粉煤灰改良黄土公路路基填料强度性能研究

王春林 （安徽省路桥工程集团有限责任公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

黄土高原是世界上最大的黄土堆积区，也是世界上黄土覆盖面积最大的区域，总面积达54万km之多。因黄土具有较强的湿陷性、渗透性和崩解性，黄土用作路基填料不易压实。黄土的水稳定性也较差、浸水易软化，在冬季0℃以下还易发生冻胀。黄土还具有干缩湿胀的特性，在反复干湿循环之后，表层易发生开裂和剥落，造成边坡滑塌等病害。因此，对于在黄土地区建设的高等级公路路床不宜直接用黄土作为路基填料。

粉煤灰是火力发电厂中烧煤的副产品，研究表明，粉煤灰掺入黄土可明显降低黄土的湿陷性和压缩性。且粉煤灰价格低廉，若能成功应用到工程中，对工程质量、环境保护及工程成本均有益处。本试验采用粉煤灰作为改良材料，以洛阳栾川地区的黄土为研究对象，研究粉煤灰改良黄土的强度性能等改良效果。为在黄土覆盖地区建设公路及其他相关工程提供理论支撑。

1 试验黄土和粉煤灰基本性质

试验黄土的基本性质如表1所示。

由表2可知，在压实系数k=0.81～0.91范围内，其压缩模量E均大于20MPa，压缩系数a均小于0.1 MPa，属于低压缩性土。

试验所用粉煤灰的化学成分如表3所示，其烧失量Loss（950℃）为2.59。

2 试验方案

为研究粉煤灰改良黄土的强度特性，采用两种试验方法：常规三轴试验和无侧限抗压强度试验。采用三种粉煤灰掺配比进行试验，试样制备两组，粉煤灰含量分别为10%，20%，30%，初始含水量为16.5%，养护到龄期后，其中一组试样浸水饱和，养护龄期为28d。

另外再做一种室内冻融循环试验，来研究粉煤灰改良黄土的抗冻融性能。该种试验的方法把养护28d的试件通过零下20℃冰冻和20℃恒温融化后检测改良料的抗压强度。

试验黄土基本性质 表1

黄土土样压缩系数及压缩模量 表2

粉煤灰化学成分含量（%） 表3

3 粉煤灰黄土的强度机理

粉煤灰是在火力发电厂中由磨细煤粉燃烧后从烟道排出的，属于一种工业废料。该种废料之所以能够变成一种可以在工程上使用的材料，源于它的火山灰活性具有优异的性能。粉煤灰的火山灰活性物质能与碱或碱土相关产物发生一定的化学反应生成胶凝性产物。

粉煤灰具有细粒结构和含有多种微量元素，粉煤灰的主要化学成分为SiO、AlO、FeO、CaO，它们对粉煤灰的活性及强度性能有明显的影响。粉煤灰表面的玻璃体与土体中的水分子接触，所含的活性SiO、AlO及CaO等逐渐溶于水中并发生一系列水化反应。首先是微量的活性氧化钙CaO与水反应：

CaO+HO=Ca(OH)

其次是玻璃体内活性SiO和Ca(OH)进行二次反应，形成水化硅酸钙凝胶，反应式如下：

xCa(OH)+SiO+(n-1)HO

=xCaO·SiO·nHO

此外，粉煤灰与水还会发生一定的其他反应，这表现在溶于水的其他活性物质会发生反应生成钙钒石等物质。随后经过一段时间，水化产物促使粉煤灰颗粒之间继续增加粘结作用，表现为粉煤灰的强度会不断地增长。文献[7]表明粉煤灰的掺入可明显降低黄土的湿陷性和压缩性。

4 试验结果分析

4.1 煤灰黄土强度特性

4.1.1 粉煤灰黄土的破坏特征

图1给出了粉煤灰黄土典型的应力-应变关系曲线。

图1 粉煤灰黄土的（σ1-σ3）～ε1曲线

由图1可以看出，当掺合比a=10%，w=17%时，粉煤灰黄土的应力-应变曲线为加工硬化性，属于塑性破坏；当掺合比a=20%，w=17%时，粉煤灰黄土的应力-应变曲线为加工软化性，属于脆性破坏，破坏应变在2%左右，围压越大，试件破坏时的峰值强度越大，且试件破坏时的应变值也随围压的增大而有所增大；由此可见，粉煤灰黄土的破坏模式与掺合比有关，随着掺合比的增大，破坏模式由塑性破坏向脆性破坏转变。

