粉煤灰对电石渣稳定黄土的性能改善分析

2023-01-16栗培龙毕嘉宇朱德健

公路工程 2022年6期

栗培龙，毕嘉宇，裴仪，朱德健

(1.长安大学，陕西西安 710064； 2.长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室，陕西西安 710064)

0 引言

电石渣用于稳定细粒土取得了较好的成效，但对于特殊土的改良仍有提升的空间。电石渣与蔗渣灰、稻壳灰、生物质灰、粉煤灰等火山灰材料混合时会发生一系列的物理化学反应[10-12]，包括更强地阳离子交换、火山灰反应等，通过更充分的水硬胶结作用[13]形成类似于水泥的胶凝材料，可以进一步改善电石渣稳定土的性能。其中，粉煤灰作为燃煤产生的工业废渣，产量巨大，利用率低，环境污染严重[14-15]，粉煤灰与电石渣综合利用对环境保护的前景广大，其中的研究也在不断有着新的进展。韩巍等[16]测试了电石渣和电石渣-粉煤灰-矿渣稳定土强度变化，发现粉煤灰对于电石渣稳定土强度的增强效果显著。郝士华等[17]发现研磨后的粉煤灰能够提高粉煤灰-电石渣混合物的无侧限抗压强度。DARIKANDEH等[18]用不同比例的电石渣粉煤灰稳定高膨胀黏性土，发现最佳电石渣粉煤灰用量为20∶80。王亮等[19]以电石渣、粉煤灰和碱激发剂为原料用正交试验法测试各因素对固化盐渍土抗压强度的影响，得到的影响顺序为：碱激发剂>胶凝材料掺量>电石渣粉煤灰比例。PHUMMIPHAN等[20]利用粉煤灰和电石渣开发黏合剂稳定红土作为道路基层，发现提供最大90 d强度的电石渣掺量为20%。红土中的电石渣掺量最好不超过30%。PHETCHUAY等[21]研究了NaOH浓度、含水量、粉煤灰含量、电石渣含量、温度和固化时间对稳定软粉土强度发展的影响。

综上所述，已有学者对电石渣稳定土的强度、固化时间和最优掺量等开展了较为深入的研究，有关粉煤灰-电石渣复合稳定土不同比例、碱激发剂、含水量、固化时间等对强度方面的影响也有所涉及，但在耐久性和干湿、冻融循环后的强度特性等方面仍需进一步探讨。本文针对不同配比组成电石渣稳定土(CS)和电石渣-粉煤灰稳定土(CFAS)试件，从试件强度、干湿循环和冻融循环特性出发，研究了CS试件和CFAS试件性能的差异，分析粉煤灰的掺入对于电石渣稳定土强度和耐久性的影响，以期为电石渣稳定土的推广应用提供参考。

1 试验材料和试验方案

1.1 试验材料

试验所采用的土样为陕北神木地区粉黏性黄土，所取土样含水率较低且无明显腐殖质和碎石杂质，试验前对土样进行人工破碎处理并过2.36 mm方孔筛，其主要物理指标如下：液限为30.1%，塑限为17.8%，塑性指数为12.3%。比重为2.67，最大干密度为1.915 g/cm3，最佳含水率为11.5%。试验用电石渣来源于北元化工集团生产线，其主要物化指标如下：CaO为64.93%，MgO为0.18%，Fe2O3为0.72%，AL2O3为1.40%，SiO2为3.97%，烧失量22.79%；总和为93.99%。试验用电石渣材料均过0.075 mm方孔筛，其比重为2.18。试验采用北元化工电厂生产的粉煤灰，主要成分如下：二氧化硅50%，氧化铝22%，氧化铁3%，氧化钙+氧化镁10.1%，三氧化硫4%，烧失量9.4%。

