不同摻量的粉煤灰對水泥土力學性能的影響

任素琴

摘要：為了研究粉煤灰摻量對水泥土強度的影響，對4組不同摻量的粉煤灰進行了無側限抗壓強度試驗，并在水泥摻量和粉煤灰摻量均為9%的試樣中摻入不同粒徑的天然鵝卵石和破碎花崗巖，分析摻粉煤灰水泥土與礫石的聯合作用。結果表明：隨著粉煤灰摻量增大，無側限抗壓強度增大；當粉煤灰摻量高于水泥摻量，強度增長不明顯；摻礫試樣抗壓強度大于未摻礫試樣強度，且摻入天然鵝卵石試樣比摻人工破碎灰巖強度低。

關鍵詞：水泥土；粉煤灰；礫石；摻量

中圖分類號：U414.1文獻標志碼：B

Abstract： In order to study the effect of fly ash content on the strength of cemented soil， the unconfined compressive strength tests were carried out on four sets of fly ash with different contents. The pebbles and crushed granite with different grain sizes were added to the samples that contain 9% of cement and 9% of fly ash to analyze the combined effect of cemented soil mixed with fly ash and gravel. The results show that with the increase of fly ash content， unconfined compressive strength increases； when the amount of fly ash is higher than the cement， the strength growth is not obvious； the compressive strength of gravel sample is greater than that of unbonded sample， and the strength of sample mixed with pebbles is lower than that with artificially crushed limestone.

Key words： cement soil； fly ash； gravel； content

0引言

粉煤灰在各項工程中被再利用，不但降低了工程造價，還對節約土地和環境保護也非常有意義。水泥土作為填方路基材料的一種，在摻入適當比例的粉煤灰后，不僅能夠增加土體的強度，而且對路基的穩定性也有一定的提高[1]。黃麗娟、邵俐等研究了粉煤灰摻量對水泥土強度的影響，認為粉煤灰活性的發揮受水泥和粉煤灰的摻入量以及齡期的影響；裴向軍等研究了活化粉煤灰對高礦化度水泥土膨脹抑制作用，結果表明活化粉煤灰能有效抑制水泥土的膨脹破壞；臺佳佳等通過室內試驗認為在水泥土中摻入粉煤灰不僅能提高水泥土的強度而且對其耐蝕性也有積極的影響[25]。

目前，國內對摻粉煤灰水泥土研究較全面，但綜合考慮水泥摻量與粉煤灰摻量的系統研究，礫石對摻粉煤灰水泥土的影響的研究卻較少。本文進行了不同養護時間內，對不同水泥摻量的粉煤灰水泥土進行無側限抗壓強度試驗，分析水泥摻量、粉煤灰摻量和齡期對其強度特性的影響。此外，在水泥摻量和粉煤灰摻量均為9%的試樣中摻入質量分數為40%的不同粒徑的天然鵝卵石和人工破碎花崗巖，研究礫石對摻粉煤灰水泥土的影響作用。

1試驗

1.1試驗材料

不同摻量下的粉煤灰水泥土是由黏土、水泥、粉煤灰、礫石和水以不同的比例混合而成。黏土由高嶺石、蒙脫石和伊利石等礦物組成，比重為2.75，液限為47.4%，塑限為24.1%。水泥為普通硅酸鹽水泥，約占總質量的10%～15%，強度等級為32.5，細度（80 μm）78%，初凝時間為320 min。粉煤灰主要礦物成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO，質量百分比分別為641%、5745%、2128%、1350%、136%，密度ρ為2.11 g·cm-3，摻水比分例為108%，燒失量為2.19%，鵝卵石和花崗巖比重分別為2.62%和2.67%。試驗用水均采用實驗室自來水。

1.2試驗步驟

在室外取一定量的天然土烘干、碾碎，并摻入水泥含量分別為6%、9%、12%和15%的4組試樣，再在上述4組混合料中分別摻入6%、9%、12%和15%的粉煤灰，水灰比為085。試樣用砂漿攪拌機拌和均勻后，注入模具內。模具尺寸為Φ110 mm×225 mm，搗實后覆蓋，24 h后脫模；脫模后在標準養護條件下養護7、28、90 d。此外，為研究摻粉煤灰與礫石的聯合作用對水泥土的影響，在水泥和粉煤灰摻量均為9%的試件中摻入質量分數為40%的天然鵝卵石和人工破碎花崗巖。其中天然鵝卵石的粒徑為5～10 mm，人工破碎花崗巖粒徑分為3種2～5 mm、5～10 mm和10～20 mm。對摻入礫粒徑為5～10 mm的試樣組在標準養護條件下養護7、28、90 d，其余2組摻礫試樣養護28 d，具體試驗方案如表1所示。試樣養護達到規定齡期后，采用應變式無側限壓縮儀進行無側限抗壓強度試驗，剪切速率為132 mm·min-1。本次試驗采用6%作為水泥起始摻量，主要是由于水泥摻量低于5%時，難以形成水泥石骨架，水泥水化物與土顆粒離子交換反應也難以充分進行。

