粉煤灰对红土工程特性改良的实验研究

梁启琴 高颖 卢琴 吴昌明 陈星

摘 要：土工护坡与生物护坡是常用的边坡稳固方法。但是工程造价高，花费大量人力物力，国内外已经开始尝试研究其他稳固方法，如粉煤灰的研究。六盘水储存了大量的低价粉煤灰，粉煤灰不加处理将会产生扬尘进入空气污染大气，但是粉煤灰成分复杂，活性物质较多，由于六盘水地区粉煤灰特性与其他地区不同，特别是三稀矿产富集。常规粉煤灰有活性物质，但特殊地质成因地质条件下的粉煤灰可能有更好的改性效果。通过设计有关试验验证粉煤灰对红黏土工程特性改良。

关键词：粉煤灰;红黏土;自由膨胀率;无侧限抗压

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.070

0 前言

中国是个产煤大国。由于火电厂的发展，粉煤灰排放量增加。大量的粉煤灰不仅污染大气，排入河流也会造成河淤塞，其中有毒物质还会对人类和生物带来危害。但粉煤灰可资源化利用，国内外开始尝试将煤炭燃烧产生的粉煤灰大规模利用到工程加固和土壤改良上，已作为混凝土的掺合料等。贵州省六盘水市煤储量居全省之首，但是由于煤层产生的地质背景差异较大，比如部分粉煤灰还富有三稀矿产，这使得其改性作用复杂，需要深入开展相关的研究。

1 天然状态下红粘土矿物组成及物理特性

1.1 红粘土主要矿物组成：高岭石、伊利石

一般红粘土的粘粒组分含量较高，最高可达到75%，最低也能达到55%。粒度较均匀，具有高分散性。

红粘土的物理特性：具了解红粘土风干脱水其塑、液限没有明显影响，比如用含水量较高的红粘土作为地基时，经阳光酷晒后虽然含水量降低了，但是塑性的大小一般没有太大改变。在达到压实度的最佳含水量时，红粘土的压实度远高于一般粘性土。

1.2 相对应实验设计

（1）六盘水是典型的红粘土地区，一般情况下，红粘土具有高分散性，但是不同地区红粘土具有较大的差异性，因此设计颗粒分析试验验证六盘水红粘土是否具有高分散性。颗粒分析试验分为筛析法、密度计法。红粘土的粒径较小，因此选择密度计法来测定。

红粘土颗分实验：①选取六盘水红粘土制作土粒悬液;②用搅拌器在量筒中充分搅拌1～2min左右，使悬液内土粒分布均匀;③取出搅拌器的同时开动秒表，每过20秒读一次密度计读数。④当试验完成后发现下沉颗粒超过总土质量的14%～15%时，将量筒中的红粘土用0.075分析筛进行洗筛，再进行大于0.075的粒径分析。

（2）根据红粘土的物理性质，红粘土的塑限和液限一般情况下没有太大变化（在风干脱水时）。塑液限还是粘性土的重要物理特性指标，反映了粘性土中的水对粘性土性质的影响。测定粘土的塑液限指标具有很重要的意义。设计实验，测定六盘水红粘土在含水量较高和含水量较低的情况下，验证塑、液限是否有明显变化。

设计实验：由塑、液限联合测定法，测定一个含水量相对较高的红粘土试样和一个含水量相对较低的红粘土试样的塑、液限。①首先将六盘水红粘土试样润湿过夜并充分调匀后，装入试样杯中刮平表面。②将试样杯放在联合测定仪的升降座上，调整升降座使联合测定仪上部由磁铁吸附住的圆锥尖端接触土面，当指示灯亮起且稳定后（按下按钮）使圆锥自由下落沉入试样，5s后读取圆锥入土深度H（mm）并测定含水率w（%）。按照相关试验规程规定，测点不能少于3个，试验中一般控制圆锥下垂深度宜为4mm，8mm，16mm。根据这些测点，在双对数坐标上，绘制圆锥入土深度h与含水率W关系直线。在直线上求得2mm时的相应含水率为塑限，17mm时含水率为液限。③同上所述再测量一个含水量相对较高的式样，并绘制h～w关系直线。进行两组式样的对比，验证塑、液限是否有明显变化。

（3）测天然状态下红粘土的含水率。

a.取适量的六盘水红粘土放入称量盒中，盖好盒盖称质量。

b.打开盒盖，将装有红粘土的盒放入烘箱中，在高温下烘干。烘干时红粘土不得少于8h。

c.将烘干后的试样取出并冷却。

d.冷却后盖好盒盖，称质量。

2 粉煤灰的矿物成分及物理特性

2.1 粉煤灰成分分析

（1）元素成分分析：选取六盘水地区火力发电厂（盘南，盘北电

厂、发耳电厂）进行粉煤灰取样.编号后采用XRF对其主要元素进行分析。经以往大量数据分析可以推测出，粉煤灰中的铁含量较高、硅含量相当、铝含量较低、同时还含有一定量的钛 、钙 。

（2）矿物成分分析：为了了解粉煤灰的晶相结构，采用XRD对盘南盘北样品进行分析。经以往大量数据分析推测六盘水地区的粉煤灰主要以莫来石和少量石英组成 ，并有少量的蓝晶石，铁的存在形式主要是磁铁矿，其中Fe2O3、SiO2和Al2O3质量分数约为80%。

2.2 粉煤灰的物理特性

經文献调查六盘水粉煤灰土粒的密度较小，一般为2.2～2.4g/cm，粉煤灰颗粒呈多孔型蜂窝状，具有较强的吸附活性（因为表面积大），从而使粉煤灰具有较高的持水性，较大的膨胀性及较小的密度，因此灰渣具有孔隙大，含水量高，密度小，易扰动，高摩擦角的特点。