1.2 试验方案

考虑到不同电石渣掺量、电石渣粉煤灰(结合料间)比例、胶土比(结合料与被稳定材料间)对稳定土的性能改善[18，19，21]和《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)中石灰粉煤灰稳定材料推荐比例，设计了6组试验如下：3组电石渣掺量分别为9%、11%、13%，记作CS-1、CS-2、CS-3；另外3组分别为电石渣和粉煤灰比例为1∶1，胶土比为20%；电石渣和粉煤灰比例为1∶3，胶土比为20%；电石渣和粉煤灰比例为1∶3，胶土比为30%，记作CFAS-1、CFAS-2、CFAS-3。

试验依据《公路工程无机结合料试验规程》(JTG E51-2009)开展，首先选取代表性土样烘干、碾碎、过2.36 mm筛并除去杂质，根据击实参数精确称取试件制备所用材料用量，然后将各材料混合搅拌均匀，采用静压成型方法制备50 mm×50 mm圆柱体小试件，脱模后将其置于标准养生箱中[温度：(20±2)℃、相对湿度：≥95%]养生，待到相应养生龄期下取出并开展相应试验。

1.2.1强度试验

依据《公路工程无机结合料试验规程》(JTG E51-2009)要求，无侧限抗压强度和劈裂强度试验在UTM-5000微机电子控制万能试验机上进行。在预定养生龄期结束前1 d，将待试验试件从养生环境箱中取出，观察试件表面是否存在缺损，若试件存在明显损坏，试件应该作废。对完好试件进行称重量高后，将其置于(20±2)℃水中浸泡24 h，浸泡过程保证水面高于试件顶面2.5 cm。试验开始前取出试件，并用软布轻擦试件表面可见自由水，称重量高后，立即开展试验。

1.2.2冻融试验

本试验主要研究28 d标准养生后CS和CFAS试件经过5次冻融循环无侧限抗压强度的变化。试验开始先将浸泡24 h后试件从水中取出，使用润湿毛巾轻拭擦干待试验试件表面水并称初始质量，然后放入-18 ℃冷冻箱中，使之冻结16 h，冻结后将试件取出放入20 ℃的水中浸泡8 h并称重，这样完成了一个冻融循环。当质量损失大于5%时停止试验，冻融循环抗冻性指标分别如式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中：BDR为经n次冻融循环后试件的抗压强度损失，%；RDC为经n次冻融循环后试件的抗压强度，MPa；Rc为对比试件无侧限抗压强度，MPa；Wn为经n次冻融循环后的试件质量变化率，%；m0为经冻融循环前试件的质量，g；mn为经n次冻融循环后试件的质量，g。

1.2.3干湿循环试验

参照文献[22]的方法进行一些改进。首先将浸泡24 h后的待试验试件从水中取出，轻擦拭表面水分并称初始质量，然后将试件置于20 ℃左右室内自然风干12 h并称取质量，将风干后试件置于20 ℃水中浸泡12 h，如此完成一次干湿循环。完成到试验循环次数(1、3、5)后进行无侧限抗压强度试验，当质量损失超过5%时停止试验。干湿循环软化系数、强度损失率和吸水量分别由式(3)、式(4)和式(5)计算。

(3)

式中：SHn为经n次干湿循环后试件的软化系数；RGnc为经n次干湿循环后试件的抗压强度，MPa；Rc为对比试件无侧限抗压强度，MPa。

(4)

式中：Gn为经n次干湿循环后试件的抗压强度损失，%。

Δωn=mn-m0

(5)

