用于公路路堤粉煤灰的特性研究

用于公路路堤粉煤灰的特性研究
【摘要】粉煤灰的固体残留物是生产燃煤电力的副产品，它们通常直接在建设项目中使用这种材料要消耗大量的原材料，如公路路堤施工，不仅提供了有前途的解决处理问题的办法，而且也是一种替代使用传统材料的经济替代。

具有代表性的粉煤灰，集中体现了在电厂中的力学性质的测试（压实、渗透、强度、刚度和压缩性）。

【关键词】粉煤灰；处理；混合物；公路路堤
0 引言
在美国，每年由燃煤电厂产生的煤灰超过1亿吨（Kalyoncu 1999；ACAA 2001），但大部分的飞灰（约总量的70%）通常是作为实用废物处理场地。

在建筑工程中有效利用煤灰需要大量的原材料，如公路路堤建设，提供了一个有吸引力的替代品，利用煤灰作为填料似乎是经济合理的。

目前，国外印第安纳运输部规定只许混合物飞灰的含量低于40%才能综合利用在公路建设中，但是希望使规定更加灵活。

本文的目的是评估在公路路堤建设中飞灰高含量的粉煤灰的混合物作为建设材料是否合适。

由Diamond和huang的研究评价了典型印第安纳飞粉煤灰的环境、物理及化学性质。

由于打算使用这些材料作为路堤施工材料，重点是要确定其力学性质，包括压实、渗透、强度、刚度和压缩。

1 测试方法
1.1 粉煤灰表征测试
1.1.1 颗粒分析
对粉煤灰、底灰和粉煤灰、底灰混合物进行颗粒分析。

粉煤灰的混合物的比重等于50%和75%。

从沃巴什河电厂获得的底灰样本包含很小的比例。

底灰样品进行第一次筛分，在进行测试之前排出了筛分的一部分，只有保留在第200个筛（0.075mm）才被用作底灰。

1.1.2 显微镜观察
粉煤灰、底灰样品由电子显微镜和光学显微镜进行分析扫描。

1.1.3 比重特性
粉煤灰和底灰的比重特性是用ASTM D854（2000）确定的。

为了防止移走比较低比重的粉煤灰颗粒，是由慢慢加热方法完成的。

1.2 粉煤灰的力学性质测试
对粉煤灰混合物进行标准压实、水力传导性、一维压缩和固结排水三轴试验。

准备混合时，粗颗粒在200筛分（0.075mm）后才能被用作底灰。

1.2.1 压实
现在执行的是ASTM D698（2000）的标准击实试验。

先用手慢慢拌匀大量的粉煤灰和底灰，然后用水逐渐喷洒，同时在砂浆搅拌机中继续搅拌。

样品然后在一个直径4英尺的模具内压缩。

1.2.2 渗透性
灰的混合物的水力传导系数的测定是用美国ASTM D5856描述的刚性壁压实模渗透测其下降水头来实现的。

每份灰混合物压缩从Proctor压缩试验的最大干密度压缩到压实度为95%（即一个相对压实度为95%）压缩的水分含量保持在最佳效果时的近似值。

1.2.3 一维压缩
一维压缩试验是在直径为72mm高度为55mm组合模具在最佳含水率压实度为R=95%进行的。

测试是由美国ASTM D2435所描述的正常固结试验程序。

压缩样品要进行仔细的修剪，放置在直径为64mm高度为25mm的环刀内。

试样要浸泡24小时之后才能压缩，然后逐渐加载到最大竖向压力160KPa为止。

1.2.4 固结排水三轴试验
对压实粉煤灰混合物样品进行固结排水三轴试验，为了评估混合率的效果，利用压实度和在应力应变的限制压力，灰的混合物的体积变化，两个层次的压实度（R=90%和R=95%），三级围压（50、100、200Kpa）。

