粉煤灰新型混合料在泵站地基加固中的應用研究

楊雨嶠

(江蘇省通榆河薔薇河送清水工程管理處 濱海抽水站管理所,江蘇 濱海 224500)

1 概 述

加固后的地基能將地表荷載均勻分散到原軟土地基中,可以有效降低軟土地基的沉降[1]。隨著地基要求越來越嚴格,地面加固技術也在不斷發展,第一階段用石灰和水泥對海相黏土進行改良;第二階段將水玻璃等化學灌漿材料通過入侵孔道注入軟基,增強軟基性能;第三階段采用抗壓強度大于20MPa的水泥-粉煤灰-碎石混合料,對高承重基礎設施進行地基處理[2]。水泥-粉煤灰-碎石混合料不僅可以增強路基,還提供了消耗工業廢渣的機會,將使工程成本降低50%以上,與以前的方法相比可以促進之后的環境保護[3-4]。

煤矸石是一種常見的固體廢物,是煤炭生產的副產品。經過大量的案例研究,煤矸石在水泥基材料中得到廣泛的應用[5]。目前,大量利用煤矸石的新方法被引入和應用,如道路回填、農田排水以及高速公路路基材料等[6]。這些方法可以避免對空氣、地下水和地下土壤的二次環境污染,而不像以前的處理方法會導致二氧化硫、砷和汞的污染。

因此,為了綠色可持續發展,本文設計并研究一種新型綠色粉煤灰煤矸石混合料(簡稱GFG),用于地基改良,研究結果可為軟土地基加固提供參考。

2 材料與方法

2.1 材 料

本文所用的原料包括粉煤灰、普通硅酸鹽水泥和4種不同的煤矸石。粉煤灰是煤燃燒的副產品,本文中的粉煤灰來自本地的火力發電廠。采用符合《硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥》(GB 175-1999)的普通硅酸鹽水泥,普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)從本地的水泥加工廠獲得,水泥和粉煤灰的級配曲線見圖1。煤矸石來自臨沂高新技術開發區、羅莊區、蘭陵縣和平邑縣4個地區。煤矸石經碎煤機破碎后,粒徑分布曲線見圖2。

圖1 水泥和粉煤灰的級配曲線

圖2 4種煤矸石的級配曲線

將來自高新技術開發區的煤矸石命名為煤矸石A;來自羅莊區的煤矸石命名為煤矸石B;來自蘭陵縣的煤矸石命名為煤矸石C;來自平邑縣的煤矸石命名為煤矸石D。對粉煤灰和煤矸石進行礦物分析,結果表明,粉煤灰中含有石英(SiO2)、生石灰(CaO)、赤鐵礦(FeCO3)和莫來石(3Al2O3·2SiO2);煤矸石中含有石英(SiO2)、莫來石(3Al2O3·2SiO2)、赤鐵礦(FeCO3)、方解石(CaCO3)和長石(KAlSi3O8)。原料的化學成分和燒失量(LOI)見表1。采用X射線熒光法、元素分析和化學分析,對其化學成分進行測定。材料的燒失量在溫控爐中進行設定時間的測試。經過一定時間的冷卻后,重新測試材料的質量。

表1 水泥、粉煤灰和煤矸石的化學成分

2.2 配合比設計和試驗制備

本試驗制備了不同粉煤灰含量和不同煤矸石類型的混合料?？紤]室內試驗而不是現場鑄造,應確保GFG的可行性,并滿足澆筑的需求。因此,水膠比(w/b)應大于0.5,以保證新拌混合料的流動性。細煤矸石(粒徑<4.75mm)的百分比應低于33%,而粗煤矸石(4.75～31.5mm)的百分比在58%～78%之間。為了減少GFG生產中水泥的消耗,采用粉煤灰替代水泥,用量為膠凝劑總量的40%～60%。GFG中黏結劑的百分比占質量的10%～15%。各組均未添加高效減水劑,各組配合比見表2。

