水泥-高钙粉煤灰改良泥炭质土力学性能研究

张文豪，谢建斌，2，刘道炎，王盛

(1.云南大学 建筑与规划学院，云南 昆明 650500;2.昆明军龙岩土工程有限公司，云南 昆明 650021；3.中铁隧道集团有限公司，河北 三河 065200)

0 引 言

泥炭质土又叫湖相沉积土，它是一种特殊土体，主要存在于水源丰富的地方以及地势较矮的平原和山谷中。一般形成的区域拥有丰富的植物体，其在缺氧情况下不能完全分解，这些植物残体沉积和堆积最终形成了泥炭质土，多为浅褐色或棕黄色[1]。泥炭质土天然含水量高、密度小、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低[2]，属于岩土工程中不良地基，在泥炭土地基上的建筑往往会发生下沉、开裂、倾斜等现象。与其他地区相比，昆明滇池地区泥炭质土形成时间短、上覆土层薄、固结程度低、性能差，给工程建设带来了诸多困难[3]。因此，在泥炭质土地区进行工程建设，就必须先治理好泥炭质土。目前国内外学者针对黄土[4]、冻土[5]、膨胀土[6]、软土[7]的改良研究较多，而对湖相沉积的泥炭质土改良研究较少。

粉煤灰是生活中常见的物质，发电厂、锅炉房等都会产生大量的粉煤灰，对自然环境造成污染[8]。为了减少粉煤灰对环境的污染，国内于20世纪50年代开始研究粉煤灰，并将其开发利用于实际工程。目前使用粉煤灰主要集中在2个方向：一是使用化学和物理方法对粉煤灰进行处理，改变其部分特性，减少膨胀变形，提高粉煤灰制品和掺用粉煤灰的水泥[9]、混凝土[10]等材料的质量；二是利用高钙粉煤灰的特点，即水化后体积变形较大，将其应用在混凝土膨胀剂[11]、软土地基固化剂[12]等领域。本文将高钙粉煤灰和水泥进行混合作为改良剂对泥炭质土进行加固改良，通过室内物理力学试验分析水泥、粉煤灰及高钙粉煤灰不同掺量单一和混合掺入的改性土压缩模量、渗透系数、抗剪强度、无侧限抗压强度的变化情况，得出最佳改良方案，以期为工程实际提供应用参考。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

42.5级普通硅酸盐水泥；有效CaO含量4.5%的粉煤灰和26.4%高钙粉煤灰[13]；泥炭质土。中其粉煤灰化学组成及质量分数如表2所示，水泥试验指标如表3所示。泥炭质土土样取自云南昆明滇池会展中心4号地块，取土深度15～25 m，基本物理性质如表1所示。

表1 泥炭质土基本物理力学参数

表2 粉煤灰化学组成及质量分数

表3 水泥试验指标

1.2 试验方法

本次试验为室内土工试验，采用单一掺料和混合掺料改良相结合的方法，将不同掺比的水泥、粉煤灰、高钙粉煤灰、水泥粉煤灰、水泥高钙粉煤灰掺入滇池泥炭质土中，测定改良土的物理力学性能，从而探讨各改性材料对滇池泥炭质土的改良效果。由于水泥改良泥炭质土的过程中不可避免地产生收缩裂缝，水泥用量与收缩裂缝的产生关系密切，一旦水泥用量超过某个限度，裂缝就会加剧，因此根据工程实际和相关规范，本试验改性土中水泥掺和量设计为2%，4%，6%。邵俐等[14]研究得到改良有机质土的粉煤灰掺入量12%最佳，因此，本试样改性土中粉煤灰和高钙粉煤灰的掺和量设计为2%，4%，6%，8%，12%，16%。

土工室内试验根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[15]进行。选取足够的泥炭质土和各改性材料，风干处理后过5 mm筛，按照设计比例将泥炭质素土和各改性材料混合均匀，首先对以上混合物进行轻型击实试验，得到最优含水率和最大干密度，其次对试样进行浸水饱和后养护至所需龄期，再进行渗透试验、标准固结试验、直剪试验和无侧限抗压强度试验，养护龄期为28 d，养护温度(22±2)℃，湿度为(80±2)%。

2 结果与分析

2.1 击实试验结果分析

根据标准的击实试验法测得单一改性掺料和混合掺料不同掺量改性土的最大干密度与最优含水率，由于各改性土的颗粒粒径小于5 mm，属于细颗粒土，故选用轻型击实试验，试验结果如图1～4所示。