用于这些测试的设备是一个内气压自动加载的自动三轴测试系统。

每个土样压缩在6个层次的击实筒，利用标准的击锤击实。

那个击实筒直径为72mm，高为163mm。

每层达到一定密度要求的打击次数是由每个混合物经过几次试验才能确定。

此前背压饱和度、由二氧化碳过滤的标本去水一小时后。

背压饱和度一直持续达到B数值超过0.95。

然后标本固结达到有效围压（50，100，200Kpa），允许时间范围为180分（压实度95%的低有效围压）到360分（压实度90%和高有效围压）。

三轴压缩（剪力）根据应变控制条，在每个浸泡的样本来实现的。

这需要大约7～9天直至破坏。

2 测试结果
2.1 级配
一般来说，粉煤灰级配良好，从淤泥砂颗粒到良好的细砂颗粒。

大多数颗粒分布在0.001mm到0.075mm。

级配曲线的形状表明随着底灰含量的增加，级配越来越好。

2.2 比重
比重数值介于2.35到2.79，表明了不同灰土来源的巨大差别。

分布范围的比重可归因于两个因素：1）化学组成。

2）粉煤灰空心颗粒或多孔或水泡纹理的底灰颗粒。

不同数量的粉煤灰空心颗粒会造成明显变化的比重。

显然，粉煤灰含有大量比例的空心颗粒，肯定比含有大部分固体颗粒比重低。

事实上，这两个影响粉煤灰比重的两个因素是息息相关的。

Guo等（1996）分别研究了空心和固体粉煤灰颗粒的化学成分。

孔隙颗粒也影响着底灰的具体比重。

2.3 压实行为
与压实土的最大干密度相比，灰的混合物的最大干密度数值往往低于土壤，范围通常是16KN/m3～21KN/m3。

2.4 渗透系数
渗透系数数值测值范围2×10-7m/s～1×10-8m/s，这表明了一系列类似的这些细纱/淤泥混合物或淤泥。

表面积较大的粉煤灰在水流通过空隙时造成更多的阻力。

Huang（1990）进行了一系列的渗透试验测试印第安纳底灰。

他指出底灰的细颗粒是影响渗透的主要，因此，随着细颗粒的增加渗透系数减小。

2.5 压缩
据Dry（1995）和Guo等（1996）的报告，粉煤灰空心颗粒具有较高的抗压强度，周围几个兆帕（MPa）。

因此看来，破碎的粉煤灰空心颗粒可能不是影响压缩的因素。

在相同压实度情况下，灰的混合物比砂稍微容易压缩。

2.6 剪力强度2.6.1 应力应变和体积状态
应力应变和体积状态通常非常典型发生在沙质土壤集中的国家。

增加偏应力，引起初始体积略有收缩，随后逐步增加体积扩张率。

当体积应力应变变化率
对轴向应变达到最大值时，会达到峰值强度。

在不断的压力体积变化偏应力随着降低率扩张而减小直至应力达到临界状态。

试样在R=90%时表现类似沙质土壤中松散的状态。

在增加轴向应变，偏应力逐渐则达到峰值，然后保持不变。

体积变化在整个剪切中收缩。

随着围压从50Kpa增加到200Kpa，扩张逐渐下降。

当围压等于200Kpa时，体积状态变得突出。

2.6.2 峰值摩擦角和临界状态摩擦角
粉煤灰材料一般来说是摩擦性材料，破坏时的摩擦角是利用零应力状态莫尔—库伦破坏准则，在破坏状态下来表达出（下转第245页）（上接第285页）来的公式
sin？渍■■=■■
其中sin？渍■■是有效主要应力比值或斜应力。

膨胀状态，峰值摩擦角与最大膨胀率息息相关，通常发生在相对比较小的应力上。

为了理想收缩状态，峰值摩擦角恰好达到发生在大的应力上的临界摩擦角。

因此，峰值摩擦角可以简单总结为两部分：一是，由于膨胀作用，随剪应力变化（或在三轴试验中的轴向应变），另一部分是由于极限状态摩擦角。

发现灰混合物的峰值摩擦角与相对压实度、围压、粉煤灰含量有关。

3 结论
基于本研究成果，如果遵守适当的设计和施工工序，高掺量粉煤灰的混合物适用于高速公路路堤，使用前，此材料必须通过由国家监管机构规定的环境要求。

如果环境要求满足，粉煤灰底灰混合物可以提供与大多数土通常用作填充材料的强度和压缩比，同时具经济效益大的特点。

【参考文献】
[1]Diamond，S.（1985）“Selection and use of fly ash for highway concrete.”Report No. FHWA/IN/JHRP-85/8，Final Report，Purdue Univ.，fayette，Ind[S].
[2]Huang，H. W. ～1990！. “The use of bottom ash in highway embankments，subgrade，and subbases.” Joint Highway Research Project，Final Report，FHWA/IN/JHRP-90/4，Purdue Univ.，W. Lafayette，Ind[S].
[3]American Society for Testing and Materials（ASTM 2000）.“Standardtest methods for specific gravity of soil solids by water pycnometer.”Designation D854-00，Philadelphia[S].
[4]Dry，C. M. （1995）. “The potential use of waste（ash）materials for EIFSinsulation and related components.” Development，Use，and Performanceof Exterior Insulation and Finish Systems（EIFS），ASTM STP 1187，Mark F. Williams and Richard G. Lampo，eds.，ASTM，Philadelphia[S].
[5]Guo，R. Q.，Rohatgi，P. K.，and Nath，D. （1996）. “Compacting characteristicsof aluminium-fly ash power mixtures.” J. Mater. Sci. 31，5513-5519[S].
[6]American Society for Testing and Materials（ASTM 2000）. “Standardtest methods for laboratory compaction characteristics of soil using standard effort.” Designation D698-00a，Philadelphia[S].。