表2 不同混合料的配合比

試驗共制備兩種尺寸,分別為100mm×100mm×300mm的棱柱和100mm×100mm×100mm的立方體。為了得到每個結果點,每次測試重復3次,取平均值作為測試結果。對于混合料,先用攪拌機攪拌干料(水泥、粉煤灰和煤矸石)3min,待混合均勻后加水,再攪拌3min后將混合料澆入模具。24h后,從模具中脫模,保存于標準養護室(溫度20℃±2℃,相對濕度90%以上),覆蓋塑料膜,保持水分,直到被用于試驗。

2.3 試驗方法

2.3.1 抗壓強度測試

制備100mm×100mm×100mm的立方體試樣,在7、28、63天進行無側限抗壓強度試驗。由于煤矸石中的地質聚合物對混合料的長期強度有影響,因此觀察不同齡期不同組別的抗壓強度隨養護齡期的變化。

2.3.2 應力-應變曲線試驗

制備100mm×100mm×300mm的棱柱體試樣,進行應力-應變曲線試驗,以評價GFG的構成方式。采用萬能試驗機,進行63天的應力-應變曲線試驗。在測試每個試樣時,在加載板上安裝高精度激光位移傳感器,測量其縱向線位移,加載過程中的應力數據由與機器相連的計算機進行記錄。當應變百分比達到0.5%或加載應力達到恒定穩定值時,加載過程停止。

2.3.3 耐久性試驗

結合酸性水的實際情況,可以確定氫離子(H+)在混合料侵蝕中起重要作用。因此,在本次試驗中,酸液由硝酸和水組成,pH值為1～2,模擬實際侵蝕環境。之所以選擇硝酸而不選擇鹽酸或硫酸,是因為氯離子(Cl-)和硫酸根(SO42-)離子會破壞砂漿。每周重新測量并調節酸溶液的濃度,使酸溶液的pH值穩定在1～2。在本試驗中,每個配合比制備4個100mm×100mm×300mm的棱柱體試樣,養護28天,并用酸溶液浸泡140天。通過對浸泡28、56、84、112、140天的記錄統計,得到質量損失率。然后對損傷試樣進行單軸抗壓強度測試,得到強度損失率。為了保持酸性溶液的原狀,并排出溶液中的其他雜質,每月定期更換新溶液。

質量損失率的計算公式如下:

式中:ΔMn為試樣在酸溶液中浸泡n天后的質量損失率,%;M1為浸泡酸溶液前試樣的質量,kg;M2為試樣在酸溶液中浸泡n天的質量,kg。

強度損失率的計算公式如下:

式中:Δσ為試樣在酸溶液中浸泡140天后的強度損失率,%;σ1為浸泡酸溶液前試樣的軸向抗壓強度,MPa;σ2為試樣在酸性溶液中浸泡140天的軸向抗壓強度,MPa。

3 結果和討論

3.1 抗壓強度

不同煤矸石種類、不同養護齡期的混合料抗壓強度結果見圖3。A1、B1、C1和D1分別表示4種不同煤矸石在粉煤灰替代率為40%的混合料。由圖3可知,A1和B1在7天的抗壓強度可達到6MPa以上,在28天的抗壓強度可達到9MPa以上;C1和D1在7天的抗壓強度可達到5MPa以上,在28天的抗壓強度可達到8MPa以上;4組混合料在63天的抗壓強度均可達到12MPa以上。

混合料的強度取決于硬化基體的強度和各自骨料的界面區性質。本研究中的煤矸石來源不同,具有各自的化學成分和粒度分布特征,這些因素影響了混合料的強度并導致強度變化。因此,如何找到一種合適的方法來選擇高強度的煤矸石,對實際工程具有重要意義。

圖3 不同煤矸石種類、不同養護齡期的混合料抗壓強度

不同粉煤灰摻量、不同養護齡期的混合料抗壓強度結果見圖4。A1、A2和A3表示粉煤灰摻量為40%、50%和60%時,利用煤矸石A制備的拌合料。從圖4可知,過量粉煤灰的摻量會導致拌合料的抗壓強度降低。粉煤灰摻量為40%時,后期抗壓強度明顯提高,由9.01MPa提高至12.96MPa。這是由于在粉煤灰和水泥的組合中,黏結劑體系處于堿性環境,后期粉煤灰活性充分,63天后的二次水化對強度也有貢獻。另外兩組水泥含量較少,這種改善效果不明顯。