4.1.2 掺合比对改良土强度指标的影响

图2为粉煤灰改良黄土掺合比a与破坏主应力σ的关系曲线，可以看出粉煤灰黄土的破坏主应力σ随掺合比a的增加而增大，在含水量w=17%状态下，随着围压越大，掺合比a对破坏主应力σ的影响越明显，在较小围压下，当掺合比a达到20%以上时，其对破坏主应力σ的影响更大；在含水量w达到饱和状态下，当掺合比a小于20%时，其对破坏主应力σ的影响在任何一种围压情况下均很明显。

图2 粉煤灰黄土aw～σ1f 关系曲线

图3为龄期28d粉煤灰黄土强度指标与掺合比a的关系，从中可以看出，粉煤灰黄土的c值和q值均随掺合比的增大而增大；w=17%状态下较相同条件的饱和状态下增长率要大得多，如掺合比由10%增至20%和20%增至30%时对应的q值增长率，w=17%状态下分别为54.3%和65%，饱和状态下分别为23.2%和56.5%。

图3 粉煤灰黄土的 σ 3～σ1f 曲线

4.1.3 含水量对粉煤灰黄土强度指标的影响

由图4可知，含水量越大粉煤灰黄土的破坏主应力越小，强度衰减率比较明显，这说明粉煤灰黄土的水稳定性不良。为进一步验证粉煤灰黄土的水稳定性，对粉煤灰黄土做了剪切试验，试验结果见表3，无侧限抗压强度q值衰减率表明，粉煤灰黄土的q值衰减率均较大，并随着掺合比的增大而增大，这说明粉煤灰对黄土的水稳定性改善效果不明显。

图4 粉煤灰黄土的aw～强度指标曲线

与素黄土相比，粉煤灰对黄土的强度特性有一定程度改善，其效果与掺合比有关。如在非饱和状态下，掺合比a=10%的粉煤灰黄土的无侧限抗压强度q值是素黄土的1.4倍，a=20%时为2.2倍，a=30%时为3.6倍。

4.2 粉煤灰黄土的抗冻融性能

由图5可以看出，随着粉煤灰改良料冻融次数的增加其强度变小。经过5次冻融循环后，其无侧限抗压强度q衰减在a=20%时达到48.7%，在a=30%时达到18.4%，这说明粉煤灰黄土的抗冻融能力随着掺合比的提高而变好。但从上图还可以看出，改良料的q衰减即使在a达到30%时仍然不小，这是因为改良料颗粒间的胶结作用在冻结作用下发生拉裂、破裂等弱化现象，从而导致粉改良料的强度降低。因此，在公路路基设计时，须采取封水措施，最大程度减轻冻融导致强度下降。

图5 粉煤灰黄土冻融后的无侧限抗压强度qu

5 结论与建议

①粉煤灰中含有大量的活性化学成分 SiO、AlO、FeO、CaO等，可以在黄土中发生一系列物理化学反应，对改善黄土的工程性能有一定作用。

②粉煤灰黄土强度与掺合比有很大关系，当掺合比较小时，对黄土的改良的效果不明显；随着掺合比的增大，其单轴抗压强度逐渐提高，掺合比在20%、30%时，与素黄土相比，其强度提高值幅度较大。

③含水量对粉煤灰黄土的影响较大，当其含水量从非饱和状态达到饱和状态，其无侧限抗压强度q值衰减率约为40%～60%，幅度较大，说明粉煤灰黄土的水稳定性较差。

④随着粉煤灰改良料冻融次数的增加，其强度变小。抗冻融性能随掺合比的提高而变好。尽管掺合比提高，但其无侧限抗压强度衰减仍比较明显。因此，在公路路基设计时，须采取封水措施，最大程度减轻冻融导致强度下降。