1 引言
粉煤灰是火力發(fā)電廠的一種工業(yè)廢棄物，是磨細(xì)的煤粉燃燒后從煙道排出的廢渣，俗稱“飛灰”。當(dāng)發(fā)電廠采用立式旋風(fēng)爐時(shí)，需要在燃煤中加入一定比例的石灰石（一般為8～10%），共同磨細(xì)后噴入爐膛高溫燃燒，爐渣呈融熔狀態(tài)由爐底排出，而爐中排出的飛灰即為高鈣粉煤灰，它是CaO含量較高的粉煤灰。全國(guó)電廠每年都要排出大量的粉煤灰和高鈣粉煤灰，各大城市電廠中均有很大的儲(chǔ)量，其堆放占用了大量的土地資源。將這些粉煤灰廢棄物利用起來(lái)，修筑道路，不僅可以為道路建設(shè)提供建筑材料，減少取土毀地面積，還能減少工業(yè)廢料的堆放占地面積及對(duì)環(huán)境的污染，有利于環(huán)保。具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前，工程中多以石灰、水泥等與普通粉煤灰的混合料來(lái)作為公路的（底）基層材料，本文介紹高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的主要路用技術(shù)性能。
2 原材料性質(zhì)
粉煤灰主要由玻璃質(zhì)（非晶質(zhì)）的空心球狀顆粒組成，其玻璃質(zhì)含量占71%～88%。為了防止粉煤灰在空氣中揚(yáng)塵，往往向干灰堆澆水或?qū)⒎勖夯遗欧旁谒刂?，含水量較大，另外粉煤灰特有的結(jié)構(gòu)不但使顆粒之間可以充水，而且顆粒本身的空洞含水，故粉煤灰的含水量變化幅度較大，一般為18%～87%。但其自身無(wú)持水能力，在空氣中很快風(fēng)干。粉煤灰的玻璃質(zhì)中空結(jié)構(gòu)使得粉煤灰材料結(jié)構(gòu)疏松，干容重較小（6.1～11.9kN/m3）。粉煤灰內(nèi)聚力c值很小，自身難以成型。
高鈣粉煤灰的CaO含量較高，與普通粉煤灰同屬CaO-Al2O3-SiO2-H2O系統(tǒng)，其活性較高，遇水有自硬性，可以作為一種無(wú)機(jī)結(jié)合料使用。高鈣粉煤灰與粉煤灰的主要化學(xué)成分如表1所示。
表1 高鈣粉煤灰與粉煤灰的化學(xué)成分（%）
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主要成分 粉煤灰種類(lèi) |
Fe2O3 |
Al2O3 |
SiO2 |
CaO |
燒失量 |
其它 |
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普通粉煤灰 |
6.59 |
32.73 |
48.81 |
3.87 |
5.92 |
2.08 |
|
高鈣粉煤灰 |
5.51 |
21.26 |
35.92 |
19.51 |
12.17 |
5.63 |
普通粉煤灰自身活性較低，但與高鈣粉煤灰混和后，高鈣粉煤灰能夠激發(fā)普通粉煤灰的活性，二者發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，使高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料形成較高的強(qiáng)度、剛度和水穩(wěn)定性。
就化學(xué)組成的本質(zhì)而言，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料和石灰粉煤灰基本相同，根據(jù)加固土原理[3]，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料加水拌和后，其中所含的CaO與微粒之間的水反應(yīng)生成Ca(OH)2，Ca(OH)2水解電離使環(huán)境堿化，在堿性條件下粉煤灰混合料中的SiO2、Al2O3等物質(zhì)緩慢溶解，高鈣粉煤灰與粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)。同時(shí)，高鈣粉煤灰中存在一定量的C3A和C3S，遇水生成CAH和CSH系化合物。主要化學(xué)反應(yīng)式如下：
CaO+H2O→Ca(OH)2
Ca(OH)2→Ca2++2OH—
mCa(OH)2+SiO2+(n-m)H2O→mCaO•SiO2•nH2O
mCa(OH)2+Al2O3+(n-m)H2O→mCaO•Al2O3•nH2O
2(3CaO•SiO2)+6H2O→3CaO•2SiO2•3H2O+Ca(OH)2
3CaO•Al2O3+6H2O→3CaO•Al2O3•6H2O
隨著各種化學(xué)反應(yīng)的不斷深入和部分水分的散失，上述膠凝物質(zhì)逐步結(jié)晶，轉(zhuǎn)化為更為穩(wěn)定的晶體，同時(shí)，部分Ca(OH)2與混合料孔隙中的CO2反應(yīng)生成晶態(tài)的CaCO3（方解石）。
Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O
這些晶體物質(zhì)相互交織構(gòu)成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料形成較高的強(qiáng)度、模量和水穩(wěn)定性。本文在初步研究的基礎(chǔ)上，就幾種典型配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。
3 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的抗壓強(qiáng)度
根據(jù)《公路無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ057—94）的相關(guān)方法，對(duì)不同配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料進(jìn)行制件、養(yǎng)生，測(cè)得其各齡期浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表
