含水量和水泥用量对水泥加固压实粉煤灰强度的影响.docx
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含水量和水泥用量对水泥加固压实粉煤灰强度的影响
含水量和水泥用量对水泥加固压实粉煤灰强度的影响
摘要：
F级粉煤灰与硅酸盐水泥拌合，硬化后形成了高强度材料，其强度随着水泥用量和压实功的增加而增加，强度最高时，最佳含水量接近20%——30%左右。
但是，堆存粉煤灰的含水量在50%左右，所以完全干燥至最佳含水量是不切实际的。
如果材料是堆场的含水量，那么要达到一个给定的强度时水泥用量必须比在最佳含水量为含水量的函数时高出2.5——3倍。
然而，在堆存含水量和最佳含水量之间，强度是可以预测的。
关键词：
粉煤灰；硅酸盐水泥;压实;强度;施工质量保证
1.引言
粉煤灰是由煤燃烧产生的，全球每年约燃烧480万吨煤，包括底灰和烟气脱硫（FGD）材料，大约三分之二的灰为悬浮灰颗粒，这就是所熟知的粉煤灰。
粉煤灰是一种球形颗粒的细粒物质，主要由二氧化硅，氧化铝，和Fe2O3组成。
C类粉煤灰来源于年代近的褐煤和次烟煤的燃烧的，它钙的含量通常超过20%，水化时以形成度的胶凝材料[1]。
F类粉煤灰是来自旧烟煤和无烟煤煤的燃烧。
它CaO含量通常小于10%，并且需要外加胶结剂来胶结[1]。
粉煤灰是使用静电收尘器获得的，常用一个浆料池来进行输送和储存。
因此，粉煤灰的含水量高达50%。
W，这里定义为含水量，以质量计:
w=Mw/Ms×100%
其中Mw和Ms分别是水和固体的质量。
由于产量丰富，便有利于粉煤灰生产商确定粉煤灰实际建设用途，而不是花费大成本弃置在堆存区。
粉煤灰的建设用途很多，包括稳定土壤[2,3],基础建设[4],工程填料[5]以及硅酸盐水泥的混合材料[6]，在农业产业化建设，粉煤灰的使用也越来越普及，高强度的黄牛养育场用来增加日产量减少疾病，维护管理[7-9]。
在欧洲联盟（欧盟）超过90%煤燃烧的副产品被回收，包括粉煤灰[10]，虽然他们国家之间的使用率差别很大。
在世界的其他地区，粉煤灰的利用率更小（在美国大约为四分之一）剩下的粉煤灰弃置在堆存区[1]。
命名
Ç水泥含量=Mc/（Ma+Mc）qu无侧限抗压强度
Gs固体比重V体积
Ma粉煤灰质量W含水量=Mw/Ms
Mc水泥质量Wopt最佳含水量
Ms固体质量ρd干密度=Ms/V
Mw水的质量ρdmax最大干密度
因此，粉煤灰的综合利用有明显的改进余地，而它的好处是粉煤灰是主要成分而不是一种添加剂，所以就加速了它的消耗量。
粉煤灰的强度随着压实和硅酸盐水泥的加入显著增强。
因此，夯实的水泥加固的粉煤灰强度很高，可以代替土壤。
粉煤灰可以在含水量围内被压实，在干密度（ρd）和含水量（w）之间的关系形成压实曲线。
干密度定义为：
ρd=Ms∕V
其中Ms是土体中固体的质量。
[11]就像土壤一样，粉煤灰的压实曲线表现出一个凹向下的形状，具有最大干密度，ρmax，和相应的最佳含水量Wopt。
他们还表明：
ρ
（1）粉煤灰达到最佳含水量时无侧限抗压强度最大，
（2）粉煤灰的无侧限抗压强度随着压实功的增加而增加，（3）粉煤灰的强度随着水泥用量的增加而增加，C，这里定义为：
C=Me∕Ms=Mc∕（Me+Ma）
其中，Ma是粉煤灰的质量，Mc是水泥的质量。
对于不同的设计目的，可能要求不同的无侧限抗压强度，例如，[12]指出，大约72kPa的无侧限抗压强度要能够支持680Kg牛的步行。
通过实验室压实试件的测试和已知特性（压实功），无侧限抗压强可以与这些特性结合形成的的压实材料相关有足够的强度，以满足设计标准。
因此，本研究的主旨是要量化这些特性和无侧限抗压强度之间的关系，以确定合适的组合，使水泥稳定F级粉煤灰压实后达到目标无侧限抗压强度。
起初，这项研究的动力是农业产业化为保证饲养场地的标准，使用压实的水泥粉煤灰。
然而，这一项研究成果可用于粉煤灰用量较大的回收项目。
2.试验工作
2.1.材料
在肯塔基州阿巴拉契亚地区列克星敦附近的公用事业泰隆电厂开采的煤炭燃烧获得的粉煤灰与硅酸盐水泥和水压实，通过强度检测来评估压实功、W和C对无侧限抗压强度的影响。