3 设计实验验证粉煤灰对红土工程特性是否有改良

3.1 固结时间对强度的实验研究

（1）取天然状态下的红粘土做三个相同的试样，并贴上标签A1、A2、A3;取粉煤灰加入红粘土做三个相同的试样，并贴上标签B1、B2、B3;取水泥加入红粘土做三个相同的试样，并贴上标签C1、C2、C3;取土壤固结剂加入红粘土做三个相同的试样，并贴上标签D1、D2、D3。取A1、B1、C1、D1试样做固结时间为一天的抗剪强度实验;取A2、B2、C2、D2试样做固结时间为二天的抗剪强度实验;取A3、B3、C3、D3试样做固结时间为三天的抗剪强度实验。

（2）预测结果：无论固结时间为一天、二天或是三天，加入粉煤灰的红粘土抗剪强度均比天然状态下的红粘土抗剪强度大，与其他试样需具体实验后才能验证。

3.2 红粘土的自由膨胀率实验设计

根据含水量对红粘土塑液性没有改变，但粉煤灰自身具有较大膨胀性，较高的持水性。设计实验验证粉煤灰加入红粘土后的自由膨胀系数变化。

设计实验：（1）取天然状态下的红粘土测其自由膨胀性;（2）再取天然状态下的红粘土加入一定量的粉煤灰测量自由膨胀率;（3）单独测量粉煤灰自由膨胀性;（4）根据具体数据进行比较。

3.3 抗压强度实验设计

影响粉煤灰改良红黏土强度的因素有：粉煤灰掺入量、压实度、龄期、养护条件、与水拌和延迟制样时间、配制试样时含水量等， 若全面考虑这些影響因素， 则需要花费大量的人力物力。综合考虑试验条件的限制和实际工程需要， 本文选取粉煤灰掺入量、压实度、养护条件、配制试样时含水量作为影响要素进行试验分析。

（1）粉煤灰掺入量的影响。定量取4份相同质量的红粘土试样分别加入粉煤灰添加粉煤灰（粉煤灰用量分别为3%，5%，7%，9%，11%），分别测量各试样的抗压强度。画出抗压强度与掺入量的曲线图。

预测实验结果，刚开始时， 粉煤灰改良红粘土的无侧限抗压强度随着粉煤灰加入质量分数的增加而变大， 但当粉煤灰加入质量分数达一个数值Y%后， 无侧限抗压强度反而随着粉煤灰掺入质量分数的增加而减小， 即粉煤灰掺入质量分数存在最佳值——X%， 此时无侧限抗压强度存在最大值。推测出现这种现象的主要原因是：粉煤灰的含量适当时， 粉煤灰主要起稳定作用（因为粉煤灰有高摩擦角的特点，）且它会使红粘土的塑性、膨胀性降低， 使红粘土样初步具有较好的水稳定性， 并使土样的密实度和强度得到增强， 随着粉煤灰掺入量的增加， 土样的强度和稳定性均得到提高;但当粉煤灰的含量超过一定量 （即最佳质量分数x%） 以后， 过多的粉煤灰将沉积在土样孔隙中而不参加反应， 由于灰渣具有孔隙大，含水量高，因此过多粉煤灰将导致红粘土强度降低。

（2）压实度的影响。红粘土经最佳质量分数粉煤灰改良后， 并经标准养护或自然养护条件养护一段时间后， 改良后的红粘土无侧限抗压强度与压实度的关系。

预测结果;在标准养护或自然养护条件下， 粉煤灰改良红粘土试件的无侧限抗压强度都随着压实度的提高而增大。可以推测压实度对粉煤灰改良红粘土的无侧限抗压强度的影响非常大。

（3）含水量的影响。红粘土+X% （即最佳质量分数粉煤灰）改良土制件 （在压实度为W%和不同含水量下制样） 的无侧限抗压强度值与配制试样的含水量的关系。

预测结果， 试件的无侧限抗压强度随配制试样中含水量的变化曲线近似为抛物线， 其基本原因在于土样中的自由水除充满颗粒间的孔隙外， 粉煤灰与土粒的水解和水化作用需要一定量的水分。含水量较低时， 水解和水化作用不充分， 使得无侧限抗压强度较低。当含水量过高时， 由于多余水分的存在， 影响了无侧限抗压强度和水稳性， 致使土样的强度和水稳性降低。

4 结语

综上所述，文章对贵州红粘土和粉煤灰的组成成分与物理特性进行了分析，通过对红粘土与粉煤灰的物理特性分析，侧红粘土的自由膨胀率，设计粉煤灰改良红黏土后的无侧限抗压强度，进行掺入量比较，含水量影响，压实度影响综合评价粉煤灰对红黏土改良后效果曲线图，评价粉煤灰改良红黏土具体情况。

参考文献：

[1]刘恒.贵州红粘土工程地质特征[J].贵州理工学院，2016，642（42）.

[2]刘前明.贵州红粘土工程地质特性探讨[J].中国煤田地质，2002.

[3]黄辉.红黏土无侧限抗压强度实验影响因素研究[J].中南大学土木建筑学院.湖南省永州市交通局，2010.

基金项目：贵州省大学生创新创业训练项目（2018521000）、六盘水师范学院重点学科项目（LPSSYZDXR201802）、六盘水师范学院教学内容与课程体系改革项目（LPSSYjg201813）、贵州省教育厅青年科技人才成长项目（黔教合KY字[2018]376）、贵州省教育厅青年科技人才成长项目（黔教合KY字[2018]386）

作者简介：梁启琴（1997-），女，贵州黔西人，本科，研究方向：地质工程。

*为通讯作者