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配合比 |
7天 |
28天 |
90天 |
180天 |
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R7 （MPa） |
Cv （%） |
n |
R28 （MPa） |
Cv （%） |
n |
R90 （MPa） |
Cv （%） |
n |
R180 （MPa） |
Cv （%） |
n |
|
|
20:80 |
1.028 |
8.9 |
9 |
1.325 |
7.7 |
9 |
1.682 |
5.3 |
9 |
1.994 |
4.2 |
9 |
|
25:75 |
1.232 |
9.3 |
8 |
1.717 |
5.2 |
9 |
2.031 |
4.0 |
9 |
2.406 |
3.7 |
9 |
|
30:70 |
1.267 |
8.1 |
9 |
2.011 |
8.7 |
9 |
2.476 |
3.3 |
9 |
2.792 |
6.8 |
9 |
注：1．配比為高鈣粉煤灰與粉煤灰的干質(zhì)量比，以下相同；2．試件壓實(shí)度為95%；
3．試件在20±2℃下保濕養(yǎng)生，齡期中包括最后一天的泡水時(shí)間。
從表2可以看出，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的抗壓強(qiáng)度隨高鈣粉煤灰含量的增加而升高，但各配比下混合料的7天抗壓強(qiáng)度均大于0.8MPa，借鑒《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ014—97）對(duì)石灰粉煤灰類(lèi)公路基層材料的強(qiáng)度要求，這些配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料都滿足《規(guī)范》對(duì)公路（底）基層材料的強(qiáng)度要求，可以作為公路的（底）基層材料。
與其它半剛性材料相同，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強(qiáng)度隨齡期而增長(zhǎng)。
分析表2中高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，以及強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)的關(guān)系曲線，用“最小二乘法”原理對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析可以發(fā)現(xiàn)，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強(qiáng)度～齡期之間遵從關(guān)系式：
式中：——浸水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值（MPa）；
D——齡期（天）；
a，b——回歸系數(shù)。
對(duì)高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，即表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，并對(duì)齡期～強(qiáng)度的回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果列于表3。
表3 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料齡期～強(qiáng)度關(guān)系回歸分析
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項(xiàng)目 配比 |
回歸方程 |
相關(guān)系數(shù)r |
相關(guān)系數(shù)臨界值
lang=EN-US style='font-family:宋體'>( |
計(jì)算強(qiáng)度值
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實(shí)際7天強(qiáng)度R7(MPa) |
|
|
a |
b |
|||||
|
20:80 |
0.4139 |
0.2921 |
0.9885 |
0.9800 |
0.982 |
1.028 |
|
25:75 |
0.5472 |
0.3472 |
0.9871 |
0.9800 |
1.223 |
1.232 |
|
30:70 |
0.3978 |
0.4646 |
0.9977 |
0.9800 |
1.302 |
1.267 |
①注：計(jì)算強(qiáng)度R7系按回歸方程計(jì)算得到的7天抗壓強(qiáng)度值。
顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，回歸效果高度顯著。這樣利用表3中的回歸方程，就可以較為準(zhǔn)確地預(yù)估試驗(yàn)范圍內(nèi)各配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料不同齡期的抗壓強(qiáng)度值。
同時(shí)，壓實(shí)度對(duì)高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強(qiáng)度有顯著的影響。如表4所示，壓實(shí)度每降低1%，混合料7天齡期抗壓強(qiáng)度將降低5%～6%。
表4 不同壓實(shí)度下粉煤灰混合料7天抗壓強(qiáng)度（MPa）
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壓實(shí)度 配比 |
90% |
