粉煤灰在公路工程施工中的應(yīng)用

1、粉煤灰在公路工程施工中的應(yīng)用字號  小  中  大 關(guān)鍵字：粉煤灰 推薦人：kiii閱讀： 43次 發(fā)布時間：2008-10-12粉煤灰作為一種電廠的燃料廢渣，過去是很多企業(yè)頭疼和難辦的一件事，大量的粉煤灰需要占用大面積的土地進行堆放，粉煤灰的粉塵造成周邊環(huán)境被嚴(yán)重污染，隨著各行各業(yè)對粉煤灰的開發(fā)和利用，特別是近幾年全國高速公路的迅猛發(fā)展，粉煤灰的利用率越來越高，使粉煤灰“變廢為寶”，粉煤灰在各項工程中的利用，不但使工程造價大大降低，而在節(jié)約土地、環(huán)境保護方面的意義將是非常深遠的。    1、粉煤灰材料&

2、#160;   1.1粉煤灰的化學(xué)成分    粉煤灰屬于CaO、Al2O3-SiO2系統(tǒng)。由于煤粉高溫燃燒，其中主要成分鋁、硅形成了活性成分，同時由于粉煤灰的比表面積很大，具有很大的表面能，且粉煤灰的密度小，這就是我們將其在公路中利用的基礎(chǔ)。為了較全面地掌握粉煤灰的化學(xué)性質(zhì)，我們將近幾年利用粉煤灰的調(diào)查情況作如下統(tǒng)計：    由1可見，以上粉煤灰的化學(xué)成分的變化范圍基本上與我國發(fā)電廠的粉煤灰化學(xué)成分一般變化范圍一致。其化學(xué)成分以Al2O3和SiO2為主，次要成分為CaO和Fe2O3以及少量的MgO和SO3等。

3、60;   1.2粉煤灰的物理性質(zhì)    粉煤灰其比重在1.952.36之間，松干密度在450700kg/m3范圍內(nèi)，比表面積在220588m2/kg之間。由于粉煤灰的多孔結(jié)構(gòu)、球形粒徑的特性，在松散狀態(tài)下具有良好的滲透性，其滲透系數(shù)比粘性土的滲透系數(shù)大數(shù)百倍。粉煤灰在外荷載作用下具有一定的壓縮性，同比粘性土其壓縮變形要小的多，例如某組試件，相同密實度（重型K=100%）的土與粉煤灰，土的壓縮系數(shù)10N20N=0.24Mpa-1,而粉煤灰的壓縮系數(shù)10N20N=0.15Mpa-1,土的壓縮系數(shù)比粉煤灰的壓縮系數(shù)大40%50%。粉煤灰的毛細現(xiàn)象十

4、分強烈，其毛細水的上升高度與壓實度有著密切關(guān)系。表2為粉煤灰的滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)、毛細水上升高度參考值。    2、粉煤灰研究成果    2.1粉煤灰的結(jié)構(gòu)決定其活性特征    我們知道粉煤灰是含有少量碳、晶體（石英、莫來石）和大量鋁硅酸鹽玻璃體的細粉狀工業(yè)廢渣。由于碳和晶體（石英、莫來石）在常溫下沒有活性，粉煤灰中也不含納米粒子（粒徑小于100nm），因此，粉煤灰的火山灰活性主要取決于玻璃體的化學(xué)活性，包括玻璃中可溶性SiO2、Al2O3的含量和玻璃網(wǎng)絡(luò)聚集體的解聚能力。  

5、0; 由于粉煤灰是在高溫流態(tài)化條件下快速形成，玻璃液相出現(xiàn)使之在表面張力的作用下收縮成球形液滴并相互粘結(jié)，則在快速冷卻過程中形成多孔玻璃體?？焖倮鋮s阻止了析晶，使大量粉煤灰粒子仍保持高溫液態(tài)玻璃相結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)表面外斷鍵很少，可溶性SiO2、Al2O3也少，因而粉煤灰的火山灰活性比成分相近的火山灰低。在粉煤灰玻璃體中，Na2O、CaO等堿金屬、堿土金屬氧化物少，SiO2、Al2O3含量高，由于脫堿作用，在玻璃體表面形成富SiO2和富SiO2-Al2O3的雙層玻璃保護層。保護層的阻礙作用，使顆粒內(nèi)部本來含量較少的，可溶性SiO2、Al2O3很難溶出，活性難以發(fā)揮。  