图1 单一掺料下不同掺量改性土最大干密度变化曲线

由图1～4可知，在泥炭质土中无论单一掺入水泥、粉煤灰及高钙粉煤灰或混合掺入，改性土的最大干密度都会随着掺量的增大而减小，最优含水率都会随着掺量的增大而增大。单一掺入不同比例水泥、粉煤灰和高钙粉煤灰时，改性土的最大干密度均低于素土的最大干密度，单掺粉煤灰改性土的最优含水率最小，且低于素土。混合掺量中水泥掺量一定时，掺入高钙粉煤灰的改性土最优含水率均大于素土，只有粉煤灰掺量达到2%以上，且水泥掺量为4%时，改性土最优含水率才大于素土。出现上述现象的原因主要有：一是高钙粉煤灰颗粒很细，同样体积的高钙粉煤灰颗粒表面积相对较大，吸收水分多，因此，需水较多，最优含水率较高；二是高钙粉煤灰中游离氧化钙含量较高，这些游离的氧化钙水化反应需要吸收大量水分，体积膨胀，所以不同水泥高钙粉煤灰掺量下改性土最优含水率较大。

图2 混合掺料下不同掺量改性土最大干密度变化曲线

图3 单一掺料下不同掺量改性土最优含水率曲线

图4 混合掺料下不同掺量改性土最优含水率变化曲线

2.2 固结试验结果分析

采用标准固结试验，由标准固结试验测定出试样在侧限和轴向排水条件下的变形以及压力、变形和时间的关系后，即可计算压缩模量ES，单一掺料改性土和混合掺料改性土的压缩模量随掺量的变化关系如图5～6所示。

图5 单一掺料不同掺量下改性土压缩模量变化曲线

图6 混合掺料不同掺量下改性土压缩模量变化曲线

由图5～6可知，水泥、粉煤灰及高钙粉煤灰单掺和混合掺入的改性土压缩模量均随着掺量的增大而增大，都大于素土的压缩模量，且混合掺入后改性土的压缩模量也均大于单掺改性土的压缩模量。当混合掺料中水泥掺量一定时，同一掺量下的高钙粉煤灰改性土压缩模量高于粉煤灰的。当混合掺入6%水泥加16%高钙粉煤灰时,压缩模量达到最大，为20.65 MPa。参考《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)可知，当ES>20 MPa时为低压缩性土[16]。因此，水泥高钙粉煤灰掺量为6%+16%改性土为低压缩性土，改良效果明显。

2.3 渗透试验结果分析

一般用常水头试验和变水头试验测试土的渗透性，常水头试验适用于K=10-3～10-2cm/s的土，而变水头试验适用于K=10-3cm/s以下的土，泥炭质土渗透性约为10-6cm/s，故本试验采用变水头试验，试验结果如图7～8所示。

图7 单一掺料不同掺量下改性土渗透系数变化曲线

图8 混合掺料不同掺量下改性土渗透系数变化曲线

由图7～8可知，当掺入水泥、粉煤灰及高钙粉煤灰改性材料后，单一掺入和混合掺入都能改善土体的渗透性能，掺入后的泥炭质土渗透系数由10-6cm/s量级提高到10-5cm/s。混合掺入改性土的渗透系数均高于单一掺料改性土，当混合掺量改性土中水泥掺量为6%且高钙粉煤灰掺量超过12%时，渗透系数量级达到10-4cm/s，分别为高钙粉煤灰掺料12%的105.36×10-5cm/s和高钙粉煤灰掺量16%的108.43×10-5cm/s，说明高钙粉煤灰可有效改变泥炭质土的渗透性。

2.4 直剪试验结果分析

由于泥炭质土和各改性土颗粒较小，本次试验选择快剪试验，试验中选取50，100，200 kPa三级法向压应力。单一掺料和混合掺料改性土黏聚力随掺量变化关系如图9～10所示。

图9 单一掺料不同掺量下改性土黏聚力变化曲线

图10 混合掺料不同掺量下改性土黏聚力变化曲线

由图9～10可知，单一掺入水泥、粉煤灰及高钙粉煤灰改性材料时，改性土黏聚力随着掺量增大而增大，其中水泥掺料改性土的黏聚力增加最多，呈V字形。混合掺入水泥粉煤灰和高钙粉煤灰改性土的黏聚力增量相比单一混合时要大，说明混合改良黏聚力效果更好，当混合掺料中水泥掺量一定时，高钙粉煤灰比粉煤灰改良黏聚力效果更好，当水泥掺量6%、高钙粉煤灰掺量12%时，黏聚力达到最大，为11.79 kPa。

2.5 无侧限抗压强度试验结果分析

无侧限抗压强度试验中所用成型试件为圆柱体，高11.6 cm，底直径10.2 cm。试验过程中试件变形保持速率1 mm/min等速增加，待试件破坏后，记录试件破坏时的最大压应力。单一掺料和混合掺料改性土无限侧抗压强度随掺量变化关系如图11～12所示。

