软土地基强度脱硫灰改良性能机理研究

张庆明，张昶，汪平，向兵

（1重庆建工集团股份有限公司，重庆401122；2重庆交通建设（集团）有限责任公司，重庆401121）

软土地基强度脱硫灰改良性能机理研究

张庆明1，张昶2，汪平2，向兵2

（1重庆建工集团股份有限公司，重庆401122；2重庆交通建设（集团）有限责任公司，重庆401121）

脱硫灰与普通粉煤灰在物理化学特性方面有较明显不同。该文通过机理分析、击实试验等手段，将脱硫灰与亚粘土、淤泥质粘土通过比例混合获得不同的改性状态，由此揭示脱硫灰改良软土的性能变化过程。

软土改良；脱硫灰；粉煤灰；胶凝环保材料

0 引言

脱硫灰与普通粉煤灰在材料特性上有较大的差异。粉煤灰在公路建设方面的研究成果一般不能直接指导脱硫灰改性材料，现阶段，脱硫灰的相关研究较少，有关利用脱硫灰改良软土方面的研究成果更少，在一定程度上限制了脱硫灰资源的开发运用。深化对脱硫灰力学性能的研究，将有助于实现重庆区域绿色交通建设。脱硫灰和粉煤灰在火山灰活性和自硬性方面特性相似，对公路工程特别是处理软土路基改良、高路堤公路稳定加固效果突出[1]。本文主要是针对脱硫灰改良力学效应进行研究，通过理论分析和试验探讨脱硫灰对软土路基强度的提升机理及演化过程，如图1。

1 “石灰-脱硫灰”材料改良软土机理

1.1 物理化学过程

土体、脱硫灰、石灰经过拌合后，其微粒靠近，处于液相薄层状态，范德华力进一步使得颗粒产生凝聚[2]。外层阳离子吸附作用使得原始状态下表面一般吸附K+、Na+等阳离子，掺入石灰导致Ca（OH）2溶水发生电离过程。

Ca（OH）2→Ca2++2OH-

由于Ca2+浓度的增加，Ca2+与土粒表面的阳离子进行相互替换，导致胶粒表面电势减弱，在颗粒间产生凝聚结构。

1.2 火山灰反应

伴随消石灰离解过程，脱硫灰、土样、石灰中的活性成分对PH值有推升作用，化学过程如下：

Ca（OH）2+H2O+Al2O3→XCaAl2O3ZH2O

Ca（OH）2+H2O+SiO2→XCaSiO2ZH2O

脱硫灰、土样、石灰混合料早期强度是通过上述反应过程产生的凝聚结构形成的，由火山灰反应形成的凝聚结构，还较明显地重塑了混合料孔隙，导致强度上升迅速。

1.3 结晶-缩合结构效应

一般聚合结构稳定存在的时间有限，化学反应使得胶凝物质的水分减少，此时凝聚结构慢慢地转化为结晶-缩合结构[3]。石灰浆体是最先出现的晶体结构之一，借助Ca（OH）2晶体的增长和细分散状态Ca（OH）2溶解，结晶紧联，出现立体网架状态结构，包覆土砾。在富水环境下空气中二氧化碳与石灰产生CaCO3晶态，即碳化作用，加速了结晶的形成：

CO2+Ca（OH）2→CaCO3+H2O

脱硫灰材料的加入提供大量的活性物质以强化火山灰反应，产生更多的水化胶结产物。由于石灰胶粒中Ca2+和（OH）-胶核强度吸附，导致脱硫灰的Ca2+很少，进而含水铝酸钙与含水硅酸钙下降，二灰稳定材料其水化速度变缓，混合料早期强度不高[4]。一般的从脱硫灰活性物质溶解至水化物硬化时间大大慢于水泥化合物硬凝和粘土颗粒团粒化过程。

伴随养生龄期延长，不断产生火山灰反应使得脱硫灰附近Ca2+和（OH）-下降迅速。另外石灰粒中Ca2+和（OH）-却不停地释放[5]。强度最终的增加来源于混合料中含水硅酸钙（CSH）和含水铝酸钙（CAH）不断增加。

2 脱硫灰击实试验

对不同配比的脱硫灰、石灰、土体混合料进行击实试验，有助于分析不同脱硫灰掺量时最佳含水量、最大干密度的变化过程。

将脱硫灰与土体通过干质量比例混合（如表1），并掺入部分石灰来保证脱硫灰的性能。

表1 干质量比例混合表

脱硫灰软土混合试样加水量，通过公式计算得到：

式中，mw：土样所加水量（g）；w0：风干含水率（%）；m：风干含水率时的土样质量（g）。

使用轻型击实仪，分3层，25击/层，保证每层高度基本一致。击实完成后，试样超出筒顶高不大于5mm，称重得到试样总质量换算湿密度。含水率测定是通过用推土器推出2个代表性试样。

选取淤泥质粘土、亚粘土土样按照表1配比进行，得出的击实数据如表2、表3所示。

表2 掺二灰淤泥质粘土击实试验数据

表3 掺二灰亚粘土击实试验数据

试验显示：随着脱硫灰掺量的加大，最大干密度慢慢降低，减少约0.072g/cm3。在该组最佳配比的状态时延滞2h的压缩试验，最大干密度比未延滞的试样干密度出现下降，相对20%的脱硫灰比例的最大干密度更低，相对10%脱硫灰比例的混合料降低约0.041g/cm3。脱硫灰掺量的上升将带来最大干密度下的含水率提升。

3 结论

脱硫灰作为一种生态型胶凝环保材料，其部分材料性能与粉煤灰类似，但又有其独特的特性。脱硫灰中含有的硫酸钙、生石灰的比例相对粉煤灰多，是导致性能突出的关键。通过脱硫灰机理的研究和力学实验，将加深对其性能的认识，为绿色建筑和绿色交通的发展做出贡献。

[1]李明飞.高速公路软土路基变形规律研究[D].西安：西安科技大学，2006.

[2]李振霞，陈渊召.二灰稳定低液限粉土底基层性能研究[J].公路，2007，3（3）：51-54.

[3]王鹏飞.粉煤灰综合利用研究进展「J].电力环境保护，2006，22（2）：42-44.

[4]杨文，谢晓闻，黄羽雕，等.循环硫化床锅炉飞渣综合利用[J].江西能源，1998（4）：24-26.

[5]葛云甫，鲍新才.燃煤电厂脱硫灰渣的建材利用问题[J].粉煤灰综合利用，1999（5）：54-56.

责任编辑:孙苏,李红

Mechanism Analysis on Soft Soil Foundation Improvement by Desulfurized Fly Ash

Desulfurizedflyash and ordinary flyash show marked difference in physical and chemistry properties.This paper mixes desulfurizedflyash,clay and saturated silty soft clay with different propotions to gain modified states with tools like mechanism analysis and moisture-density test,so as to reveal the property variation process of desulfurizedflyash improving soft soil.

soft soil improvement;desulfurizedflyash;flyash;gelatinise environment-friendly materials

U416.2

A

1671-9107（2017）09-0053-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.09.053

2017-07-11

张庆明（1977-），男，吉林辽源人，研究生，高级工程师，主要从事建筑施工技术和质量管理工作。