淺談粉煤灰的特性及其在公路建設(shè)中的應(yīng)用

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【摘 要】文章簡(jiǎn)要介紹粉煤灰的特性和其在公路路堤、粉煤灰類基層、水泥粉煤灰碎石樁等公路建設(shè)領(lǐng)域方面的廣泛應(yīng)用，粉煤灰的利用既解決了環(huán)境污染問題，又使工程造價(jià)大大降低。
【關(guān)鍵詞】粉煤灰；公路路堤；粉煤灰類基層； CFG樁
【作者簡(jiǎn)介】王峰（1973－），男，山東魚臺(tái)人，山東省曲阜公路局副局長(zhǎng)，工程師，大學(xué)本科學(xué)士學(xué)位，主要從事公路工程與養(yǎng)護(hù)管理。
一、前言
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(jìn)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(duì)粉煤灰的開發(fā)和利用，特別是近幾年全國(guó)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(xiàng)工程中的利用，不但使工程造價(jià)大大降低，而在節(jié)約土地、環(huán)境保護(hù)方面的意義更是非常深遠(yuǎn)的。
二、粉煤灰材料的特性
（一）、粉煤灰的化學(xué)特性
粉煤灰屬于CaO、Al2O3-SiO2系統(tǒng)，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。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(shí)由于粉煤灰的比表面積較大，具有很大的表面能，且粉煤灰的密度小，這就是其在公路中利用的基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)。
（二）、粉煤灰的物理特性
粉煤灰松干密度在445~680kg/m3范圍內(nèi)，比表面積在221~586㎡/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。試驗(yàn)表明：相同密實(shí)度（重型K=100%）的土與粉煤灰，土的壓縮系數(shù)α10N~20N=0.25Mpa-1,而粉煤灰的壓縮系數(shù)α10N~20N=0.15Mpa-1,土的壓縮系數(shù)比粉煤灰的壓縮系數(shù)大45%~55%。粉煤灰的毛細(xì)現(xiàn)象十分強(qiáng)烈，其毛細(xì)水的上升高度與壓實(shí)度有著密切關(guān)系。
三、粉煤灰在公路工程中的廣泛應(yīng)用
（一）、粉煤灰在公路路堤上的應(yīng)用
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(diǎn)，減輕路堤自重、減輕軟土地基的附加應(yīng)力，從而減少總沉降并提高路堤的穩(wěn)定性。
1、粉煤灰材料的要求
粉煤灰不應(yīng)含團(tuán)塊、腐殖質(zhì)及其它雜質(zhì)。其燒失量不得大于12%，粉煤灰的粒徑在0.001～2.0mm之間，小于0.074mm的顆粒含量應(yīng)大于45%。
2、室內(nèi)試驗(yàn)
粉煤灰路堤施工前應(yīng)對(duì)所采用的粉煤灰做好各項(xiàng)室內(nèi)試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)的項(xiàng)目詳見《公路粉煤灰路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(TJ016—93)中表2.2.4。通過室內(nèi)試驗(yàn)確定各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)粉煤灰路堤進(jìn)行驗(yàn)算。
3、路堤橫斷面要求
為提高粘土邊坡保護(hù)層與粉煤灰邊坡的穩(wěn)定性，應(yīng)將相接面筑成30×50cm的臺(tái)階狀，并把臺(tái)階做成≥2%的反拱。粘土保護(hù)層厚度不小于2.0m。在路槽標(biāo)高以下設(shè)置不小于30cm的二灰封層。
4、排水
為及時(shí)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(hù)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(jìn)口處應(yīng)采用透水土工布包裹，以防粉煤灰流失。
5、穩(wěn)定驗(yàn)算及沉降計(jì)算
通過多條公路粉煤灰路堤的設(shè)計(jì)和施工，對(duì)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(shí)，可不作穩(wěn)定性驗(yàn)算。當(dāng)路堤高度＞5.0m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行路堤自身的穩(wěn)定性驗(yàn)算，一般可采用直線或圓弧滑動(dòng)面進(jìn)行驗(yàn)算，穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)≥1.25。對(duì)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(dòng)破壞，對(duì)其進(jìn)行邊坡穩(wěn)定和路堤的抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算。驗(yàn)算時(shí)粉煤灰的內(nèi)摩擦角φ和粘結(jié)強(qiáng)度C應(yīng)采用飽水后測(cè)定的C、φ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(xì)水張力形成，是一種“假內(nèi)聚力”。建議粉煤灰路堤穩(wěn)定計(jì)算取值參數(shù)：粉煤灰容重采用壓實(shí)后的濕容重15kN/m3、C值取10kPa、φ值取28°。對(duì)于軟弱地基上的粉煤灰路堤，應(yīng)進(jìn)行沉降量計(jì)算，計(jì)算方法采用總和法計(jì)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(shí)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(duì)瞬時(shí)沉降和蠕變沉降進(jìn)行綜合考慮和修正，計(jì)算最終沉降量，S=mSc，m的取值范圍為1.1～1.4。