圖4 不同粉煤灰摻量、不同養護齡期的混合料抗壓強度

3.2 應力-應變關系

不同煤矸石種類的混合料應力-應變關系曲線見圖5。由圖5可知,4條曲線(A1、B1、C1和D1)的上升段斜率相似,峰值應變相差不大,下降段斜率也較為相似;4組混合料橫向應變發展速度相近。因此,煤矸石的類型對混合料的應力-應變性能影響不大。

圖5 不同煤矸石種類的混合料應力應變關系

不同粉煤灰摻量的混合料應力-應變關系曲線見圖6。降支斜率可以指示混合料的破壞模式:平緩下降表示延性破壞模式;急劇下降表示脆性破壞模式。圖6中,A3曲線的下降分支較為平緩,A1曲線下降分支最為急劇。因此,增加粉煤灰在黏結劑中所占的比例,會在GFG中形成延性破壞模型,在抵抗動荷載的高速沖擊中具有較好的性能。

3.3 耐酸性侵蝕

3.3.1 試件的質量損失率

將試樣在酸溶液中浸泡140天,記錄每個試樣0、28、56、84、112和140天的質量,并根據式(1)計算試樣的質量損失率,結果見圖7。由圖7可知,酸溶液侵蝕140天后,質量損失率分布在2.4%～2.9%的范圍內。4種煤矸石制備的混合料,只有A1組的質量損失率低于2.5%,B1、C1和D1組的質量損失率低于3%。A1具有良好的耐酸性能,以煤矸石A作為混合料骨料時,混合料在酸性環境下的耐久性要優于另外3種煤矸石。

圖7 不同煤矸石種類的混合料質量損失率

不同粉煤灰摻量的混合料質量損失率見圖8。由圖8可知,添加40%～50%粉煤灰,有利于抵抗酸侵蝕;粉煤灰摻量為60%時,試樣的質量急劇下降。粉煤灰是球形的微顆粒,可充填砂漿孔隙。適當的粉煤灰摻量(40%～50%),可以改善水泥體系的微觀結構,有助于抵抗酸性侵蝕。

圖8 不同粉煤灰摻量的混合料質量損失率

3.3.2 試件的強度損失率

單軸抗壓強度也是評價酸溶液中混合料耐久性的指標之一。通過抗壓強度測試,根據式(2)計算各組的強度損失率,試件在酸溶液中浸泡140天后的強度損失率見圖9。由圖9可知,對于4種不同的煤矸石混合料(A1、B1、C1和D1),其強度損失率為7.8%～14.2%,不同煤矸石制備的混合料強度損失率差異不大?；旌狭系膹姸葥p失率隨著粉煤灰摻量的增加而增大,其強度損失率為8.3%～38.9%;粉煤灰摻量為60%時,強度損失率較大。

圖9 各組混合料酸浸泡后的強度損失率

4 結 論

本文通過試驗,對粉煤灰煤矸石混合料加固后的力學性能進行了研究。結論如下:

1)粉煤灰摻量為40%時,抗壓強度明顯提高。隨著粉煤灰摻量的增加,GFG從脆性破壞模型逐漸向延性破壞模型轉換,抵抗動荷載的高速沖擊性能增強。

2)煤矸石制備的混合料強度損失率差異不大。從質量損失率來看,添加40%～50%粉煤灰,有利于混合料抵抗酸侵蝕。

3)粉煤灰煤矸石混合料是一種經濟有效的地基加固材料。粉煤灰摻量為40%時,混合料的耐酸性侵蝕能力最強。

4)試驗數據與材料種類等影響有關,可能會影響研究結果。粉煤灰新型混合料在軟土地基加固時,建議先開展試驗配比設計。