使用的粉煤灰的固体比重（GS），约为2.24，主要由二氧化硅、氧化铝及其他成分组成（见表1）。
根据的美国社会和材料实验协会（ASTM）标准C618，SiO2+Al2O3+Fe2O3含量大于70％和SO3含量大于5％，该粉煤灰被定义为F级粉煤灰。
低氧化钙也是F级粉煤灰的标志，因而不能自己凝固，美国材料实验协会（ASTM）测试标准C618还要求F级粉煤灰的烧失量（LOI）小于6％。
烧失量标准指用于是在混凝土中的使用粉煤灰。
因为过量未燃烧的煤炭可能导致引入空气问题和混凝土的性能问题。
但是，使用规范描述手册是不同的，因此未燃烧煤炭不认为是一个关键问题，烧失量的测试也没有执行。
粉煤灰代表性样品的粒度分布数据如图1所示。
干筛（ASTMD422）比重计（ASTMD422），湿筛法（ASTMD1140），用来建立一个复合的级配曲线。
按照ASTMC618标准超过66％的颗粒小于45微米，级配曲线通过45微米——66%个百分点（由一个开放的领域表示）满足这一标准。
I型硅酸盐水泥快速水化而用作粘结剂。
波特兰水泥的固体比重为3.15，硅酸盐水泥的组成被列入表1。
水泥用量介于0和15％，最初用于评价水泥用量对强度的影响。
2.2密实方法
在实验室中分别按ASTMD698和D1557标准将粉煤灰与水和水泥拌合，压实，用标准和修正普氏法密实。
试验在高度和直径分别为11.6和10.2厘米圆柱模具内的，从固定高度以一定重量击实规定数量（见表2）。
表二
标准和改修正普氏实验室击实参数表
测试方法锤重量（N）下落高度（cm）总滴数
标准普洛克特243075
（ASTMD698）
修正普洛克特4445125
（ASTMD1557）
表2中所示,修正普洛克特测试适用于更大的击实功。
普洛克特测试击实方法通常指定为岩土工程和建设的实验室方法，以确定典型的土方施工设备对应合理的击实功。
当压实能量增加最大干密度增加，而最佳含水量下降。
2.3强度测试方法
在实验室中测量无侧限抗压强是根据ASTMD5102标准（美国材料试验协会），这个测试将在没有负载限制的情况下压试件，恒定加载直到破坏。
无侧限抗压强度定义为试件的最大荷载除以圆柱体的截面积。
在这项研究中，基于击实曲线，对于类似物质[11]，预计最佳含水量wopt将在25%——35%范围内，还预计对于给定的压实功和水泥含量c，最大强度将在最佳含水量处获得。
由于粉煤灰来自电厂的堆场，含水量W在50%左右，在实验室烘干，水后来加入在材料中达到目标含水量W。
对于给定的水泥含量和击实功，试件4-7在最佳含水量呗击实，每个试件都进行强度测试。
试件养护7天再进行强度测试。
注意这里的含水量W是在击实时的含水量，在水泥水化期间有所降低。
在养护期间，试件放在密封塑料袋中防止水分流失。
如上所述，根据以往使用类似的材料，预计粉煤灰的最佳含水量wopt将在25-35％范围内。
然而，在泰隆电厂粉煤灰由泥浆运到沉淀池随后储存脱水，所以库存材料含水量w通常接近50％。
然而，对于给定的水泥含量，干燥和击实的粉煤灰接近最佳含水量时想得到最大强度在该范围是不切实际的，因为材料的干燥需要时间。
因此，第二组中，将粉煤灰击实的含水量为50%，再测量无侧限抗压强度，以此模仿粉煤灰混合物在没有干燥的情况下回到最佳含水量。
对于这些实验，在水泥含量7.5％至30％范围内，试件用修正普罗克特方法击实，这些试件允许养护30，60和90天，用来评估养护长时期是否达到强度的要求。
3.结果
3.1概述
正如在2.2和2.3节所述，本研究有两个阶段，在第一阶段，粉煤灰使用烘箱烘干，加入水和硅酸盐水泥，绘制击实曲线来找出最佳含水量，每个试件都要进行强度测试。
第2阶段，粉煤灰的含水量为50%，粉煤灰模仿的是储存材料，添加了较多的硅酸盐水泥，两个阶段的代表建筑花费的时间与金钱的权衡：
第1阶段，相当于花费较少的水泥，相对而言，而第2阶段建设花费较短的时间。
3.2第1阶段试验
图2显示的是零空隙率（ZAV）的水泥稳定粉煤灰的击实曲线，对应于100％的饱和度。