6、壓實(shí)要求
路堤的壓實(shí)對(duì)路堤的強(qiáng)度和穩(wěn)定性影響很大。眾所周知：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(duì)粉煤灰擊實(shí)實(shí)驗(yàn)表明，在粉煤灰達(dá)到最佳含水量前，擊實(shí)含水量的變化對(duì)于最佳含水量影響較小，粉煤灰具有擊實(shí)含水量區(qū)域較寬（W=30%~50%）的特性，因此允許在較大含水量變化范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)，甚至可以在雨天進(jìn)行施工。
粉煤灰的各項(xiàng)物理、力學(xué)指標(biāo)采用重型壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)比輕型壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)有明顯的提高，有利于提高路基強(qiáng)度。通過試驗(yàn)工程效果表明，采用大噸位（20t~50t）的振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)，路基的壓實(shí)效果相當(dāng)明顯，而采用較輕的光輪靜碾壓路機(jī)壓實(shí)效果較差。所以，高速公路和一級(jí)公路應(yīng)采用重型壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。
7、粉煤灰路堤施工應(yīng)注意的問題
好的設(shè)計(jì)必須通過好的施工來實(shí)現(xiàn)，所以在施工中必須控制好每一個(gè)環(huán)節(jié)。粉煤灰運(yùn)輸應(yīng)采用自卸汽車，堆放時(shí)對(duì)顆粒組成不同的粉煤灰應(yīng)分別堆放，對(duì)于運(yùn)輸和堆放應(yīng)做好防止揚(yáng)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(shí)，先填地段應(yīng)分層留臺(tái)階，使每個(gè)壓實(shí)層相互重疊搭接，搭接長(zhǎng)度應(yīng)大于150cm。當(dāng)采用中型（20t~30t）振動(dòng)壓路機(jī)時(shí)，每層壓實(shí)厚度≤20cm；當(dāng)采用重型（40t~50t）振動(dòng)壓路機(jī)時(shí)，每層壓實(shí)厚度≤30cm。粉煤灰路堤壓實(shí)應(yīng)遵循先輕后重的原則，壓實(shí)度應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求執(zhí)行。
(二)、粉煤灰在公路基層施工中廣泛應(yīng)用
粉煤灰類基層的主要類型：石灰粉煤灰穩(wěn)定細(xì)粒土（含砂）、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(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、剛度大和一定的抗凍性等特點(diǎn)，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。
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)≤12%；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(duì)于濕粉煤灰其含水量應(yīng)≤35%，含水量過大時(shí)，粉煤灰易凝聚成團(tuán)，造成拌和困難。
2、石灰粉煤灰混合料組成設(shè)計(jì)
石灰粉煤灰混合料首先應(yīng)進(jìn)行組成設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)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。根據(jù)石灰粉煤灰混合料抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，選定混合料的配合比，并對(duì)此配合比混合料試件進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)取得平均抗壓強(qiáng)度R。R應(yīng)滿足：R≥Rd/(1-ZaCv)
式中：Rd—設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度 Cv—試驗(yàn)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α）而變的系數(shù)，高速公路和一級(jí)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(shí)，石灰和粉煤灰的比例可采用1:2~1:4，石灰粉煤灰與細(xì)粒土的比例可采用30:70~90:10，石灰粉煤灰與集料的比例可采用20:80~15:85。
