粉煤灰和电石渣稳定黄土的路用性能研究

仝 佳 邬培荣 方 斌 李燕军

（山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619）

1 引言

粉煤灰是火力发电厂烧煤的副产品。它不仅是排放量较大的工业固体废弃物，而且未利用的粉煤灰常采用堆存方式处理，占用大量土地的同时，对周边环境也造成较大的污染。粉煤灰常用作改良材料，与其他改良材料相比，粉煤灰具有价格低、自重轻、强度高、比表面积大、吸水性强等特点，用于改良黄土效果良好。

电石渣是电石水解制备乙炔气后所产生的工业废弃物。生产企业处置电石渣通常采用传统的堆存或填埋方法。电石渣碱性大，长期堆放加重了周边土质和水环境的盐碱化。为了提高电石渣的资源化再利用，许多学者将电石渣用作凝胶材料，进行了电石渣改良软土、过湿黏土、盐渍土、膨胀土、花岗岩残积土等土质的研究。电石渣改良土应用的基本机理是利用电石渣的强碱性，通过改良土内的离子交换和火山灰反应等，达到改善土体工程性质的目的。众多学者的研究包括不同掺量、固化时间长短、含水量等对强度、改良土体液塑限等的影响，得出电石渣具有与消石灰一样稳定土的作用。目前，国内专家学者已经对粉煤灰、电石渣用作稳定建筑材料的可能性进行了深入研究。通过室内外的测试证明，粉煤灰、电石渣对稳定土的路用特性影响良好。

本文调研了山西省的粉煤灰、电石渣使用现状，并对粉煤灰和电石渣稳定土用于道路的性能进行了相应的室内试验研究，由此确定出最佳的电石渣、粉煤灰掺量，以及粉煤灰和电石渣稳定土的搭配比例，为电石渣和粉煤灰等稳定物质进行基础施工提供了一些参照数据。

2 原材料性能试验

试样所用原材料为黄土、粉煤灰、电石渣。试验黄土样来源于山西省G108 工程项目，基本物理性能见表1。试验所用电石渣是某企业的工业废弃物，其基本物理性能见表2。粉煤灰选用某工厂生产的工业废渣，其主要物理性能见表3。

表1 土样的基本物理性能

表2 电石渣的基本物理性能

表3 粉煤灰的基本物理性能

3 试验设计

本试验参考《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034-2000）中石灰工业废渣稳定土混合料设计流程，设计完成试验。首先，制备粉煤灰电石渣结合料，其中粉煤灰与电石渣质量之比为10∶90、20∶80、30∶70、40∶60、50∶50、60∶40、70∶30、80∶20 和90∶10；通过测定相同龄期范围、相同压实度试品的7d 和28d 无侧限抗压强度性能，以便制定出最终的粉煤灰、电石渣掺配比值；再进行对比测试，并设计电石渣掺量比为2%、4%、6%、8%、10%和12%，然后按照最佳的电粉配比掺入粉煤灰，制备粉煤灰和电石渣稳定黄土；最后通过无侧限抗压性能测试、抗压回弹模量测试试验，确定出了粉煤灰和电石渣稳定黄土的最佳配合比。

4 电石渣与粉煤灰掺配比例的确定

4.1 粉煤灰和电石渣混合料的击实试验

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中T 0804-1994 无机结合料稳定材料击实试验方法规定，对粉煤灰和电石渣混合料进行击实试验，以便设定最佳含水量和最大干密度。粉煤灰和电石渣混合料的击实试验结果如图1 所示。

图1 粉煤灰和电石渣结合料击实试验变化趋势

从图1 中可知，粉煤灰和电石渣混合料的最佳含水量随着粉煤灰掺量的增加而逐步降低，因为电石渣的主要成分为Ca（OH）2，粉煤灰的主要成分为Si02和A1203，而电石渣又与熟石灰的化学特性相同，在水中很容易电离水解为Ca2+和OH-，所以，电石渣和粉煤灰的综合利用很容易产生火山灰反应，可以在和Si、A1 等主要成分反应后得到大量的C-S-H 和C-A-H 结晶，而这些反应都必须耗费大量的水分。随着粉煤灰掺量的逐步增加，粉煤灰和电石渣混合料的最佳含水量逐步降低。粉煤灰和电石渣混合料的最大干密度随粉煤灰掺量的增加而呈现抛物线型变化趋势，主要是由于粉煤灰掺量的比表面积较小，而电石渣粒子内部的空隙又很大，所以，在粉煤灰掺量较低时，由于其内部粒子间的缝隙在击实作用下比较紧密，使干密度逐步加大；随着粉煤灰掺量的增加，电石渣掺量越来越少，粉煤灰和电石渣混合料内部空隙小，在击实作用下也越来越紧密，从而导致其干密度逐步降低。

4.2 粉煤灰和电石渣混合料无侧限抗压强度

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中T 0843-2009 和T 0845-2009 的成型试验与养护，时间分别为7d 和28d。在养护龄期前1d 进行浸水养护24h，在浸水完成后采用路面材料强度试验仪测定粉煤灰和电石渣混合料的无侧限抗压强度。试验结果表明，粉煤灰和电石渣混合材料的无侧限抗压强度呈抛物线形式，电石渣与粉煤灰按1∶4 比例掺配时，其无侧限抗压强度最高，7d 无侧限抗压强度为1.43MPa，28d 无侧限抗压强度为5.52MPa。

