CFAS試件無側限抗壓強度和劈裂強度均增大，同一養生齡期下，CFAS試件無側限抗壓強度和劈裂強度均高于CS試件，同時換算可得CFAS各試件電石渣摻量分別為10%、5%、7.5%，幾乎全部小于CS試件電石渣摻量，這更說明粉煤灰的摻入顯著提升了電石渣穩定土無側限抗壓強度和劈裂強度，同時隨著齡期的增長強度持續增長。分析原因主要是粉煤灰中SiO2和Al2O3的含量較高，引起的火山灰反應相較于電石渣穩定土內部強烈，使得電石渣活性潛能充分發揮，反應生成的C-S-H凝膠有效地改善了電石渣-粉煤灰穩定土內部空隙分布，使得土顆粒連接更加穩固?；鹕交曳磻脑鰪姾统志眯岣吡穗娛€定土強度。需要注意的是，此配比條件下的電石渣-粉煤灰穩定土強度滿足《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中對于石灰-粉煤灰穩定土用于道路基層、底基層填筑的要求。

對CFAS試件而言，相同齡期條件下，同樣的膠土比，CFAS-2 試件相較CFAS-1試件，強度隨粉煤灰的摻量提高而增長；同樣的渣粉比，CFAS-3 試件相較CFAS-2試件，強度隨膠土比增加而下降。說明對穩定土的加固作用，不光取決于粉煤灰摻入的比例，也與膠土比密切相關。膠土比的變化改變了混合料間顆粒分布狀態，選取合適的膠土比能夠有效減少混合料間空隙而不致膠結料出現結團現象，從本次試驗來看，20%的膠土比相對30%的膠土比來說對強度形成更有利。進一步分析可知，CFAS和CS試件在初期養生齡期(7 d，14 d，28 d)條件下，試件的強度構成仍然以電石渣與土顆粒間的離子交換絮凝和碳化結晶作用為主，粉煤灰的加入提高了反應初始活化能，但是火山灰作用尚不明顯，所以同樣類型的試件隨摻量變化差別不大，渣粉比的變化對于CFAS試件初期強度的影響效果相對不明顯，后期隨著火山灰反應充分進行，到28 d養生齡期之后，同類型試件強度隨摻量變化開始出現較大差別。

2.2 凍融循環試驗結果分析

為了探討粉煤灰摻入對電石渣穩定土凍融循環的影響，分別測定CS和CFAS試件在1、3、5次凍融循環作用下的無側限抗壓強度和質量變化，試驗結果如圖3所示。

圖3 CS和CFAS試件凍融循環作用下的殘留強度比和質量變化率

從圖3可知，28 d養生后CS和CFAS試件經過1次、3次和5次凍融循環后，其凍融質量損失在5%之內，但是CS試件在第5次凍融后質量損失接近標準試驗中凍融循環停止的條件。隨著凍融循環次數的增加，CS和CFAS試件凍融殘留強度比BDR均呈現下降趨勢，但降幅在緩慢減小。試件質量變化率呈現上升趨勢。其中CS試件在相同凍融循環條件下殘留強度比低于CFAS試件，凍融質量損失高于CFAS試件。

在經歷凍融循環作用后，試件的無側限抗壓強度發生下降，這是因為試驗土質為陜北黃土質，其工程粘聚性較弱，當飽水試件處于-18 ℃條件下，試件內空隙水分迅速結冰而產生體積膨脹應力，從而試件土顆粒被迫發生錯動并在薄弱處出現微裂紋，破壞穩定土內部結構[23-24]，此時將試件置于20 ℃溫水中，試件內部空隙處冰晶融化，更多的水分填充空隙和微裂紋內，如此反復循環，試件處于類疲勞狀態，微裂紋在膨脹應力作用下不斷擴張，最終試件在薄弱區出現破損和剝落，進而導致其強度出現下降。但隨著凍融循環次數的增加，較多的微裂紋形成錯通，為試件內水分的結晶提供了足夠的擴展空間，弱化了隨后的單次凍融循環對于試件強度的衰減效果，使得孔隙分布發生改變，微孔隙逐漸變為中孔隙，孔隙大小與孔隙密度都有所增大[25-26]，則導致圖3中顯示的殘留強度不斷衰減和質量損失率的不斷增大。

對比圖4，可以看出CS試件在經過5次凍融循環后，其試件整體存在輕微破損和剝落，試件表面和兩端均密布微裂紋和較小裂縫；而經5次凍融循環后的CFAS試件，除頂面邊角薄弱區有些許土料剝落外，試件整體上相對于CS試件完整性較好，這主要是由于CFAS試件經過28 d標準養生后，其試件外側面已經完全被碳酸鈣外殼包裹，粉煤灰的摻入大大增強了電石渣穩定土內部的火山灰反應進程，生成的C-S-H晶體有效填充試件內部部分空隙[27]。因此，當試件處于浸水環境時，試件內部空隙吸水量較少，如此試件處于冰凍狀態時，由于水分結晶產生的膨脹應力相對于CS試件較小，試件內部空隙擴張量亦較小，經過如此反復凍融循環作用，CFAS試件強度雖會出現衰減，但衰減率低于CS試件凍融循環衰減率。