式中：Δω为经n次干湿循环后试件的吸水量，g；mn为经n次干湿循环后试件的质量，g；m0为干湿循环开始前试件的质量，g。

2 试验结果分析

2.1 强度试验结果分析

对比研究了不同养生龄期条件下(7、14、28、60、90、180 d)CS和CFAS试件无侧限抗压强度和劈裂强度试验结果的差异，试验结果如图1和图2所示。

图1 不同养生龄期CS和CFAS试件无侧限抗压强度

图2 不同养生龄期CS和CFAS试件劈裂强度

从图1和图2可知，随着试件养生龄期的增加，CS和CFAS试件无侧限抗压强度和劈裂强度均增大，同一养生龄期下，CFAS试件无侧限抗压强度和劈裂强度均高于CS试件，同时换算可得CFAS各试件电石渣掺量分别为10%、5%、7.5%，几乎全部小于CS试件电石渣掺量，这更说明粉煤灰的掺入显著提升了电石渣稳定土无侧限抗压强度和劈裂强度，同时随着龄期的增长强度持续增长。分析原因主要是粉煤灰中SiO2和Al2O3的含量较高，引起的火山灰反应相较于电石渣稳定土内部强烈，使得电石渣活性潜能充分发挥，反应生成的C-S-H凝胶有效地改善了电石渣-粉煤灰稳定土内部空隙分布，使得土颗粒连接更加稳固。火山灰反应的增强和持久效应提高了电石渣稳定土强度。需要注意的是，此配比条件下的电石渣-粉煤灰稳定土强度满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)中对于石灰-粉煤灰稳定土用于道路基层、底基层填筑的要求。

对CFAS试件而言，相同龄期条件下，同样的胶土比，CFAS-2 试件相较CFAS-1试件，强度随粉煤灰的掺量提高而增长；同样的渣粉比，CFAS-3 试件相较CFAS-2试件，强度随胶土比增加而下降。说明对稳定土的加固作用，不光取决于粉煤灰掺入的比例，也与胶土比密切相关。胶土比的变化改变了混合料间颗粒分布状态，选取合适的胶土比能够有效减少混合料间空隙而不致胶结料出现结团现象，从本次试验来看，20%的胶土比相对30%的胶土比来说对强度形成更有利。进一步分析可知，CFAS和CS试件在初期养生龄期(7 d，14 d，28 d)条件下，试件的强度构成仍然以电石渣与土颗粒间的离子交换絮凝和碳化结晶作用为主，粉煤灰的加入提高了反应初始活化能，但是火山灰作用尚不明显，所以同样类型的试件随掺量变化差别不大，渣粉比的变化对于CFAS试件初期强度的影响效果相对不明显，后期随着火山灰反应充分进行，到28 d养生龄期之后，同类型试件强度随掺量变化开始出现较大差别。

2.2 冻融循环试验结果分析

为了探讨粉煤灰掺入对电石渣稳定土冻融循环的影响，分别测定CS和CFAS试件在1、3、5次冻融循环作用下的无侧限抗压强度和质量变化，试验结果如图3所示。

图3 CS和CFAS试件冻融循环作用下的残留强度比和质量变化率

从图3可知，28 d养生后CS和CFAS试件经过1次、3次和5次冻融循环后，其冻融质量损失在5%之内，但是CS试件在第5次冻融后质量损失接近标准试验中冻融循环停止的条件。随着冻融循环次数的增加，CS和CFAS试件冻融残留强度比BDR均呈现下降趋势，但降幅在缓慢减小。试件质量变化率呈现上升趋势。其中CS试件在相同冻融循环条件下残留强度比低于CFAS试件，冻融质量损失高于CFAS试件。

在经历冻融循环作用后，试件的无侧限抗压强度发生下降，这是因为试验土质为陕北黄土质，其工程粘聚性较弱，当饱水试件处于-18 ℃条件下，试件内空隙水分迅速结冰而产生体积膨胀应力，从而试件土颗粒被迫发生错动并在薄弱处出现微裂纹，破坏稳定土内部结构[23-24]，此时将试件置于20 ℃温水中，试件内部空隙处冰晶融化，更多的水分填充空隙和微裂纹内，如此反复循环，试件处于类疲劳状态，微裂纹在膨胀应力作用下不断扩张，最终试件在薄弱区出现破损和剥落，进而导致其强度出现下降。但随着冻融循环次数的增加，较多的微裂纹形成错通，为试件内水分的结晶提供了足够的扩展空间，弱化了随后的单次冻融循环对于试件强度的衰减效果，使得孔隙分布发生改变，微孔隙逐渐变为中孔隙，孔隙大小与孔隙密度都有所增大[25-26]，则导致图3中显示的残留强度不断衰减和质量损失率的不断增大。