6、0; 所以，粉煤灰早期活性是以物理活性（顆粒效應(yīng)、微集料效應(yīng)等）為主。經(jīng)過3個月或更長時間，粉煤灰的火山灰化學(xué)活性才能逐漸表現(xiàn)出來，并賦予其良好的性能（后期強度高、抗?jié)B性能好、耐磨等）。    為了有效地激活粉煤灰早期化學(xué)活性，必須：A、破壞Si-O-Si和Si-O-Al網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成雙層保護層，使內(nèi)部可溶性SiO2、Al2O3的活性釋放。B、將網(wǎng)絡(luò)聚集體解聚、瓦解，使SiO4、Al  O4四面體形成的三維連續(xù)的高聚合度網(wǎng)絡(luò)解聚成四面體短鏈，進一步解聚成SiO4、Al  O4等單體或雙聚體等活性物，為下一步反應(yīng)生成C-S-H、C-A-H等膠凝物提供活

7、化分子。    2.2激活粉煤灰活性的主要方法 2.2.1細磨法    常見的細磨方法主要是機械細磨。通過細磨可將粗的粉煤灰顆粒磨成細小的碎粒。一方面粉碎粗大多孔的玻璃體，解除玻璃顆粒粘結(jié)，改善了表面特性，提高了粉煤灰的物理活性（顆粒效應(yīng)、微集料效應(yīng)等）；另一方面，破壞了玻璃體表面堅固的保護膜，使內(nèi)部可溶性SiO2、Al2O3溶出，斷鏈增多，比表面積增大，使反應(yīng)接觸面、活化分子增加，粉煤灰早期化學(xué)活性得到提高。根據(jù)生產(chǎn)和使用經(jīng)驗，粉煤灰的最佳細磨比表面積為60007000cm2/g。    2.2.2水熱

8、合成法    人們從許多有關(guān)玻璃侵蝕動力學(xué)的研究中發(fā)現(xiàn)，在50150間，堿液對玻璃侵蝕速度的對數(shù)與溫度成直線關(guān)系。如：粉煤灰加氣混凝土在蒸壓條件下（120145，4小時左右）的強度遠遠高于普通條件下的混凝土強度，這是因為在蒸壓條件下，粉煤灰在常溫下需要幾年才能激發(fā)的活性可在幾個小時內(nèi)全部激發(fā)出來。由此可知：水熱合成法激發(fā)粉煤灰化學(xué)活性的效果非常顯著，具有重要的實用價值。    2.2.3堿性激發(fā)法    在常溫下，水、酸、堿和鹽等物質(zhì)，只有堿對硅酸鹽玻璃網(wǎng)絡(luò)具有直接的破壞作用，所以堿溶液具有最強的作用，即

9、堿性激發(fā)。堿性越強，PH值越高，溫度越高，堿性激發(fā)作用越強。    例如：在粉煤灰中摻入硫酸鈉（  Na2SO4）或氯化鈣（CaCl2）能顯著提高粉煤灰的活性。用80%粉煤灰與20%消石灰混合料，按0.35水灰比配制標(biāo)準(zhǔn)稠度的漿液，將激發(fā)劑按4%摻量先溶于拌和水中，然后與粉煤灰石灰混合料混合5分鐘，在23霧室中養(yǎng)護至一定強度。從凝結(jié)時間看，不摻激發(fā)劑的粉煤灰石灰混合料凝結(jié)時間長，雖然兩者在初凝未有明顯差別，但終凝時間由60小時縮短至26小時；從強度看，不摻激發(fā)劑的粉煤灰石灰混合料3天未具備可實測的強度，R28=1Mpa，  R90=13Mpa。