计算水泥粉煤灰混合物零空隙率曲线及固体比重，作为粉煤灰（2.24）固体比重以及硅酸盐水泥（3.15）的固体比重的加权平均值，水泥含量分别为0%、5%、10%、15%，固体比重分别为2.24,2.29,2.33,和2.38,用这些来绘制零空隙率曲线，正如所料，随着击实功的增加，最佳含水量减少，最大干密度增加，击实曲线是凹向下。
水泥稳定粉煤灰最佳含水量在20-30％之间不等，这达不到库存粉煤灰50%的含水量。
最大干密度在1,070和1,410kg/m3之间变化，它突出了击实粉煤灰的独特性能。
由于粉煤灰固体比重Gs比土壤的固体比重Gs（通常是在2.65-2.80范围内）小，干密度也较小。
相比之下，击实土壤的干密度是通常在1,760-2,080kg/m3的范围内，这使压实粉煤灰有能力减少土壤基础层板结。
对每个试件固化七天，再进行强度测试，测试结果如图3。
这些结果表明，在最佳含水量处强度最大，最佳含水量和水泥含量的无侧限抗压强度的曲线在图4中近似相似，修正普罗克特试验试件比标准试件强度高，这些结果表明，在试件接近最佳含水量压实时可以添加较少的硅酸盐水泥达到高强度。
3.3第二阶段试验
第一阶段的试验是先干燥粉煤灰随后加水达到不同的含水量。
如图3中,
图2水泥稳定粉煤灰击实曲线
图3水泥稳定粉煤灰击实试件的无侧限抗压强度与含水量
水泥稳定粉煤灰试件在接近最佳含水量时，即20-30％之间，无侧限抗压强度最大。
在加水泥之前，堆存粉煤灰的含水量大约在50%左右甚至更多，在压实之前干燥粉煤灰是不实际的。
因此，在试验的第二个阶段，粉煤灰在加水泥之前的含水量为50%，水泥含量高达30%。
试件用修正普罗克特试验击实，养护30天、60天、90天，并进行强度测试，注意当添加水泥时，湿粉煤灰的含水量将减少。
因此，当水泥含量分别为7.5%、15%、30％时，含水量从50%下降到46%、42%、35％。
第2阶段试验结果如图5所示，连同第一阶段在最佳含水量处无侧限抗压强度的测试结果。
这些结果表明，在加水泥之前含水量为50%时，要达到相同的无侧限抗压强度，水泥含量要比在最佳含水量时高出2.5-3个百分点。
这些结果还表明，强度增加主要在水化开始的30天以内，之后增加就相对较少了。
注意，和其他数据比起来有些异常，这些结果是在水泥含量为30%，养护60天之后得到的，如图5所示。
当制备试件进行强度测试时，重要的是实现粉煤灰、水泥和水混合均匀，如果材料不充分混合，击实试件的不均匀性将导致标准试件存在一个薄弱区，这可能导致试件测定强度偏低。
4.讨论
正如上一节中指出，有两个水泥稳定粉煤灰的办法，权衡了材料的费用和时间。
图4水泥稳定粉煤灰压实时的水泥含量和最佳含水量时的无侧限抗压强度
图5第一阶段试验在最佳含水量时无侧限抗压强度与
水泥含量，第二阶段在含水量为50%时用修正普洛克特试验压实。
图6修正普洛克特方法击实，含水量一定，无侧限抗压强度随水泥含量增加而增加
硅酸盐水泥成本大约0.11美元/Kg，材料在最佳含水量时最大干密度为1,380kg/m3（见表2）,水泥用含量为10%，使用修正普洛克特方法击实，硅酸盐水泥大约为15美元/m3.当然，压实之前，该材料要进行干燥处理。
如果要求压缩的粉煤灰含水量在50%（接近饱和含水量），要想达到相当的强度就要增加2.5个百分点的水泥，成本就增加到接近37美元/m3，这个成本相当高了，但应该和施工时间及粉煤灰的烘干成本相比。
然而，施工时间成本很难量化，环境温度，降水，粉煤灰干燥过程的时间功因素都会影响整个施工时间。
如果认为饱和含水量就是最佳含水量时，那么结合第一阶段和第二阶段的数据就知道对于给定的水泥含量如何干燥来达到给定的无侧限抗压强度，这些数据都在图6中。
在图6中，第一阶段的最佳含水量数据与第二阶段（相应于含水量为50%那一行）,无侧限抗压强度的曲线与水泥含量及含水量是重叠的，此图可以用来确定对于一个给定的水泥含量，粉煤灰应该有怎样的含水量才能达到给定的无侧限抗压强度。
例如，如果一个目标为3000千帕的无侧限抗压强度需要使用的水泥含量为15%,水泥粉煤灰混合物的含水量要接近26%，由于加水泥会降低含水量，湿粉煤灰应该干燥到含水量为31%，再增加水泥直到含水量降到26%（图7）.图6还表明增加水泥对增加强度具有双重效果：