对比图4，可以看出CS试件在经过5次冻融循环后，其试件整体存在轻微破损和剥落，试件表面和两端均密布微裂纹和较小裂缝；而经5次冻融循环后的CFAS试件，除顶面边角薄弱区有些许土料剥落外，试件整体上相对于CS试件完整性较好，这主要是由于CFAS试件经过28 d标准养生后，其试件外侧面已经完全被碳酸钙外壳包裹，粉煤灰的掺入大大增强了电石渣稳定土内部的火山灰反应进程，生成的C-S-H晶体有效填充试件内部部分空隙[27]。因此，当试件处于浸水环境时，试件内部空隙吸水量较少，如此试件处于冰冻状态时，由于水分结晶产生的膨胀应力相对于CS试件较小，试件内部空隙扩张量亦较小，经过如此反复冻融循环作用，CFAS试件强度虽会出现衰减，但衰减率低于CS试件冻融循环衰减率。

(a)CS试件

2.3 干湿循环试验结果分析

为了探究粉煤灰的掺入对电石渣稳定土干湿循环的影响，分别测定CS和CFAS试件在1、3、5次干湿循环作用下的无侧限抗压强度和吸水量，试验结果如图5、图6所示。

图5 不同干湿循环次数下CS和CFAS试件软化系数

图6 不同干湿循环次数下CS和CFAS试件强度损失率和吸水量

综合图5、图6可知，试验试件软化系数均大于1，强度损失率指标为负值且随干湿随循环次数增加而逐渐减小，说明28 d养生龄期下的CS和CFAS试件在经历1、3、5次干湿循环后强度增长并未受到阻碍，CS和CFAS试件在干湿循环作用下强度衰减量低于强度随龄期增加量。分析图6中试件吸水量曲线，发现随着干湿循环次数的增加，试件吸水量逐渐趋于平稳。对比CS试件和CFAS试件来看，随干湿循环次数的增加，CFAS试件的强度损失率和吸水量都明显小于CS试件，说明粉煤灰的掺入对于电石渣稳定土干湿循环性能有较好的提升效果。

试件进行干湿循环时，稳定土内部土颗粒会产生干缩与湿胀变形，当缩胀应力超过混合料颗粒间连接结构强度时，稳定土颗粒薄弱连接处便会产生应力集中，进而在试件内部形成微观裂纹和连通空隙，宏观上表现为试件吸水量增加，强度和强度增长速率衰减。同时随着循环次数的增加，土中孔隙分布情况发生变化，大孔隙减少，小孔隙增多，但是土体的平均孔隙直径减小，面孔隙度呈减小趋势，颗粒的定向性逐渐消失，颗粒排列趋于平衡[26]，内部扩充空隙足以缓冲缩胀应力引起的变形，同时随着时间的延长，混合料结构强度不断提升，干湿循环对于试件造成的影响逐渐减弱，吸水量逐渐趋于平稳。CFAS试件经受干湿循环时，主要是粉煤灰的掺入加快了混合料强度形成进程，反应生成C-S-H凝胶有效填充颗粒空隙，导致CFAS试件在经历干湿循环过程中吸水量较CS试件低，试件经受的环境变化应力相对减小，同时，火山灰反应生成的钙矾石(Aft)和电石渣粉煤灰协同反应促进的碳酸钙晶体[29]有效联结各颗粒部分，使得CFAS在抵抗干湿循环的能力较CS试件优异。

同时发现干湿循环下吸水量的变化趋势与冻融循环质量变化率变化趋势方向相反，CFAS-1、CFAS-3、CFAS-2冻融循环质量损失逐渐增大，而干湿循环吸水量逐渐减小，CS-1、CS-2、CS-3大致上也符合类似规律。这可能是因为由于干湿循环吸水量和冻融循环质量损失都与土体的孔隙大小与其分布密切相关，尤其是大中孔隙的分布，大中孔隙越大，则吸水量越大，而大中孔隙一定程度上可以容纳冰晶的冰结融化空间，有效减缓冻融循环损失，故而冻融质量损失小。