10、摻Na2SO4粉煤灰石灰混合料1天未具備可實測的強度，R7=10Mpa，R28=19Mpa。摻CaCl2粉煤灰石灰混合料1天未具備可實測的強度，R7=3Mpa，R28=23Mpa。可以看出，摻激發(fā)劑的粉煤灰石灰混合料不管是早期強度還是后期強度都明顯高于不摻激發(fā)劑的粉煤灰石灰混合料強度。    3、粉煤灰應(yīng)用    隨著粉煤灰的研究和開發(fā)，粉煤灰在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。在觀念上從以前的廢渣利用到現(xiàn)在的資源開發(fā)、利用，使粉煤灰的應(yīng)用性質(zhì)有了質(zhì)的變化。    3.1粉煤灰路堤  

11、60; 在公路中利用粉煤灰最為廣泛的是粉煤灰路堤，尤其是在軟土地基路段，能充分利用粉煤灰質(zhì)量輕的特點，減輕路堤自重、減輕軟土地基的附加應(yīng)力，減少總沉降并大路堤的穩(wěn)定性。    3.1.1材料要求    粉煤灰的燒失量不得大于12%，燒失量超過標(biāo)準(zhǔn)的粉煤灰應(yīng)作對比試驗，分析論證后方可采用。    粉煤灰的粒徑應(yīng)在0.0012.0mm之間，小于0.074mm的顆粒含量應(yīng)大于45%。    3.1.2室內(nèi)試驗    粉煤灰路堤施工前應(yīng)對所采用的粉煤灰做

12、好各項室內(nèi)試驗。    室內(nèi)試驗的項目詳見公路粉煤灰路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范（JTJ01693）中表2.2.4。    通過室內(nèi)試驗確定各項技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計參數(shù)，并對粉煤灰路堤進行驗算。    3.1.3路堤橫斷面    路堤橫斷面詳見下圖：    為提高粘土邊坡保護層與粉煤灰邊坡的穩(wěn)定性，應(yīng)將相接面筑成30×50cm的臺階狀，并把臺階做成2%的反拱。保護層厚度不小于2.0m。    在路槽標(biāo)高以下設(shè)置不小于3

13、0cm的二灰封層。3.1.4排水    為及時排除滲入路基內(nèi)的滲水，路基底部設(shè)置30cm的砂墊層，在砂墊層上全幅鋪設(shè)一層透水土工布，以防粉煤灰流失。在粘土保護層中設(shè)置30×50cm的盲溝，設(shè)置水平間距10m，垂直間距0.9m，呈梅花形交叉布置，在盲溝進口處應(yīng)采用透水土工布包裹，以防粉煤灰流失。    3.1.5穩(wěn)定驗算及沉降計算    通過多條公路粉煤灰路堤的設(shè)計和施工，對于非軟弱地基上的粉煤灰路堤，當(dāng)路堤高度5.0m，邊坡坡率采用1:1.5時，可不作穩(wěn)定性驗算。當(dāng)路堤高度5.0m時，應(yīng)進行路堤

14、自身的穩(wěn)定性驗算，一般可采用直線或圓弧滑動面進行驗算，穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)1.25。    對于軟弱地基上的粉煤灰路堤，應(yīng)考慮路堤本身和地基共同的滑動破壞，對其進行邊坡穩(wěn)定和路堤的抗滑穩(wěn)定性驗算。驗算時粉煤灰的內(nèi)摩擦角和粘結(jié)強度C應(yīng)采用飽水后測定的C、值為準(zhǔn)，抗滑安全系數(shù)1.25。    由于干粉煤灰沒有塑性而是離散狀的，其內(nèi)聚力是由毛細水張力形成，是一種“假內(nèi)聚力”。建議粉煤灰路堤穩(wěn)定計算取值參數(shù)：粉煤灰容重采用壓實后的濕容重15kN/m3、C值取10kPa、值取28°。    對于軟弱地基上的粉煤灰路

