粉煤灰压实土工程性质试验研究讲解.docx
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粉煤灰压实土工程性质试验研究讲解
粉煤灰压实土工程性质试验研究
目录
摘要................................................................................................................................1
1.粉煤灰......................................................................................................................1
1.1
1.2
1.3
1.4粉煤灰理化性质...............................................................................................................1粉煤灰工程性质...............................................................................................................1粉煤灰压实土的介绍.......................................................................................................2石灰粉煤灰活化机理.......................................................................................................2
2.粉煤灰压实土的工程性质......................................................................................2
2.1击实试验...........................................................................................................................2
2.2直剪试验...........................................................................................................................5
2.2.1粉煤灰压实土的抗剪强度...................................................................................5
2.2.3粉煤灰压实土力学指标.......................................................................................7
3.压缩试验..................................................................................................................7
4.渗透试验..................................................................................................................8参考文献：
....................................................................................................................8
粉煤灰压实土工程性质试验研究
摘要
粉煤灰是一种工业废弃物，是发电厂燃煤高炉排放的粉质残渣，通常又被称为“飞灰”。
目前我国燃煤电厂每年排放的粉煤灰已达1.8亿吨以上，引起了许多经济和社会问题。
实践证明，对粉煤灰的合理利用，不但可减少污染和场地使用问题，而且将其用作其它材料的替代品，还可减少工程造价。
从可持续发展角度看，粉煤灰的综合利用符合现实和长远的利益。
1.粉煤灰
1.1粉煤灰理化性质
粉煤灰为细粉状，呈灰色。
颗粒为比表面积大的多孔结构，对水的吸附能力很大。
粉煤
不均匀系数Cu为3.06～灰的粒径大部分集中在1～50um，平均粒径d50为0.016mm～0.031mm，
l0.9l，粘粒含率5％～7％，塑性指数为4～8，由此判定其土性介于粉砂与粉土之间即砂质粉土，粉煤灰的密度为1.74～2.2cm，渗透系数可达（3．5×10-4～1．6×10-4）cm/s，粉煤灰的比表面积高达3324c㎡／g（平均值），孔隙率为60％～75％，分粗、中、细3种颗粒。
粉煤灰是一种高分散的固溶体，属人工火山灰质材料。
