淺談粉煤灰的特性及其在公路建設中的應用

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【摘 要】文章簡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領(lǐng)域方面的廣泛應用，粉煤灰的利用既解決了環(huán)境污染問題，又使工程造價大大降低。
【關(guān)鍵詞】粉煤灰；公路路堤；粉煤灰類基層； CFG樁
【作者簡介】王峰（1973－），男，山東魚臺人，山東省曲阜公路局副局長，工程師，大學本科學士學位，主要從事公路工程與養(yǎng)護管理。
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行堆放，粉煤灰的粉塵造成周邊環(huán)境被嚴重污染，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)境保護方面的意義更是非常深遠的。
二、粉煤灰材料的特性
（一）、粉煤灰的化學特性
粉煤灰屬于CaO、Al2O3-SiO2系統(tǒng)，其化學成分以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。
（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。試驗表明：相同密實度（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%。粉煤灰的毛細現(xiàn)象十分強烈，其毛細水的上升高度與壓實度有著密切關(guān)系。
三、粉煤灰在公路工程中的廣泛應用
（一）、粉煤灰在公路路堤上的應用
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，減輕路堤自重、減輕軟土地基的附加應力，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
粉煤灰不應含團塊、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的顆粒含量應大于45%。
2、室內(nèi)試驗
粉煤灰路堤施工前應對所采用的粉煤灰做好各項室內(nèi)試驗。室內(nèi)試驗的項目詳見《公路粉煤灰路堤設計與施工技術(shù)規(guī)范》(TJ016—93)中表2.2.4。通過室內(nèi)試驗確定各項技術(shù)指標和設計參數(shù)，并對粉煤灰路堤進行驗算。
3、路堤橫斷面要求
為提高粘土邊坡保護層與粉煤灰邊坡的穩(wěn)定性，應將相接面筑成30×50cm的臺階狀，并把臺階做成≥2%的反拱。粘土保護層厚度不小于2.0m。在路槽標高以下設置不小于30cm的二灰封層。
4、排水
為及時排除滲入路基內(nèi)的滲水，路基底部設置30cm的砂墊層，在砂墊層上全幅鋪設一層透水土工布，以防粉煤灰流失。在粘土保護層中設置30×50cm的盲溝，設置水平間距10m，垂直間距0.9m，呈梅花形交叉布置，在盲溝進口處應采用透水土工布包裹，以防粉煤灰流失。
5、穩(wěn)定驗算及沉降計算
通過多條公路粉煤灰路堤的設計和施工，對于非軟弱地基上的粉煤灰路堤，當路堤高度≤5.0m，邊坡坡率采用1:1.5時，可不作穩(wěn)定性驗算。當路堤高度＞5.0m時，應進行路堤自身的穩(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≥1.25。對于軟弱地基上的粉煤灰路堤，應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φ和粘結(jié)強度C應采用飽水后測定的C、φ值為準，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、φ值取28°。對于軟弱地基上的粉煤灰路堤，應進行沉降量計算，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1.1～1.4。
6、壓實要求
路堤的壓實對路堤的強度和穩(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%）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、力學指標采用重型壓實標準比輕型壓實標準有明顯的提高，有利于提高路基強度。通過試驗工程效果表明，采用大噸位（20t~50t）的振動壓路機進行壓實作業(yè)，路基的壓實效果相當明顯，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采用重型壓實標準。
7、粉煤灰路堤施工應注意的問題
好的設計必須通過好的施工來實現(xiàn)，所以在施工中必須控制好每一個環(huán)節(jié)。粉煤灰運輸應采用自卸汽車，堆放時對顆粒組成不同的粉煤灰應分別堆放，對于運輸和堆放應做好防止揚塵和流失污染措施；粉煤灰路堤應采用水平分層填筑法施工，當分成不同作業(yè)段填筑時，先填地段應分層留臺階，使每個壓實層相互重疊搭接，搭接長度應大于150cm。當采用中型（20t~30t）振動壓路機時，每層壓實厚度≤20cm；當采用重型（40t~50t）振動壓路機時，每層壓實厚度≤30cm。粉煤灰路堤壓實應遵循先輕后重的原則，壓實度應嚴格按設計要求執(zhí)行。
(二)、粉煤灰在公路基層施工中廣泛應用
粉煤灰類基層的主要類型：石灰粉煤灰穩(wěn)定細粒土（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，在公路建設中被廣泛采用。
1、材料要求
粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3的總含量應≥70%，粉煤灰的燒失量應≤12%；粉煤灰的比表面積應≥2500cm2/g（或90%通過0.3mm篩孔，70%通過0.075mm篩孔）。對于濕粉煤灰其含水量應≤35%，含水量過大時，粉煤灰易凝聚成團，造成拌和困難。
2、石灰粉煤灰混合料組成設計
石灰粉煤灰混合料首先應進行組成設計，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。根據(jù)石灰粉煤灰混合料抗壓強度標準，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應滿足：R≥Rd/(1-ZaCv)
式中：Rd—設計抗壓強度 Cv—試驗結(jié)果的偏差系數(shù)
Za—標準正態(tài)分布表中隨保證率（或置信度α）而變的系數(shù)，高速公路和一級公路應取保證率95%，即Za=1.645；其他公路應取保證率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1:2~1:4，石灰粉煤灰與細粒土的比例可采用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，稱為密實式二灰粒料，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，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采用密實式二灰粒料，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。
（１）、摻加化學添加劑
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。
（２）、摻加水泥
水泥水化與硬凝反應迅速，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。
4、石灰粉煤灰混合料的施工及需要注意的要點
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采用集中廠拌法施工。施工需要注意的要點：嚴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，混合料應當天拌和、當天攤鋪、當天碾壓，壓實度滿足設計要求；保證足夠的養(yǎng)生期。
(三)、粉煤灰在CFG樁方面的廣泛應用
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)強度，與樁間土一起通過褥墊層形成CFG樁復合地基，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。
1、CFG樁復合地基的工程特性
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10-4~10-3cm/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。
2、CFG樁的施工
目前CFG樁的施工主要采用振動沉管灌注法成樁。當?shù)乇頌閳杂舱惩翆訒r，可采用長螺旋鉆預先引孔，再用振動沉管機成孔制樁。
3、CFG樁的質(zhì)量控制和監(jiān)測
質(zhì)量控制和監(jiān)測是施工過程中的重要環(huán)節(jié)，為保證工程質(zhì)量，每道工序必須嚴格把關(guān)。
（１）、在整個工程施工前，應進行試樁試驗，以取得CFG樁的基本參數(shù)資料。
（２）、CFG樁應采用隔排隔樁跳打。
（３）、施工結(jié)束28天后，應進行樁、土以及復合地基的檢測，包括：樁間土的物理力學指標的變化；現(xiàn)場靜力觸探和標準貫入試驗；單樁、樁間土或復合地基靜載試驗。
四、結(jié)束語
如今粉煤灰在公路中的應用已越來越廣泛，在工程中取得了良好的社會及經(jīng)濟效益，特別是在降低工程造價、環(huán)境保護、節(jié)約占地等方面意義深遠。雖然粉煤灰的應用取得了可喜成績，但粉煤灰的研究和開發(fā)還遠遠不夠，特別是對粉煤灰早期強度的研究以及石灰粉煤灰混合料收縮變形的研究還應進一步深入。
【參考文獻】
[1]公路粉煤灰路堤設計與施工技術(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計與施工技術(shù)規(guī)范[s]．北京：人民交通出版社，1997．