5 粉煤灰电石渣稳定土力学性能研究

5.1 强度机理

（1）粉煤灰电石渣表面硅铝薄层水泥的生成。粉煤灰与电石渣水拌和后，混合液中的Ca（OH）2迅速饱和，溶液呈碱性，水通过离子化与粉煤灰溶液相结合后，可电离出Si044-和H+，使粉煤灰在综合利用中表面上显阴性；Ca2+因引力效应而直接吸附于粉煤灰的表层，溶入K+、Na+，使粉煤灰的表层产生了硅铝薄层水泥。

（2）出现沉淀包裹层。薄层水泥出现后，在表面逐渐分解为Si044-和AlO2-，与周围的Ca2+相结合并沉积，构成了厚厚的沉淀包裹层。

（3）沉淀包裹层劈裂。当粉煤灰或电石渣的沉淀包裹层溶液中的任一分子物质浓度超过最外层物质含量后，沉淀包裹层就会出现迅速膨胀或逐渐劈裂现象，其分子之间的相互作用也将产生新的沉淀包裹层，而这个过程也是持续进行的。

（4）形成水化硅酸钙和铝酸钙。由于沉积覆盖层中分离浓度的提高，Ca2+被直接吸附于覆盖层面，并产生了C-A-H 和C-S-H 的沉积。

5.2 无侧限抗压强度试验

根据规范要求，使用路面材料抗拉强度试验机进行无侧限抗压强度测试。粉煤灰和电石渣稳定黄土中电石渣掺量最小，按电石渣掺量2%、4%、6%、8%、10%和12%，粉煤灰﹕电石渣掺量比为4∶1，设计粉煤灰和电石渣稳定黄土配合比，并分别进行无侧限抗压强度测定。试验结果如图2 所示。

图2 粉煤灰和电石渣稳定黄土无侧限抗压强度

从图2 中可知，粉煤灰和电石渣稳定黄土的无侧限抗压强度均呈现抛物线型变化趋势。粉煤灰、电石渣对土壤的改善作用尤为明显，在不同龄期下，粉煤灰和电石渣稳定黄土配合比为32∶8∶60 时，测得的无侧限抗压强度均最高，其中90d 的无侧限抗压强度最大为5.67MPa。粉煤灰、电石渣改良黄土效果明显，满足道路路用性能要求，粉煤灰和电石渣稳定黄土的最佳配合比为32∶8∶60。

5.3 回弹模量试验

道路的荷载—变形特性对道路结构的总体稳定性和刚度都具有重要作用。尽量选择耐变形性能较好的材料用作路基填料，是增强道路总体刚度和安全性的关键措施。而回弹模数则是一种表示道路材料的承载能力的重要参数，可以表征道路材料在瞬时压力作用下的可复变形性能。根据《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020），测定方法有杠杆压力仪法和强度仪法，分别测定配合比为32∶8∶60 的粉煤灰和电石渣稳定黄土、碎石含量高砾石土的回弹模量。试验结果表明，粉煤灰和电石渣稳定黄土的回弹模量明显高于砾石土的回弹模量，并有较强的耐变形性能。

6 粉煤灰和电石渣稳定黄土的施工工艺及压实质量检验方法

通过以上试验结果可以看出，粉煤灰电石渣稳定黄土性能好，是一种良好的道路建设材料，但在一般公路施工中却不多见。而在目前的道路建筑施工标准中，对粉煤灰和电石渣稳定黄土的具体施工工艺和检验方法规定较少。所以，为了保证该混合料路基施工产品质量，其施工技术和质量检验管理尤为重要。

6.1 施工工艺

（1）用大型机械对已运抵工地的粉煤灰和电石渣稳定黄土进行摊铺和推平，用平地机进行地面精平。

（2）摊铺厚度限制在30cm 以内，最大尺寸不得大于15cm。

（3）在碾压前，要采取措施保持表面均匀，其中混合材料的尖角部分要向下，以防止扎破压路机轮胎，同时适当用细材镶接。

（4）各试验区路段的碾压方法和碾压遍数如下：先用18t 静力压路机慢碾1 遍，使混合料的初压均匀，以防止震动压路机车轮的损坏。然后用震动压路机上挂强振慢碾4 遍、用震动压路机上不悬挂振动快碾1 遍，以去除轮迹。

6.2 质量检测方法

在道路施工中，测量道路密度的常见方式有：环刀工法、灌砂法、核子密度仪法。根据粉煤灰和电石渣稳定黄土的特性，在试验工程中通过下列方式综合测定了密度作为压实质量的控制准则。

（1）灌砂法：根据常规标准进行施工检测，测定湿料比重、含水率，确定施工压力后，根据实测最大干密度，测算压实度。

（2）预埋式施工铁筒法：在土石混合料中预埋一个长30cm、高30cm 的铁筒，随即进行混合料的铺筑。在碾压均匀后，再把铁筒刨下，并计算筒内料厚、含水率等。在确定实际密度后，按照最大的干密度计算压实度。

7 结语

综上所述，粉煤灰和电石渣稳定黄土是一种良好的道路施工材料，具有较高的回弹模量、较好的耐变形能力、较强的力学性能。在道路工程施工中，采用粉煤灰和电石渣稳定黄土，可提高道路路面结构的稳定性、抗变形能力，值得在道路工程施工中积极推广和使用。