粉煤灰-脱硫石膏复合水泥土渗透性试验研究

莫奕新，庞建勇，黄金坤，王贤昆

（安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

水泥土材料取材方便，施工简单，自身具有一定抗渗能力，在边坡防护、坝体防渗等工程中得到广泛应用[1-3]。但是，随着实际工程环境的变化，对防渗材料的抗渗性要求不断提高，水泥土的抗渗性已无法满足实际工程要求，于是在水泥土中掺加外加剂来提高土体抗渗性已成为一种常用方法，许多国内专家学者对此做了很多研究[4-7]。如庞文台和申向东[8]研究了水泥掺量、粉煤灰和石灰对水泥土抗渗性的影响，得到3种掺合料的最佳配比；丁修等[9]通过室内渗透试验分析不同掺量聚丙烯酰胺对土体渗透性的影响，得到聚丙烯酰胺的最佳掺量。

本试验选用粉煤灰和脱硫石膏2种工业废弃物作为水泥土掺合料，着重分析水泥掺量、粉煤灰掺量、脱硫石膏掺量、水灰比对水泥土渗透性能的影响。

1 试 验

1.1 原材料

土：试验用粉质黏土土样按照GB/T 50123—2002《土工试验标准》，经曝晒、烘干处理得到粉状干土样，测得其重度为20.5 kN/m3，孔隙比为0.641，含水率为24.44%，内摩擦角10.4°，塑、液限分别为 23.2%和 35.3%；水泥：P·O42.5水泥；粉煤灰和脱硫石膏：分别取自淮南上窑粉煤灰厂和淮南平圩电厂，主要化学成分如表1所示。

表1 粉煤灰及脱硫石膏的主要成分 %

1.2 试验设计

试验使用的复合水泥土相较单掺水泥土，掺加粉煤灰和脱硫石膏替代了部分水泥，水泥土材料不同，渗透性能就各有差异。为进一步研究复合水泥土中各因素对其渗透性能的影响，试验选择水泥掺量、粉煤灰掺量、脱硫石膏掺量（掺合料掺量均按占粉体材料总质量计）和水灰比4个因素，采用4因素3水平正交试验，并选择胶凝材料总量分别为12%、15%、18%的2#、6#、7#试验组与单掺12%、15%、18%水泥的单掺水泥土（水灰比为0.5）进行对比，正交试验因素水平及试验设计见表2。

表2 正交试验因素水平及试验设计

2 试验结果与分析

2.1 复合水泥土渗透性直观分析

渗透系数是衡量渗透性能的主要指标，渗透系数越大，说明材料抗渗性越差，反之则越好。试验使用柔性壁三轴渗透仪测得9组复合水泥土3～60 d龄期的渗透系数，结果如图1所示。单掺水泥土渗透系数如图2所示。

由图1、图2可知：

（1）复合水泥土的渗透系数随着龄期的延长而减小，且前期渗透系数减小速度较后期更快，当龄期达到28 d后，渗透系数趋于稳定。

图1 复合水泥土渗透系数

图2 单掺水泥土渗透系数

（2）对比 1#、2#、3#试样可知，当复合水泥土龄期和水泥掺量一定时，脱硫石膏和粉煤灰掺量越大的试验组渗透系数越大。这是因为1#、2#、3#试样的水灰比也是逐步增大的，而大的水灰比会导致复合水泥土土体过于稀松，不能使复合水泥土很好地胶结在一起形成密实度较好的土体，从而降低了土体的抗渗性。同时也间接说明了在龄期和水泥掺量为定值时，复合水泥土的水灰比较脱硫石膏掺量和粉煤灰掺量对土体渗透性影响更明显。

（3）对比水灰比和胶凝材料掺量相同的单掺、复合水泥土可知，当龄期在7～60 d，复合水泥土和单掺水泥土在龄期、水灰比和胶凝材料掺量相同的情况下，前者渗透系数小于后者，说明使用粉煤灰和脱硫石膏等量替代水泥能够有效提高土体的抗渗性。这是因为粉煤灰自身发生水化反应，脱硫石膏可以促进粉煤灰水化，二者共同作用进一步密实土体内部空隙，从而提高了土体的抗渗性。而在龄期为3 d时，由于粉煤灰的水化反应处于开始阶段，脱硫石膏和粉煤灰发挥密实土体作用还不明显，此时复合水泥土抗渗性不如单掺水泥土，故前者渗透系数要大于后者。