（1）水泥更多则发生的胶结更多，
（2）含水量减小，压实材料接近最佳含水量。
这表明，含水量在30%时强度增加相对较少，当含水量继续减少时强度增加显著。
如图6所示，有效压实功约等于修正普洛克特试验压实功，经验可以给我们提供一些指导，什么样的数据和设备组合提供的压实功可以相当于标准压实功
图7估计添加水泥之前的含水量以及添加过后达到目标含水量的含水量（例如：
水泥粉煤灰要达到26％含水量，水泥含量为15%,那么湿粉煤灰的含水量为31%）
图8根据重合压实曲线预测无侧限抗压强度基于压实水泥稳定粉煤灰的水泥含量，含水量及干密度
或者修正普洛克特试验压实功，但是这仍然是一个粗略的估计，不论压实功多少，含水量低于最佳含水量时的无侧限抗压强度比含水量高于最佳含水量要高，因此，因为压实水泥稳定粉煤灰的无侧限抗压强度与压实功无关，可以被估计，此方法同样可以用于压实土壤。
[13]压实土壤，使用标准压实功功和修正普洛克特试验压实功，绘制压实曲线，测量每个试件的无侧限抗压强度，对于给定的无侧限抗压强度，找出压实曲线中轮廓重合的曲线，干密度和含水量的验收将导致无侧限抗压强度达到或超过给定值。
由于干密度和含水量是在有施工质量保证（CQA）的情况下测试出来的，该方法提供了间接估算原压实材料的干密度和含水量。
丹尼尔和吴提出的方法[13]是应用该研究的第一阶段压实水泥稳定粉煤灰所获得的数据，如图8所示。
这些数据表明，对于给定的水泥含量，如果干密度和含水量是已知的话，粉煤灰的无侧限抗压强度是可以测出来的，例如，水泥含量为10%，测出压实材料的含水量和干密度分别为25%和1,300kg/m3，图7表明，此时的无侧限抗压强度为2,300千帕。
这提供了一种测量压实水泥粉煤灰无侧限抗压强度的方法，不受压实功的影响。
粉煤灰的组成中有一些有差异的成分，表1为两组试件的测试结。
两组试件被分别测试了几个月，结果表明，在这个特定的地区中差异性相对较小。
然而，在其他地区期望有更多的可变性似乎是合理的，特别是从不同地质和不同地区得到的煤。
这些差异性可能对强度测定有影响，尤其是粉煤灰中生石灰的含量差异很大，粉煤灰中生石灰强度越高。
这个结果表明，F级粉煤灰可以使用，因为当地产量丰富，C级粉煤灰没有测试。
C类粉煤灰包含足量生石灰使自己凝固，不需要硅酸盐水泥等胶结剂可达到显著的强度，很可能C级粉煤灰添加硅酸盐水泥可以提供额外的强度，加快提高强度，因为波特兰水泥水化速度比生石灰快，另一方面，F级粉煤灰如果不添加水泥粘结剂（无论是普通硅酸盐水泥，生石灰，熟石灰）就不能获得显著的强度。
5。
结论
F级粉煤灰和普通硅酸盐水泥经压实后会形成一种高强度的材料，这种材料可以看做垃圾填埋处置消耗的大量粉煤灰的替代物。
对于给定的应用，从无侧限抗压强可以指定强度标准。
该结果表明，水泥稳定粉煤灰的无侧限抗压强度受到水泥含量、含水量及压实功的影响，当知道这些参数时，可以预测无侧限抗压强度。
压实含水量在同一范围的材料得到的曲线与土压实曲线类似，在最佳含水量在20%~~30%之间，有着相同的最大干密度和最大无侧限抗压强度。
当在最佳含水量时进行压实，无侧限抗压强度可以达到1,100~~5,500千帕，这取决于水泥含量和压实功。
将无侧限抗压强度与干密度和含水量相联系，对于给定的水泥含量，在施工质量保证下测出干密度和含水量，无侧限抗压强度是可以预测的。
然而，发电厂中储存的粉煤灰的含水量达到50%甚至更多，将这些材料干燥到最佳含水量并不可行。
但是发现，这些湿材料水泥含量增加2.5~~3%倍时，无侧限抗压强度可以达到在最佳含水量时的强度，对于部分干燥的材料，含水量介于饱和含水量和最佳含水量之间，对于一个给定的水泥含量可以预测其无侧限抗压强度。
致谢
作者要感谢肯塔基洛伊丝电厂这个项目的金融支持公用事业和托马斯肯塔基州公用事业泰隆电厂摩尔为创建试样慷慨提供必要的粉煤灰。
作者也要谢谢s.R。
Nanduri协助完成的实验室试验部分。
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