利用再生石膏和粉煤灰改善软土强度及耐久性能

张永强

(吕梁公路建设有限公司，山西吕梁 033000)

0 引言

为了降低垃圾填埋场的处置费用和土石方项目的成本，并维持一个良好的环境，人们针对能够应用到土工项目中作为替代材料的不同类型的废弃物和再生材料进行了大量的研究［1-3］。这类废弃物及循环再造材料包括石膏，粉煤灰，水泥窑灰，炉渣，焚烧污水灰，石粉，稻壳灰和工业用石灰等［4，5］。

石膏可以增加土壤颗粒之间的粘结性能［6］，将其应用到软土工程中作为稳定剂是一种很好的解决措施，但它溶于水，在工程应用中面临严峻挑战。因此，添加固化剂以降低石膏的溶解度是非常必要的，以避免发生任何机械和环境危害。部分粉煤灰具有良好的胶凝性能，在软土的固化应用中有了大量的应用。粉煤灰作为添加剂应用到烧石膏固化的软土中，将会更经济地提高软土的耐久性和降低石膏的溶解度，这将减少所需水泥的用量。本文针对使用粉煤灰和再生石膏作为土壤稳定剂以改善软土的强度和耐久性，进行了系统的研究。

1 材料及实验方法

1.1 原材料

水泥:采用华润牌P.O42.5普通硅酸盐水泥。

稳定剂:石膏、粉煤灰，其中值粒径分别为0.8mm和0.01mm。软土:高岭土粘土，其中值粒径为0.008 mm。

1.2 实验方法

首先将石膏、粉煤灰和水泥在干燥状态下混合均匀，然后与湿试土壤混合，并制成直径50 mm和高度100 mm的圆柱土样。经过24 h养护之后，在室温20℃下利用电流互感器进行1 d，3 d，7 d，28 d不同时间的固化。使用北京工具厂生产的型号为LQ-100S的路面材料强度试验仪，以及量程分别为7.5 kN和30 kN的测力环测定固化土无侧限抗压强度，加载速度为该仪器的机动速度1mm/min。此外，对稳定土的基础上进行的抗压强度试验结果进行耐久性评估。

2 结果与讨论

图1～图3为添加了不同比例粉煤灰和石膏的软土的抗压强度。其中，固化时间为1 d，3 d，7 d和28 d。由图可知，石膏和粉煤灰的添加改善了软土的抗压强度。一般来说，当粘土与石膏，粉煤灰，高炉矿渣水泥混合，它们之间会发生化学反应，从而提高软土的强度。然而，某些因素通过影响化学反应活性间接的控制着强度的变化，如水分含量，稳定剂的含量，粘土矿物和稳定剂的类型和气候条件等。此外，改善强度不仅局限于诱导土与固化剂之间的化学反应，而且一些因素也对强度的提高有着重要的联系。例如，在本研究中的供试土壤具有高水分含量，特别是在初始阶段，强度的提高主要取决于潜在稳定剂对水的吸收［7，8］。

对比图1～图3，随着石膏比率的增加，试样强度逐渐增加。这主要是因为一方面石膏可以充分吸收土壤中的水分形成胶结化合物，如钙矾石，增加了强度，同时减小了孔隙率，进而促进了土壤颗粒之间的密实度。另一方面烧石膏中含有部分CaO，与水和二氧化碳可以形成CaCO3，加速土壤试样的硬化。同时，粉煤灰也起了非常大的作用，粉煤灰具有非常高的火山灰活性，有助于促进钙矾石的形成。

图1结果与图2，图3结果不一致，粉煤灰增加，水泥减少，反而土样性能下降。这主要是由于粉煤灰自身胶凝性能较差所致，相反石膏却有较强的胶凝性能。尤其在粉煤灰添加的固化后期情况下效果更为明显。

图1 r石膏/土=0条件下，煤灰对软土性能的影响

图2 r石膏/土=5%条件下，煤灰对软土性能的影响

从数据曲线分析可知，1 d～7 d前期，土样的强度迅猛增加，随着固化时间的进一步延长，土样强度逐渐增加而趋于稳定。可见，与传统只添加水泥的土样相比，添加石膏稳定剂土样的前期固化时间短［9，10］。前期固化时间是一个非常重要的属性，尤其是当供试土壤具有高水分含量的情况下该属性可以被用来减少施工时间。

3 结语

石膏与粉煤灰的组合应用对软土强度和耐久性的提高具有积极的作用。粉煤灰具有潜力以提高再生烧石膏的耐用性与稳定的软粘土层对环境的影响。根据测试结果，可以得出以下结论:

1)软土的强度及耐久性随着石膏土比率增加而提高。粉煤灰具有轻微的负面效应，应该与烧石膏混合应用到软土中。

图3 r石膏/土=10%条件下，煤灰对软土性能的影响

2)粉煤灰和烧石膏的增加，容易促进软土试样中钙矾石的形成，进而影响到试样的整体性能。

3)相比于固化后期，前期固化时间对试样强度的影响较大。

［1］ 郑俊杰，刘士清，林永汗.软土地区粉煤灰混凝土桩复合地基设计方法［J］.华中理工大学学报，2000，28(4):103-105.

［2］ 荀 勇.含工业废料的水泥系固化剂加固软土试验研究［J］.岩土工程学报，2000，22(2):210-213.

［3］ 牛晨亮，黄 新，李战国.利用工业废渣固化软土的试验研究［J］.环境工程学报，2009，3(10):50-52.

［4］ 殷基钢，胡 军，闫澍旺.工业废料皂化渣加固吹填软土的研究［J］.港工技术，2006(1):35-38.

［5］ 潘文浩，于保阳.废弃陶瓷在混凝土类材料中应用的探讨［J］.科技信息，2010(23):570.

［6］ 李 阳，袁聚云，景 路.脱硫石膏土体增强剂加固土室内试验研究［J］.粉煤灰，2011(1):24-26.

［7］ 黄 新.水化产物钙矾石在软土地基加固中的增强作用［J］.硅酸盐学报，2000，28(4):299-302.

［8］ 赵青林，周明凯，沈卫国.窑灰水泥稳定高含水量软土的强度研究［J］.河南建材，2002(4):10-12.

［9］ Kolay PK，Sii HY，Taib SNL.Tropical peat soil stabilization using Class F pond ash from coal fired power plant［J］.World Acad Sci Eng Technol 2011，2011(74):9-15.

［10］ Ahmed A，Ugai K，Kamei T.Investigation of recycled gypsum in conjunction with waste plastic trays for ground improvement［J］.JConstr Build Mater，2011，25(1):208-217.