2試驗結果與分析

2.1粉煤灰對水泥土強度變化規律的影響

為了研究不同粉煤灰摻量對水泥土無側限抗壓強度的影響，對摻量不同的4種水泥土分別摻入質量分數為6%、9%、12%和15%粉煤灰，進行無側限抗壓強度試驗，取峰值強度為其無側限抗壓強度，結果如圖1所示。由圖1可知，粉煤灰的摻入量對7 d和28 d齡期的試樣無側限抗壓強度影響不大，試樣強度主要受水泥的摻入量影響。隨著水泥摻量的增大，試樣抗壓強度增大；90 d齡期時，粉煤灰的摻量對水泥土無側限抗壓強度影響明顯，試樣強度受水泥摻量與粉煤灰摻量共同影響；當粉煤灰摻量小于水泥摻量時，相同水泥摻量試樣隨粉煤灰摻量的增多強度增大，且近似呈線性增長；當粉煤灰摻量大于水泥摻量時，隨粉煤灰摻量的增多，試樣強度增大不明顯，近似保持不變[610]。摻入粉煤灰的水泥土后期強度明顯增長的原因有：部分消耗于與土中酸中和的水泥，被粉煤灰中的SiO2和Al2O3與Ca（OH）2反應所生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣部分補償；粉煤灰中大量存在的CaO，能激化水泥與酸溶液接觸后形成吸附層，提高了水泥水化的進程[1115]。同時，粉煤灰對水泥熟料具有分散作用，減少有機質對水泥水化的阻礙[1618]。

2.2齡期對摻入粉煤灰水泥土的影響

為分析齡期對摻入粉煤灰的水泥土的影響，以粉煤灰摻量為9%的試樣為例，繪制不同水泥摻量的試樣無側限抗壓強度與齡期關系曲線如圖2所示。由圖2可知，在試驗齡期內，隨齡期的增長，試樣抗壓強度增大，且前期增長迅速，后期增長相對緩慢；隨水泥摻量的增加，摻入粉煤灰水泥土抗壓強度與齡期關系曲線斜率越大，即隨齡期的增長，試樣抗壓強度增大越迅速。

2.3摻入礫石試樣試驗結果及分析

為研究摻粉煤灰水泥土與礫石的聯合作用，探討母巖性質與摻礫粒徑對摻粉煤灰水泥土試樣抗壓強度的影響，分別在水泥摻量和粉煤灰摻量均為9%的試樣中摻入質量分數為40%的天然鵝卵石和人工破碎的花崗巖。鵝卵石粒徑為5～10 mm，人工破碎花崗巖粒徑分為3種，分別為2～5 mm、5～10 mm和10～20 mm。試驗結果如圖3、4所示。圖3為摻入鵝卵石和摻入人工破碎花崗巖試樣抗壓強度隨齡期變化的對比關系曲線，其中摻礫粒徑均為5～10 mm；圖4為摻入礫石粒徑不同的3種花崗巖試樣的抗壓強度與摻礫粒徑的關系曲線。

由圖3可知，由于礫石的骨架作用，與未摻礫石試樣相比，摻礫試樣抗壓強度增大，且與齡期有關。在齡期為7 d時，試樣抗壓強度增大，但不明顯；在齡期為28、90 d時，摻入礫試樣抗壓強度明顯高于未摻礫試樣。摻礫試樣強度與摻礫母巖性質有關，摻人工破碎花崗巖試樣抗壓強度高于摻鵝卵石試樣，這主要是由于人工破碎的花崗巖棱角具有齒合作用，且巖石表面粗糙與水泥土黏結力更強[1920]。

由圖4可知，隨摻礫粒徑增大，摻礫試樣無側限抗壓強度先增大后減小。這主要是由于：摻礫粒徑為2～5 mm，且摻量相同時，礫石表面積大，試驗摻灰量較少，可能存在礫石表面未完全被膠凝材料完全包裹，故而抗壓強度較低。礫石與摻粉煤灰水泥土之間結合力主要為范德華力。在礫石摻粉煤灰水泥土之間存在界面過渡區（ITZ），存在大量微小裂縫，并隨摻礫粒徑增大，微小裂縫越多。而試樣水化過程中，礫石表面可能會形成水膜，粒徑越大，水膜越厚，容易在礫石底部形成明顯的薄弱區。由于試驗儀器限制，考慮到尺寸效應的影響，本次試驗中礫石最大粒徑為20 mm，摻礫試樣也僅有3組，未能進行摻礫粒徑對摻粉煤灰水泥土強度特性影響規律的研究。今后可考慮摻入更大粒徑礫石，以探討摻礫粒徑對摻粉煤灰水泥土強度特性的影響。