15、堤，應(yīng)進行沉降量計算，計算方法采用總和法計算主固結(jié)沉降，地基的總沉降量包括三部分：S=Sd+Sc+Ss，Sd瞬時沉降，Sc-主固結(jié)沉降，Ss次固結(jié)沉降。采用綜合修正系數(shù)對瞬時沉降和蠕變沉降進行綜合考慮和修正，計算最終沉降量，S=mSc，m的取值范圍為1.11.4。    3.1.6壓實標(biāo)準(zhǔn)    路堤的壓實對路堤的強度和穩(wěn)定性影響很大，我們知道粉煤灰與土的工程特性有顯著差別，其滲透性比粘土大的多。通過對粉煤灰擊實實驗表明，在粉煤灰達到最佳含水量前，擊實含水量的變化對于最佳含水量影響較小，粉煤灰具有擊實含水量區(qū)域較寬（W=30%50%）

16、的特性，因此允許在較大含水量變化范圍內(nèi)對其進行壓實，甚至可以在雨天進行施工。    粉煤灰的各項物理、力學(xué)指標(biāo)采用重型壓實標(biāo)準(zhǔn)比輕型壓實標(biāo)準(zhǔn)有明顯的提高，有利于提高路基強度。通過試驗工程效果表明，采用大噸位（20t50t）的振動壓路機進行壓實作業(yè)，路基的壓實效果相當(dāng)明顯，而采用較輕的光輪靜碾壓路機壓實效果較差。所以，高速公路和一級公路應(yīng)采用重型壓實標(biāo)準(zhǔn)。    表3為各等級公路粉煤灰路堤壓實標(biāo)準(zhǔn)    3.1.7粉煤灰路堤施工    好的設(shè)計必須通過好的施工來實現(xiàn)，所以在施工

17、中必須控制好每一個環(huán)節(jié)。粉煤灰運輸應(yīng)采用自卸汽車，堆放時對顆粒組成不同的粉煤灰應(yīng)分別堆放，對于運輸和堆放應(yīng)做好防止揚塵和流失污染措施；粉煤灰路堤應(yīng)采用水平分層填筑法施工，當(dāng)分成不同作業(yè)段填筑時，先填地段應(yīng)分層留臺階，使每個壓實層相互重疊搭接，搭接長度應(yīng)大于150cm。當(dāng)采用中型（20t30t）振動壓路機時，每層壓實厚度20cm；當(dāng)采用重型（40t50t）振動壓路機時，每層壓實厚度30cm。粉煤灰路堤壓實應(yīng)遵循先輕后重的原則，壓實度應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計要求執(zhí)行。    3.2粉煤灰類基層    粉煤灰類基層的主要類型：石灰粉煤灰穩(wěn)定細粒土（含砂

18、）、中粒土和粗粒土，具體可分為：石灰粉煤灰穩(wěn)定土（二灰土）、石灰粉煤灰穩(wěn)定砂礫（二灰砂礫）、石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石（二灰碎石）、石灰粉煤灰穩(wěn)定礦渣（二灰礦渣）、石灰粉煤灰（二灰）等。粉煤灰類基層屬于半剛性結(jié)構(gòu)，具有強度高、穩(wěn)定性好、剛度大和一定的抗凍性等特點，尤其是其抗裂縫性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石，在公路建設(shè)中被廣泛采用。    3.2.1材料要求    粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3的總含量應(yīng)70%，粉煤灰的燒失量應(yīng)20%；粉煤灰的比表面積應(yīng)2500cm2/g（或90%通過0.3mm篩孔，70%通過0.075mm篩孔）。對于濕粉煤

19、灰其含水量應(yīng)35%，含水量過大時，粉煤灰易凝聚成團，造成拌和困難。    3.2.2石灰粉煤灰混合料組成設(shè)計    石灰粉煤灰混合料首先應(yīng)進行組成設(shè)計，通過試驗選擇最適宜的穩(wěn)定土類，確定石灰與粉煤灰的比例，確定混合料最佳組成配合比，確定混合料最佳含水量。表4為石灰粉煤灰混合料7d浸水抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)。    根據(jù)石灰粉煤灰混合料抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)，選定混合料的配合比，并對此配合比混合料試件進行室內(nèi)試驗取得平均抗壓強度R。R應(yīng)滿足：    RRd/(1-ZaCv)  