2.2 复合水泥土渗透性灰色关联度分析

通过直观分析可知，水灰比相较粉煤灰掺量和脱硫石膏掺量对复合水泥土渗透性影响更明显，但要确定水灰比、粉煤灰掺量、脱硫石膏掺量及水泥掺量对土体渗透性影响主次顺序还需进一步分析。

相比方差分析法和极差分析法，灰色关联度分析对样本数量没有过多的要求，也不需要典型的分布规律，而且计算量比较小，其结果误差也相对较小。本试验使用灰色关联度分析，得到各组试验中4个因素关于土体渗透性的关联度系数，结果如表3所示。

表3 各试验组渗透性关联度系数

由表3可知，水泥掺量、粉煤灰掺量、脱硫石膏掺量、水灰比渗透性平均关联度系数分别为r1=0.4527，r2=0.4845，r3=0.4515，r4=0.5571。由 r4＞r2＞r1＞r3可得，4 个因素对复合水泥土渗透性影响顺序为：水灰比＞粉煤灰掺量＞水泥掺量＞脱硫石膏掺量。

2.3 复合水泥土渗透性分层分析

由灰色关联度分析可知，水灰比是影响复合水泥土渗透性的主要因素，粉煤灰掺量影响次之，水泥掺量及脱硫石膏掺量影响较小，为进一步确定各因素对复合水泥土渗透性影响的具体情况，对土体渗透性进行分层分析。

基于4个因素对复合水泥土渗透性的影响顺序，两两因素比较引入1～7的标度，其中1标度表示2种因素同等重要，3标度表示前个因素比后个因素较重要，5标度表示前个因素比后个因素重要，7标度表示前个因素比后个因素绝对重要。构建量化的判断矩阵，如表4所示。

将判断矩阵经列向量归一化等处理，得到4种因素对渗透性的影响占比矩阵，具体处理及结果如下：

层次一致性检验：

经过分层分析可得4种因素占复合水泥土渗透性影响程度情况为：水灰比占55.79%，粉煤灰掺量占26.34%，水泥掺量占12.18%，脱硫石膏掺量占5.69%。由此可见，对复合水泥土渗透性影响中，水灰比大小占据主导地位，粉煤灰掺量和水泥掺量具有一定影响，脱硫石膏掺量对其影响不大。

2.4 复合水泥土渗透性拟合

从图1可看到，各试验组复合水泥土渗透系数与龄期呈非线性关系，在此基础上对各组试验渗透系数与龄期的关系进行非线性拟合，结果如表5所示。

表5 各试验组曲线拟合公式

由表5可知，随着自变量龄期逐渐延长，因变量渗透系数逐渐减小，R2为相关系数，其值越大，说明曲线拟合度越好，试验平均相关系数为0.945，说明曲线拟合度较高。

其中，各组试验中9#试样抗渗性最好，其配比是最优配比，即水泥掺量14%、粉煤灰掺量3%、脱硫石膏掺量2%、水灰比为0.4，最优配比水泥土渗透系数随龄期变化拟合公式为：y=16.24x-1.025，相关系数为0.98，曲线拟合度较高（见图3）。

图3 9#试样渗透系数拟合曲线

3 结论

（1）粉煤灰和脱硫石膏的水化反应能进一步密实土体内部空隙，降低土体渗透性，在水灰比一定时，用同等掺量粉煤灰和脱硫石膏取代水泥的复合水泥土较单掺水泥土具有更好的抗渗性，同时复合水泥土中的粉煤灰和脱硫石膏作为工业废弃物得到二次利用，有更好的环保价值。

（2）复合水泥土渗透性与水灰比、脱硫石膏掺量、粉煤灰掺量和水泥掺量有着密切联系，4种因素对土体渗透性影响程度依次为水灰比＞粉煤灰掺量＞水泥掺量＞脱硫石膏掺量，其中水灰比占55.79%，粉煤灰掺量占26.34%，水泥掺量占12.18%，脱硫石膏占5.69%，水灰比是主导因素，脱硫石膏掺量影响较小。

（3）试验最优配比为水泥掺量14%、粉煤灰掺量3%、脱硫石膏掺量2%、水灰比为0.4，最优配比水泥土渗透系数随龄期变化拟合公式为：y=16.24x-1.025，相关系数为0.98，曲线拟合度较高，可为实际工程需要提供一定参考。

[1] 侯永峰，龚晓南.水泥土的渗透特性[J].浙江大学学报（工学版），2000，34（2）：189-193.

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[9] 丁修，陈礼仪，智晶子.不同掺量聚丙烯酰胺对水泥土抗渗性能的影响研究[J].甘肃水利水电技术，2015，51（9）：19-20.