(a)CS試件

2.3 干濕循環試驗結果分析

為了探究粉煤灰的摻入對電石渣穩定土干濕循環的影響，分別測定CS和CFAS試件在1、3、5次干濕循環作用下的無側限抗壓強度和吸水量，試驗結果如圖5、圖6所示。

圖5 不同干濕循環次數下CS和CFAS試件軟化系數

圖6 不同干濕循環次數下CS和CFAS試件強度損失率和吸水量

綜合圖5、圖6可知，試驗試件軟化系數均大于1，強度損失率指標為負值且隨干濕隨循環次數增加而逐漸減小，說明28 d養生齡期下的CS和CFAS試件在經歷1、3、5次干濕循環后強度增長并未受到阻礙，CS和CFAS試件在干濕循環作用下強度衰減量低于強度隨齡期增加量。分析圖6中試件吸水量曲線，發現隨著干濕循環次數的增加，試件吸水量逐漸趨于平穩。對比CS試件和CFAS試件來看，隨干濕循環次數的增加，CFAS試件的強度損失率和吸水量都明顯小于CS試件，說明粉煤灰的摻入對于電石渣穩定土干濕循環性能有較好的提升效果。

試件進行干濕循環時，穩定土內部土顆粒會產生干縮與濕脹變形，當縮脹應力超過混合料顆粒間連接結構強度時，穩定土顆粒薄弱連接處便會產生應力集中，進而在試件內部形成微觀裂紋和連通空隙，宏觀上表現為試件吸水量增加，強度和強度增長速率衰減。同時隨著循環次數的增加，土中孔隙分布情況發生變化，大孔隙減少，小孔隙增多，但是土體的平均孔隙直徑減小，面孔隙度呈減小趨勢，顆粒的定向性逐漸消失，顆粒排列趨于平衡[26]，內部擴充空隙足以緩沖縮脹應力引起的變形，同時隨著時間的延長，混合料結構強度不斷提升，干濕循環對于試件造成的影響逐漸減弱，吸水量逐漸趨于平穩。CFAS試件經受干濕循環時，主要是粉煤灰的摻入加快了混合料強度形成進程，反應生成C-S-H凝膠有效填充顆?？障?，導致CFAS試件在經歷干濕循環過程中吸水量較CS試件低，試件經受的環境變化應力相對減小，同時，火山灰反應生成的鈣礬石(Aft)和電石渣粉煤灰協同反應促進的碳酸鈣晶體[29]有效聯結各顆粒部分，使得CFAS在抵抗干濕循環的能力較CS試件優異。

同時發現干濕循環下吸水量的變化趨勢與凍融循環質量變化率變化趨勢方向相反，CFAS-1、CFAS-3、CFAS-2凍融循環質量損失逐漸增大，而干濕循環吸水量逐漸減小，CS-1、CS-2、CS-3大致上也符合類似規律。這可能是因為由于干濕循環吸水量和凍融循環質量損失都與土體的孔隙大小與其分布密切相關，尤其是大中孔隙的分布，大中孔隙越大，則吸水量越大，而大中孔隙一定程度上可以容納冰晶的冰結融化空間，有效減緩凍融循環損失，故而凍融質量損失小。

3 結論

本文從試件強度、凍融循環和干濕循環試驗出發，研究粉煤灰的摻入對于電石渣穩定土的影響，得出以下結論：

a.同一齡期條件下，CFAS試件強度明顯高于CS試件，粉煤灰的摻入可以有效提升電石渣穩定土強度。

b.對穩定土的加固作用，不僅取決于粉煤灰與電石渣的比例，也與總的膠土比有一定關系，本次試驗最優膠土比為20%，本試驗電石渣-粉煤灰穩定土強度滿足《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)中對于石灰-粉煤灰穩定土用于道路基層、底基層填筑的要求。

c.隨著凍融循環次數的增加，CS和CFAS試件凍融殘留強度比BDR均呈現下降趨勢，相較CS試件，在相同凍融循環條件下CFAS試件殘留強度比高，凍融質量損失低。說明粉煤灰的摻入有效提升了電石渣穩定土抵抗凍融循環的能力。

d.在相同養生條件下，短時間改變干濕條件不會阻礙CS和CFAS試件強度的增長，粉煤灰的摻入有效降低了電石渣穩定土干濕循環過程中的吸水率，CFAS試件抵抗干濕循環的能力高于CS試件。

e.試件吸水量的變化趨勢與凍融循環質量變化率變化趨勢方向相反，這是由于兩者土體中孔隙大小和分布存在差異，尤其是大中孔隙的分布，大中孔隙越多，則吸水量越大，而大中孔隙一定程度上可以容納冰晶的冰結融化空間，有效減緩凍融循環損失，故凍融質量損失減小。