石灰粉煤灰與粒料為20:80~15:85時(shí)，稱為密實(shí)式二灰粒料，在混合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(shí)，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(shí)踐證明，懸浮式二灰粒料的最大干縮應(yīng)變約為密實(shí)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(shí)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(yuǎn)不如密實(shí)式二灰粒料。因此，在高速公路和一級(jí)公路基層中應(yīng)采用密實(shí)式二灰粒料，保證其粒料含量≥80%。
3、提高石灰粉煤灰混合料早期強(qiáng)度的措施
石灰粉煤灰混合料的固有缺點(diǎn)是早期強(qiáng)度低，基層鋪筑后不能及時(shí)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(duì)于如何提高石灰粉煤灰混合料的早期強(qiáng)度是很有必要的。
（１）、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(qiáng)度的形成，從而提高石灰粉煤灰混合料的早期強(qiáng)度。
（２）、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(duì)提高石灰粉煤灰混合料的早期強(qiáng)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(qiáng)度增強(qiáng)效果增大。
4、石灰粉煤灰混合料的施工及需要注意的要點(diǎn)
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(duì)于高速公路和一級(jí)公路應(yīng)采用集中廠拌法施工。施工需要注意的要點(diǎn)：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(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求；保證足夠的養(yǎng)生期。
(三)、粉煤灰在CFG樁方面的廣泛應(yīng)用
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(qiáng)度，與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(qiáng)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。
1、CFG樁復(fù)合地基的工程特性
CFG樁的長(zhǎng)度可從幾米到二十多米，既適用于獨(dú)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(duì)于軟弱地基強(qiáng)度的提高既有擠密作用，又有置換作用，同時(shí)CFG樁具有一定的滲透性（其滲透系數(shù)一般為10-4~10-3cm/s）對(duì)樁周土體起到排水固結(jié)的作用。對(duì)于飽和軟粘土強(qiáng)度的提高主要取決于樁的置換作用。
2、CFG樁的施工
目前CFG樁的施工主要采用振動(dòng)沉管灌注法成樁。當(dāng)?shù)乇頌閳?jiān)硬粘土層時(shí)，可采用長(zhǎng)螺旋鉆預(yù)先引孔，再用振動(dòng)沉管機(jī)成孔制樁。
3、CFG樁的質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)
質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)是施工過程中的重要環(huán)節(jié)，為保證工程質(zhì)量，每道工序必須嚴(yán)格把關(guān)。
（１）、在整個(gè)工程施工前，應(yīng)進(jìn)行試樁試驗(yàn)，以取得CFG樁的基本參數(shù)資料。
（２）、CFG樁應(yīng)采用隔排隔樁跳打。
（３）、施工結(jié)束28天后，應(yīng)進(jìn)行樁、土以及復(fù)合地基的檢測(cè)，包括：樁間土的物理力學(xué)指標(biāo)的變化；現(xiàn)場(chǎng)靜力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)；單樁、樁間土或復(fù)合地基靜載試驗(yàn)。
四、結(jié)束語
如今粉煤灰在公路中的應(yīng)用已越來越廣泛，在工程中取得了良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益，特別是在降低工程造價(jià)、環(huán)境保護(hù)、節(jié)約占地等方面意義深遠(yuǎn)。雖然粉煤灰的應(yīng)用取得了可喜成績(jī)，但粉煤灰的研究和開發(fā)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，特別是對(duì)粉煤灰早期強(qiáng)度的研究以及石灰粉煤灰混合料收縮變形的研究還應(yīng)進(jìn)一步深入。
【參考文獻(xiàn)】
[1]公路粉煤灰路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范 [S]．北京：人民交通出版社，1997．
[2]公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范[s]．北京：人民交通出版社，1997．