图11 单一掺料不同掺量下改性土无侧限抗压强度变化曲线

由图11～12可知，水泥、粉煤灰及高钙粉煤灰单一掺入或混合掺入所得改性土的无侧限抗压强度均随着掺量增大而增大，混合掺入所得改性土的无侧限抗压强度增加较多，改良效果比单一掺料明显。混合掺料中当水泥掺量为6%时，高钙粉煤灰掺量达到12%,无侧限抗压强度最大，说明最佳配比为6%水泥+12%高钙粉煤灰，改良效果最佳。

3 改性材料机理分析

3.1 粉煤灰在混合改性材料中的作用

水泥作为主要胶凝材料，最大的作用是进行水化反应生成化合物，形成有一定强度的水泥骨架，这是改性土强度提升的主要原因，而粉煤灰和高钙粉煤灰不但可以改善水泥在泥炭质土的水化环境，使水泥充分反应，而且还能二次水化，提升加固土的后期强度，除此之外还有以下作用：

(1)替代部分水泥熟料，降低成本。生产水泥熟料工艺并不复杂，但成本较高，煤灰和高钙粉煤灰作为火力发电厂废渣，处理容易，只要和熟料一起磨细即可，水泥生产需经过生料磨细和高温煅烧等工艺过程，耗电排放大量的二氧化碳，并产生噪声。与水泥生产相比，明显具有更好的经济效益和环保效益。

(2)调节水泥强度。为了避免不必要的强度浪费以及专门配制特殊要求的水泥材料成本支出，适量掺入混合材料既能降低掺入材料体系的强度，也可以提高掺入材料体系的强度，从而达到调节强度的目的。

(3)改善水泥性能。首先，掺入适量的粉煤灰或高钙粉煤灰，能大量减少水泥用量，降低水泥水化热的产生，同时二次水化还可生成更多水化硅酸盐胶凝体，水化硅酸盐胶凝体含量的增加可提高体系的抗侵蚀性，其次，作为混合材料的粉煤灰可以增加水泥浆体的和易性，从而减少水泥需水量，除此之外还可以提高加固土的密实性。

(4)降低体系的早期强度。如果掺入粉煤灰较多，水泥土的早期强度会明显降低，这是由于混合材活性发挥较为缓慢，导致早期水泥水化产物数量减少，因此粉煤灰的掺入不宜过多。后期加固土的强度相差不大甚至能更高，原因在于二次水化的存在。

3.2 粉煤灰与高钙粉煤灰改性泥炭质土机理对比

(1)高钙粉煤灰含有较多的游离氧化钙，容易水化形成Ca(OH)2，这些Ca(OH)2又会与高钙粉煤灰和黏土中的SiO2和Al2O3发生反应生成胶凝产物；高钙粉煤灰体积膨胀，会挤压软土，反而使压缩性较大的软土改良效果变好。

(2)粉煤灰中Al2O3含量一般较高，会形成较多的莫来石，从而使玻璃体减少，活性降低。由于高钙粉煤灰含有一定量的水硬性矿物，如C2S，C3A等，一旦暴露在自然环境中或接触到水分，可硬化结块，产生一定强度，具有一定自硬性。

(3)高钙粉煤灰颗粒粒径要远小于普通粉煤灰，且颗粒表面黏附有大量微粒，这有利于改性土体强度的提高。

(4)高钙粉煤灰中的富钙玻璃体及少量铝酸钙和硅酸钙矿物与含水量较高的软土混合后，吸收OH-或水分子，反应形成稳定物质，使游离氧化钙快速消解，有利于改性土的强度提升和结构稳定。

4 结 论

(1)使用水泥改良滇池泥炭质土时，对其物理力学性能有一定改良，随着水泥掺量增加，改性土的压缩模量、渗透性和无侧限抗压强度随之增大，但改良效果有限。

(2)粉煤灰对泥炭质土的渗透性和压缩模量改良程度不弱于水泥，但黏聚力和无侧限抗压强度较低。粉煤灰掺量并非越大越好，当粉煤灰掺量超过12%时，抗剪强度和无侧限抗压强度增长明显变缓，甚至出现下降。高钙粉煤灰在加固泥炭质土的压缩模量、抗剪强度、渗透性和无侧限抗压强度方面均强于粉煤灰，与粉煤灰相似，高钙粉煤灰掺量为12%时最佳。

(3)水泥粉煤灰和水泥高钙粉煤灰混合改良泥炭质土时，各方面物理力学性能均优于单掺水泥、粉煤灰和高钙粉煤灰，其中水泥高钙粉煤灰改良效果更好，当掺入水泥加高钙粉煤灰掺量为6%+12%时，为低压缩性土，改良效果最好。

(4)改良云南昆明滇池泥炭质土最优配比方案为6%水泥+12%高钙粉煤灰。