关于东北地区季冻区粉煤灰加固土基的试验与研究

单 珂

（吉林建筑科技学院交通工程学院，吉林 长春 130114）

基于东北地区经济水平的不断提高，道路、房屋建设工程数量与质量水平也随之提升，但许多问题也随之暴露。即处于季冻区内，在短时间内容易产生不同程度的破损与开裂，该现象在东北地区季冻区更为明显。东北地区季冻区夏季多雨，而冬季寒冷，春秋两季冻融较为频繁，作用于道路路面后，初步表现为表层受到破坏，逐渐朝向内部发展，影响到土基的安全与稳定。而破损还将进一步引发土基各项性能降低，容易引发行车事故。故而，如何改善当地土基耐久性便成为首要解决的问题。我国煤炭生产量在世界首屈一指，也一直将煤炭作为发电的基础燃料。粉煤灰即火力发电厂内排烟管道内煤粉燃烧之后残留的粉末，随着我国能源工业的不断发展，用电量持续增加，而粉煤灰排放量也相应高速增长，其存在不仅污染环境，也同时占用了大面积土地资源，难以处理，为我国环境造成一定的压力。本次试验即尝试将该污染物添加至土基之中，以取代部分填土材料，同时也可以尝试提高土基的利用率与耐久度，以期提高路面的整体质量。

1 试验材料

1.1 材料选用

本次所用试验材料具体情况如下所示：

第一，粉煤灰。通过对多种粉煤灰的比对，本次试验选用黑龙江省某厂所生产的Ⅰ级粉煤灰，其各项数据如下表所示：

表1 黑龙江省某厂Ⅰ级粉煤灰技术指标

第二，土。本次试验选用东北地区季冻区内随机区域的土作为研究材料。

1.2 试验设计

本次试验设计拟设计三份不同的试验材料，即粉煤灰、土以及按照一定比例的掺粉煤灰土（粉煤灰：土=1：2）。在室内对三种试验材料进行冻胀与冻融试验，观察其结果，具体内容如下：

第一，冻胀试验。本次试验将时间放置于-20±2℃的冰柜内，将其冻结，测算三份材料在冻结期间产生的纵向变形量，并计算其冻胀率。在材料最佳含水量邻近区域，制作不同含水量的试验品种，并对试验材料进行塑料密封，以免含水量产生变化。开始冻结试验之前安设测量用的表架与百分表，记录初始数据之后，开始对实验材料的冻胀试验，每次间隔4h 观察数值，若持续三次观察数据为发生变化，则确认实验材料冻胀量达到峰值，计算其冻胀率：

冻胀率=（冻结后试验材料高度—原实验材料高度）/原试验材料高度*100%

第二，冻融试验。季冻区内，土基往往需要经受多次反复的冻融循环。在此期间，即便是为形成冻胀的路基，在结冻融化过程中，强度也可能降低，甚至不再具备承载能力，使得路面受到破坏，这一现象在春季融化过程中更为明显。为此，本次试验开展了冻融循环试验。本次试验将三份试验材料置于-20±2℃温度环境下，冻结24h，之后在20±2℃令其融化，此为一个冻融循环。融化试验于养生室内完成，所有实验材料均采用塑料薄膜予以密封，以确保水分不会在试验期间产生变化。针对所有材料按照最佳的含水量成型材料予以冻融试验，持续三个循环，测量其冻融试验前后的CBR 值，并测算CBR 保存率。本次冻融前粉煤灰、土的CBR 值压实度90%时，分别达到15.9%与28%，粉煤灰与粉煤灰土压实度在95%时，数值为36.3%与19%。

2 试验结果

2.1 抗冻性能

东北季冻区中，春冬两季较为容易发生季节性融冻，特别是在春天初期，昼夜温差明显，可能产生单日之内融冻循环，而该现象可能对土基产生极大的破坏。故而，抗冻性能便成为衡量土基质量重要指标之一。

通过试验可以证明，模拟融冻环境开始直至结束，土基试验件的质量变化率以及相对动弹性模量，掺粉煤灰土基试验件质量最佳，一般土基各项指标最低、。究其原因在于一般土基存在一定的含气量，且该类型孔隙不管是大小，还是形状，均不规则，导致土基土质量下降。而在掺入一定比例的高质量粉煤灰之后，能够令土基之中大小、形状不规则的孔隙大量减少，进而缩减土基之中存在的冻水，避免土基因受到拉力的作用而开裂，进而达到优化土基性能，提高其抗冻效果的目的。通过实验可证，按照合理比例掺入一定量的粉煤灰能够显著提高土基的抗冻效果，进而增加路面的运用寿命。

季冻区土基紧实度与道路行车安全密切相关，如何实现对季冻区土基加固也受到国内外学者的重视。本文通过实验数据分析发现，水在0℃之下从液态转变为固态期间存在相变的过程，当含水量小、饱和度低以及孔隙率较大的状态下，试验材料的孔隙体积将大于水的膨胀体积，所以土颗粒会受到冻缩的作用，体积相应缩小。当含水量与饱和度有所增加，冻胀率也将相应增加，冻胀率同含水量之间存在正比关系，即含水量越大，冻胀率也随之提高，所以含水量即形成冻胀的前提条件。水分在受到温度作用冻结时，土壤之中过剩的孔隙可以作为空间供冻结的冰填充，也因此，不会对粉煤灰整体的冻胀产生影响，结构性冻胀的形成不仅需存在冻胀必要的物质基础，即水分，同时也需要具有为其冻胀提供的空间环境，如果水的膨胀体积明显较实验材料的孔隙大，便会形成冻胀现象。故而，饱和度便成为决定材料最终冻胀程度的关键条件。