20、  式中：Rd設(shè)計抗壓強度    Cv試驗結(jié)果的偏差系數(shù)    Za標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表中隨保證率（或置信度）而變的系數(shù)，高速公路和一級公路應(yīng)取保證率95%，即Za=1.645；其他公路應(yīng)取保證率90%，即Za=1.282。    采用二灰土做基層或底基層時，石灰和粉煤灰的比例可采用1:21:4，石灰粉煤灰與細粒土的比例可采用30:7090:10，石灰粉煤灰與集料的比例可采用20:8015:85。    石灰粉煤灰與粒料為20:8015:85時，稱為密實式二灰粒料，在混合

21、料中粒料間形成骨架，石灰粉煤灰能有效地起到填充孔隙和膠結(jié)的作用，大大減少了整體材料的孔隙率、比表面積和含水量，從而較大幅度地降低了材料的收縮性，減少了干縮裂縫；石灰粉煤灰與粒料為50:50左右時，稱為懸浮式二灰粒料，在混合料中粒料間形不成骨架，而是懸浮在石灰粉煤灰混合料中，使其收縮性，容易生產(chǎn)干縮裂縫。通過多條高速公路的實踐證明，懸浮式二灰粒料的最大干縮應(yīng)變約為密實式二灰粒料的3倍以上，在同等條件下懸浮式二灰粒料基層上瀝青面層的裂縫比密實式二灰粒料基層上瀝青面層的裂縫多很多，懸浮式二灰粒料的抗沖刷性能遠不如密實式二灰粒料。因此，在高速公路和一級公路基層中應(yīng)采用密實式二灰粒料，保證其粒料含量80

22、%。    3.2.3提高石灰粉煤灰混合料早期強度的措施石灰粉煤灰混合料的固有缺點是早期強度低，基層鋪筑后不能及時開放交通，在一定程度上影響了石灰粉煤灰混合料的應(yīng)用。因此，對于如何提高石灰粉煤灰混合料的早期強度是很有必要的。    摻加化學(xué)添加劑    采用堿性激發(fā)法激活粉煤灰的活性，加速石灰粉煤灰混合料強度的形成，從而提高石灰粉煤灰混合料的早期強度。    摻加水泥    水泥水化與硬凝反應(yīng)迅速，能很快地產(chǎn)生水硬性膠結(jié)物，因此摻加水泥對提高石灰

23、粉煤灰混合料的早期強度很有幫助，水泥摻入量的范圍一般為0.5%1.5%，隨著水泥劑量的提高，強度增強效果增大。    3.2.3石灰粉煤灰混合料的施工    石灰粉煤灰混合料的施工主要分：路拌法施工和中心站集中廠拌法施工。對于高速公路和一級公路應(yīng)采用中心站集中廠拌法施工。    施工需要注意的要點：嚴(yán)格控制混合料的施工配合比及含水量；混合料必須拌和充分、均勻；分層攤鋪碾壓，混合料應(yīng)當(dāng)天拌和、當(dāng)天攤鋪、當(dāng)天碾壓，壓實度滿足設(shè)計要求；保證足夠的養(yǎng)生期。    3.3CFG樁

24、60;   CFG樁-水泥粉煤灰碎石樁，是由水泥、碎石、石屑和粉煤灰加水拌合而成。CFG樁具有較高的粘結(jié)強度，和樁間土一起通過褥墊層形成CFG樁復(fù)合地基，能有效地提高地基強度，減少地基的沉降量，作為軟弱地基的處理是一種行之有效的方法。    3.3.1  CFG樁復(fù)合地基的工程特性    CFG樁的適用范圍    CFG樁的長度可從幾米到二十多米，既適用于獨立基礎(chǔ)也適用于條形基礎(chǔ)。在公路地基處理中，既可用于構(gòu)筑物地基的加固處理，又可用于路基地基的加固處理。CFG樁對于軟弱地基強度的提高既有擠密作用，又有置換作用，同時CFG樁具有一定的滲透性（其滲透系數(shù)一般為10-410-3cm/s）對樁周土體起到排水固結(jié)的作用。對于飽和軟粘土強度的提高主要取決于樁的置換作用。    CFG樁的主要設(shè)計參數(shù)    樁徑D：一般設(shè)計為350400mm，采用振動沉管施工時，通常