火山灰质材料，化学成份随着煤种、燃烧工况和收尘方式不同而变化。
粉煤灰和天然土中的化学成分具有很大的相似性，主要成分以硅、铁、铝、钙的氧化物为主，其次为镁、硫、钠、钾的氧化物以及未燃烧的碳。
粉煤灰PH值约为7，属中性材料，对建筑材料无侵蚀作用。
1.2粉煤灰工程性质
冯海宁[1]在对粉煤灰的工程特性的试验研究中得到：
1、一般燃煤锅炉所排放的粉煤灰（颗粒较粗）具有良好的水稳性。
2、由于一般燃煤锅炉所排放的粉煤灰颗粒较粗，颗粒组成类似中砂，因而其内摩擦角较大，值明显大于黄土和砂粘土。
3、在相同的压实系数条件下，随着含水量的增大粉煤灰的内摩擦角略有降低，表现出一定的软化性质，其原因主要是由于较多的水份降低了颗粒间的摩擦力而导致内摩擦角降低。
4、压实系数的大小对粉煤灰强度有重要的影响，随着压实系数的增大，粉煤灰破坏时的峰值增大，同时粉煤灰的抗剪强度指标有所增加。
综上所述，颗粒较粗的粉煤灰具有较强的抗剪强度和良好的水稳性。
因此在进行地基处理时，可以将其作为换填材料，而且性能较好。
在实际工程应用中，根据建筑物对地基变形量的要求，进行合理地设计，可以满足工程安全的需要。
1.3粉煤灰压实土的介绍
在灰土中用等量的粉煤灰代替石灰得到粉煤灰压实土（石灰、粉煤灰和素土的混合物在工程中通常被称为二灰土），是利用废料粉煤灰、石灰与土料混合作为地基回填土的一种新型材料。
我国八十年代以来将其应用于公路领域，以代替传统的灰土或素填土，既提高了工程质量，又利用了本为废料的粉煤灰，变废为宝，节省了石灰和土料。
1.4石灰粉煤灰活化机理
粉煤灰活性机理的本质是：
石灰中的氢氧化钙与活性二氧化硅、氧化铝、氧化铁反应生
、水化铝酸钙（CaO·Al2O3·nH2O）、水化铁酸钙成水化硅酸钙（CaO·SiO2·nH2O）
更（CaO·Fe2O3·nH2O）等一系列不溶于水的稳定性结晶生成物。
随着水化反应的不断深化，
多的水化生成物生成，并在空气和水中逐渐硬化，将灰土拌和物中的固体颗粒胶结在一起，形成了较大的团粒结构，使得灰土的强度高于其单一组分物质的强度。
这一水化过程将一直持续到反应平衡时为止，整个过程比较缓慢，二灰土的强度则随着时间的增长而缓慢增大。
1.5粉煤灰压实土的配比
中铁十一局的贾江立[2]等针对某公路路基场地地质条件，对粉煤灰改善土的强度性能和膨胀性能等方面进行了探讨。
从试验中可以看出掺入石灰、粉煤灰的强度的规律性。
当石灰与粉煤灰的比例在1：
2时，灰土的强度达到0.83MPa，当石灰与粉煤灰的比例在1：
3时，强度可以达到1.19MPa，当石灰与粉煤灰的比例在1：
4时，强度有所降低，达到1.06MPa。
（淤）不难看出灰土的强度最大值在石灰与粉煤灰的比例在1：
3附近。
姚占勇[22]等人在黄河冲
积粉质二灰土的配比研究中，给出了黄河冲淤积平原区土质和黄河冲淤积平原区土质最适宜的二灰含量范围，认为土与粉煤灰的颗粒级配是影响二灰土强度与压实性能的重要因素。
本文仅对1：
1：
8和1：
2：
7两组配比的二灰土进行试验研究。
2.粉煤灰压实土的工程性质
2.1击实试验
击实试验是模拟现场压实条件，采用锤击方法使土体密度增大、强度提高、沉降变小的
一种试验方法。
击实试验的目的是测定试样在一定击实次数下或某种压实功能下的含水率与干密度之间的关系，从而确定的最大干密度和最优含水率，为施工控制填土密度提供设计依据。
试验材料：
黄土取自榆中和平，粒径<0.75mm的粉质粘土；粉煤灰、石灰均为工程用灰。
体积配合比是按照各集料的天然容重下换算成干容重的体积比。
配置粉煤灰压实土：
粉煤灰：
石灰：
土：
1：
1：
8；1：
2：
7两组，灰土：
2：
8；3：
7两组（与粉煤灰压实土进行对比），每组需四个试样，将每组试样分别进行均匀拌合,并立即采用南京土壤仪器厂生产的JDS-1型数控电动击实仪进行击实,击实分三层装土,每层击实后刮毛，每层击实功能为25
击。
其干密度与平均含水率的关系曲线，如下图所示：
图1
1：
1：
8
灰土最大干密度与最有含水率曲线图21：
2：
7灰土最大干密度与最有含水率曲线
图32：
8
灰土最大干密度与最优含水率曲线
图4
土样3：
7灰土最大干密度与最优含水率曲线最大干密度（g/cm3）
1.56
1.58
1.53
1.55表3-1最有含水率（%）21.7419.3421.2821.042：
8灰土1：
1：
8灰土3：
7灰土1：
2：
7灰土由击实试验所得数据可知，用粉煤灰代替一定量的石灰后，最大干密度增大，最优含水率减小，但变化幅度不大，说明用一定量的粉煤灰代替石灰后，对最大干密度与最优含水率的影响不大。
2.2直剪试验2.2.1粉煤灰压实土的抗剪强度土的抗剪强度是土的重要力学性质,是决定地基或建筑物稳定性的关键因素。
根据击实试验得到的最优含水率与最大干密度来制定试样，本试验采用直接剪切中的快剪试验方法来测得土的抗剪强度。
以下粉煤灰压实土不同配比下，轴压分别为0.1Mp、0.2Mp、0.3Mp、0.4Mp时，龄期在1天、7天、14天、28天测得的剪应力绘制的曲线图：
0.40.350.3剪应力（Mp）0.250.20.150.10.050051015龄期（d）2025301:
1:
81:
2:
72:
83:
7图5σ=0.1Mp0.450.40.35剪应力（Mp）0.30.250.20.150.10.050051015龄期（d）2025301:
1:
81:
2:
72:
83:
7图6σ=0.2Mp6
0.60.5剪应力（Mp）0.40.30.20.10051015龄期（d）2025301:
1:
81:
2:
72:
83:
7图7σ=0.3Mp0.60.5剪应力（Mp）0.40.30.20.10051015龄期（d）2025301:
1:
81:
2:
72:
83:
7图8σ=0.4Mp不同配比的粉煤灰压实土强度荷载下随着轴荷载的增大其强度也随着增大，粉煤灰压实土两种配比之间同一轴荷载下强度变化不大，但1：
1：
8灰土较1：
2：
7灰土强度变化要稳定。
粉煤灰压实土的曲线随着龄期的增大其曲线有明显的上升，数值上表现出增大的趋势。
灰土的曲线随着龄期的增长其曲线上升趋势没有粉煤灰压实土明显。
起始粉煤灰压实土与灰土的强度并无太大差距，7天以后粉煤灰压实土强度明显大于灰土。
其原因是由于一般粉煤灰含CaO量较低，起初通过外加石灰激发其活性，但反应较慢；随着龄期增长，火山灰反应逐步增强，粉煤灰压实土的强度逐步增大。
同时，可以得出粉煤灰与石灰的反应要强于石灰与土的反应，且生成的胶凝物性能也较优。
将其分为两组进行比较，2：
8灰土与1：
1：
8灰土一组，3：
7灰土与1：
2：
7灰土一7
组，后者强度明显大于前者，说明用一定量的粉煤灰代替灰土中等量的石灰是完全可行的，不但利用了废料粉煤灰，而且提高了灰土的强度，可谓达到了一石二鸟的效果。
2.2.3粉煤灰压实土力学指标以下是不同龄期不同配比时测得灰土和粉煤灰压实土的力学指标粘聚力c和内摩擦角ϕ：
表3-2力学指标龄期（天）2：
81粘聚力c714281内摩擦角714280.04500.05850.03700.046530.6328.4630.7130.03灰土3：
70.07050.04850.06000.072031.0133.1431.8831.091：
1：
80.0480.1500.1360.287536.9831.0544.8327.47粉煤灰压实土1：
2：
70.01950.09700.08750.312037.5635.3742.7430.67ϕ由不同龄期的力学指标图表可以看出，无论是粘聚力c还是内摩擦角ϕ都有所增大，一般来说，组成土的团粒越粗、越坚硬则土体的两个指标c、ϕ值就越高。
粘聚力c值主要决说明掺粉定于土团粒和团粒之间的连接，内摩擦角ϕ值主要决定于土的团粒的大小和形状。
煤灰以后的灰土中团粒变大了，且比灰土坚硬，这一点可以用粉煤灰石灰的活化机理去解释，前面已提过，此处不再赘述。
3.压缩试验土的压缩性可由孔隙比和压力曲线得到，土的压缩性直接影响到地基（或路基）的沉降，最终影响到建筑物（道路）的安全性。
本试验采用无侧限压缩试验，由1：
1：
8，1：
2：
7灰土最优含水率配置两组击实试样，试验分四级加荷，分别为50kPa，100kPa，200kPa，400kPa。
根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）规定，采用p1=100kPa，p2=200kPa所得的压缩系数a1-2作为评定土压缩性高低的指标，粉煤灰压实土压缩系数及压缩模量见下表：
8
表3-3土样1：
1：
81：
2：
7压缩系数a1-20.020.03压缩模量（Mp）66.770.8由试验结果可知，1：
1：
8和1：
2：
7两组灰土的压缩系数均小于0.1Mp-1,属于低压缩性土。
由以往工程经验可知，2：
8和3：
7灰土属于中低压缩性土，随着龄期的增长，其压缩性逐渐减小。
试验未对粉煤灰压实土不同龄期的压缩系数进行试验，但可以推知，粉煤灰压实土的压缩性也应是随龄期的增长而减小的。
因为一般粉煤灰含CaO量较低，虽然通过外加石灰激发其活性，但反应较慢，随着龄期的增长，后期强度增长很快，其原因是由于随着龄期增长，火山灰反应逐步增强，粉煤灰压实土的强度逐步增大，因此可以证明上述推测是合理的。
4.渗透试验土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象，称为土的渗透性。
在工程中常需要了解土的渗透性，例如基坑开挖排水时，需要了解土的渗透性，以配置合适的排水设备；在河滩上修筑渗水路堤时，需要考虑路堤填料的渗透性；在计算饱和粘性土上建筑物的沉降和时间的关系时，需要掌握土的渗透性。
配置两组粉煤灰压实土在最优含水率下的击实试样后，采用南55型渗透仪变水头法，分别进行5次平行试验，取其平均值，得到1：
1：
8和1：
2：
7二灰土的渗透系数如下表：
表3-41：
1：
8灰土（×10-7）渗透系数（cm/s）4.171：
7灰土（×10-7）2：
5.16粉煤灰压实土属于粉土、砂与粘土的混合物，试验数据显示，其渗透性极低。
主要原因在于石灰与粉煤灰的凝硬作用形成的水化物晶体阻碍了水的渗透，故粉煤灰压实土具有良好的抗渗性。
参考文献：
[1]冯海宁，杨有海，龚晓南.粉煤灰工程特性的试验研究.岩土力学，2002（05）000-7598.：
1[2]贾江立.利用粉煤灰处理过湿土的可行性试验.山西建筑，2004.22（7）.[3]袁聚云.土工试验与原理.同济大学出版社，2003.9
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