本文通过对粉煤灰土基各项性能的研究结果表示，粉煤灰具备良好的抗冻性能、耐磨性能以及抗渗性能，可有效提高土基整体质量。处于同等条件之下，掺有粉煤灰土基的冻结神剧相较于一般土基的冻结深度将降低30%至35%，通过本次粉煤灰路基与一般土质土基冻结深度数据显示，冻结深度同冻结指数之间存在一定相关性。

2.2 耐磨性能

土基常见的磨损种类以磨粒磨损以及疲劳磨损为主，其中磨粒磨损最为常见，即土基表面存在的坚硬颗粒嵌入相对软弱的土基。疲劳磨损则指的是日常行车过程中，车轮作用点前后将产生压力与拉应力的交互替换，进而造成路面出现原生裂缝的延展，直至影响土基，甚而造成局部断裂。故而，土基本身理应具有优秀的耐磨性能。

本次试验针对两种粉煤灰不同产量的土基试验件开展耐磨试验，试验结果显示：7 天之后，若土基中的粉煤灰含量不高于30%，随着粉煤灰总量的增加，土基试验件的单位面积磨损程度也相应增加，耐磨能力降低，然而降低的速度较为缓慢。若粉煤灰含量不少于30%，则土基耐磨性能将快速下降。28 天之后，如果粉煤灰含量仅为10%，则土基耐磨性能达到最佳，单位面积磨损程度与一般土基相差无几。但若粉煤灰含量不少于30%，耐磨性能依旧快速下降。由此可见，掺入合理比例的粉煤灰有助于提高土基的耐磨性能。

2.3 抗渗性能

抗渗性能是用以评估土基质量优劣以及使用寿命的关键指标，其同土基的耐久度关系密切。若土基的抗渗性效果不佳，则其内部容易渗入水分，进而造成土基内部部分水化物析出，形成溶出型腐蚀、离子交换型侵蚀等。且道路日常行车，车辆的冲压形成高压水，持续对路面进行冲刷，将令道路面板脱空而形成断板，最终土基也可能受到影响，甚至遭到破坏。为此，本次研究分别制作了普通土基与基准土基（含粉煤灰）予以对比，并在28 天之后进行测试。测试结果显示，基准土基渗水高度最低，而一般土基渗水高度较高，达到6cm 之上，与掺有粉煤灰的土基相比效果较差。可以证明，掺有粉煤灰的基准土基在抗渗能力方面较一般土基更为优秀。原因在于添加粉煤灰之后，可以更为显著地优化土基内部结构，保证了土基的密实性，所以其抗渗性能也随之提高。

3 季冻区粉煤灰加固土基效益研究

3.1 社会效益

将部分粉煤灰按照合理比例掺入土基之中以替换部分填土，不仅可以有效降低回填土过程中所产生环境污染，同时也有效解决了粉煤灰无法处理所产生的环境污染。不仅如此，其还可以节省了因对方粉煤灰而占用的土地面积。本文按照每年修筑路面20 万公里予以计算，则季冻区采用粉煤灰加固土基之后可节省的土地面积如下：依照单年修筑20 万公里水泥路面，其中10%为高速公路与一级公路，设定路面宽度为21m，90%为二级公路，设计路面宽度为10.5m，厚度为24cm 计算，若掺入10%粉煤灰，则单年需求的粉煤灰数量则为0.25108 吨。据有关数据显示，单亩土地总计可以对方400 吨粉煤灰，以此计算，则能够节约62500 亩。另外，粉煤灰的合理运用对环境的可持续发展也有积极意义，于晓避免了粉煤灰对方后对附近的农田或是住户的污染，保证了环境与周围住户的健康。

3.2 经济效益分析

生产与铺设土基过程中主要产生如下费用：机械台班费用、人工成本费用以及材料费用（其中包含材料自身的费用以及运输费用）。随着粉煤灰的掺入，土基当中水泥的含量随之降低，但机械台班的费用以及人工成本费用不会因此而发生变化。通常情况下，城市不仅有水泥厂，也基本建设有电厂，即粉煤灰的运输成本费用基本可以忽略不计。所以本此研究仅从材料角度入手对其经济效益予以分析，讨论通过粉煤灰加固土基是否具有经济效益。

依旧按照10%的粉煤灰掺入量作为基础条件，则可节省填土36kg/m³ ，添加的粉煤灰总量为45kg。如果依照我国黑龙江省现状来说，粉煤灰的均价则为一吨90 元，相较于其他类型填土而言，其价格低廉，运送费用可以忽略不计，具有较高的经济效益。另外，掺入粉煤灰也节省了因为取土占地以及为了储存粉煤灰所支付的费用，就粉煤灰储存为例，若依照每亩土地需求为2 万元，则62500 亩粉煤灰可节省的征地价格可达到1.25×105万元，价值可观。

4 结束语

土基是否稳定直接关乎最终道路是否安全，但在季冻区，由于其温差变化较大，冻融频繁，导致路基耐久度不佳。本文以我国东北地区季冻区为例，讨论通过添加粉煤灰的方式以优化其耐久度，并开展室内试验。通过实验证明，在土基之中掺入定量的粉煤灰，确实可以有效优化土基整体质量，提高其抗冻、防渗等各项性能，且具备一定的社会与经济效益，具有实践价值，在为我国东北地区季冻区土基加固工作提供参考的同时，也希望为我国其他季冻区土基加固提出建议。