3結語

本文研究了在水泥摻量分別為6%、9%、12%和15%的條件下摻入質量分數分別為6%、9%、12%和15%的粉煤灰，并對其無側限抗壓強度的影響進行分析研究。此外，在水泥摻量和粉煤灰摻量均為9%的試樣中分別摻入不同粒徑的鵝卵石和人工破碎花崗巖，研究了摻粉煤灰水泥土與礫石的聯合作用，主要結論如下。

（1）齡期為7 d和28 d時，粉煤灰摻量對試樣無側限抗壓強度影響不大，試樣強度主要受水泥摻量的影響，隨著水泥摻量的增大，試樣抗壓強度增大。

（2）在90 d齡期時，試樣抗壓強度受粉煤灰摻量與水泥摻量共同影響。對同樣水泥摻量試樣比較，隨粉煤灰摻量增大，試樣抗壓強度呈增大趨勢；且粉煤灰摻量小于水泥摻量時，增大明顯；而粉煤灰摻量大于水泥摻量時抗壓強度增長緩慢。

（3）摻入礫石能明顯提高摻粉煤灰水泥土的抗壓強度，且與摻入礫石的母巖性質有關，摻入人工破碎的花崗巖試樣抗壓強度高于摻入鵝卵石試樣。

（4）摻礫試樣抗壓強度與摻礫粒徑大小有關。隨摻礫粒徑增大，試樣抗壓強度先增大后減小。受限于試驗儀器尺寸，本次試驗摻礫最大粒徑為20 mm，摻礫粒徑大小對摻粉煤灰水泥土的抗壓強度的影響規律并不明顯，有待進一步補充。

參考文獻：

[1]崔永成.高摻粉煤灰水泥土力學特性實驗研究[D].銀川：寧夏大學，2013.

[2]黃麗娟.粉煤灰對水泥土抗壓強度影響的正交試驗研究[J].河南理工大學學報：自然科學版，2009，28（3）：352356.

[3]邵俐，劉松玉，杜廣印，等.水泥粉煤灰加固有機質土的試驗研究[J].工程地質學報，2008，16（3）：408414.

[4]裴向軍，黃潤秋，靖向黨.活化粉煤灰抑制高礦化度水泥土膨脹的研究[J].巖土力學，2005，26（3）：370374.

[5]臺佳佳，何昌榮，張勝利，等.水泥土室內試驗研究[J].水電站設計，2005，21（2）：7274.

[6]陳峰，賴錦華.粉煤灰水泥土變形特性實驗研究[J].工程地質學報，2016，24（1）：96101.

[7]汪文莉.深層水泥土攪拌樁加固粉煤灰路基的技術研究[D].西安：長安大學，2004.

[8]王靜芳.水泥土強度的試驗研究[J].黑龍江交通科技，2011（9）：136137.

[9]裴向軍，黃潤秋， 靖向黨.活化粉煤灰抑制高礦化度水泥土膨脹的研究[J].巖土力學，2005，26（3）：370374.

[10]張偉鋒，黃潤秋，裴向軍，等.水泥土環境中粉煤灰水化與活性激發研究[J].長春工程學院學報：自然科學版，2007，8（1）：4245.

[11]肖武權，冷伍明，律文田.深層攪拌法加固軟弱土層的室內實驗研究[J].中南大學學報：自然科學版，2004，35（3）：490494.

[12]崔永成，崔自治，周健，等.銀川地區粉煤灰水泥土的力學特性試驗研究[J].工業建筑，2012，42（7）：105109.

[13]惠會清，胡同康，王新東.石灰、粉煤灰改良膨脹土性質機理[J].長安大學學報：自然科學版，2006，26（2）：3437.

[14]李德恩，陳大華，朱本龍，等.摻加優質粉煤灰提高滑模施工質量[J].筑路機械與施工機械化，2002，19（3）：3637.

[15]王娟娣，朱向榮.粉煤灰水泥土的試驗研究[J].工程力學，2000（A01）：876879.

[16]姚軍.基于復摻礦物外摻料的高性能混凝土配合比設計研究[J].筑路機械與施工機械化，2016，33（9）：5356.

[17]崔永成.高摻粉煤灰水泥土力學特性實驗研究[D].銀川：寧夏大學，2013.

[18]楊小龍.水泥粉煤灰穩定碎石基層的耐久性[J].筑路機械與施工機械化，2012，29（7）：4748.

[19]俞建榮，栗學銘，竇有年.粉煤灰水泥穩定粒料的路用性能研究[J].中國公路學報，1998，11（S1）：3035.

[20]楊軍，韓以謙，鄧學鈞.粉煤灰輕質路堤的靜力模型試驗研究[J].中國公路學報，1994，7（4）：2632.

[責任編輯：高甜]