93% |
95% |
97% |
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20:80 |
0.792 |
0.918 |
1.028 |
1.249 |
|
25:75 |
0.835 |
1.085 |
1.232 |
1.430 |
|
30:70 |
0.904 |
1.148 |
1.267 |
1.518 |
4 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的水穩(wěn)定性
高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的水穩(wěn)定性由干濕循環(huán)試驗(yàn)確定。即將試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28天（包括飽水24小時(shí)），自然風(fēng)干48小時(shí)，然后飽水24小時(shí)，經(jīng)過(guò)5次干濕循環(huán)后測(cè)定試件的殘余強(qiáng)度，并與正常養(yǎng)生43天的對(duì)比試件的強(qiáng)度相比較，其比值稱為水穩(wěn)系數(shù)。干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表5。試驗(yàn)結(jié)果表明，各配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的水穩(wěn)定系數(shù)均大于100%，即經(jīng)干濕循環(huán)后試件強(qiáng)度反而提高，可見(jiàn)，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料具有良好的水穩(wěn)定性。干濕循環(huán)后試件的強(qiáng)度反而升高的主要原因是高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強(qiáng)度形成過(guò)程中，需要大量水的參與，循環(huán)過(guò)程中試件在水中的反復(fù)浸泡，有利于促進(jìn)混合料中化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。因此，應(yīng)用高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料修筑公路基層時(shí)，一定要保證及時(shí)灑水養(yǎng)生，以利于其強(qiáng)度的形成。
表5 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的水穩(wěn)定性（壓實(shí)度為95%）
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配 合 比 |
干濕循環(huán)后 |
對(duì)比試件 |
水穩(wěn)定系數(shù)(%) |
||
|
R(MPa) |
Cv(%) |
R(MPa) |
Cv(%) |
||
|
20:80 |
1.510 |
7.9 |
1.437 |
7.5 |
105 |
|
25:75 |
2.148 |
6.5 |
1.853 |
7.2 |
116 |
|
30:70 |
2.469 |
8.4 |
2.150 |
8.0 |
115 |
5 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量
高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果列與表6。從表6的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料有較高的劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量值，其配比為25:75和30:70的劈裂強(qiáng)度略大于二灰土，模量值與二灰土相當(dāng)。
表6 壓實(shí)度95%時(shí)混合料的劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量（180天）
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配 合 比 |
劈裂強(qiáng)度(MPa) |
抗壓回彈模量(MPa) |
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20:80 |
0.215 |
752 |
|
25:75 |
0.308 |
1071 |
|
30:70 |
0.327 |
1307 |
6 結(jié)論
通過(guò)對(duì)高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料路用性能的系統(tǒng)試驗(yàn)研究，可以得出：
(1) 高鈣粉煤灰CaO含量較高（約20%），活性高，可作為低等無(wú)機(jī)結(jié)合料使用。
(2) 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料具有較高的強(qiáng)度、剛度，水穩(wěn)定性好。
(3) 配比為20:80、25:75、30:70的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料滿足公路對(duì)底基層和基層材料的技術(shù)要求，可以作為各級(jí)公路的底基層或基層；也可以作為公路的墊層或用于填筑路堤。
(4) 高鈣粉煤灰和粉煤灰是工業(yè)廢棄物，價(jià)格低廉，用其修筑道路不僅可降低工程造價(jià)，還有利于環(huán)保，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
