高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的路用性能研究

1 引言

粉煤灰是火力發電廠的一種工業廢棄物，是磨細的煤粉燃燒后從煙道排出的廢渣，俗稱“飛灰”。當發電廠采用立式旋風爐時，需要在燃煤中加入一定比例的石灰石（一般為8～10%），共同磨細后噴入爐膛高溫燃燒，爐渣呈融熔狀態由爐底排出，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，修筑道路，不僅可以為道路建設提供建筑材料，減少取土毀地面積，還能減少工業廢料的堆放占地面積及對環境的污染，有利于環保。具有很大的經濟效益和社會效益。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性能。

2 原材料性質

粉煤灰主要由玻璃質（非晶質）的空心球狀顆粒組成，其玻璃質含量占71%～88%。為了防止粉煤灰在空氣中揚塵，往往向干灰堆澆水或將粉煤灰排放在水池中，含水量較大，另外粉煤灰特有的結構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%。但其自身無持水能力，在空氣中很快風干。粉煤灰的玻璃質中空結構使得粉煤灰材料結構疏松，干容重較小（6.1～11.9kN/m3）。粉煤灰內聚力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，其活性較高，遇水有自硬性，可以作為一種無機結合料使用。高鈣粉煤灰與粉煤灰的主要化學成分如表1所示。

表1 高鈣粉煤灰與粉煤灰的化學成分（%）

主要成分 粉煤灰種類	Fe2O3	Al2O3	SiO2	CaO	燒失量	其它
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普通粉煤灰的活性，二者發生一系列的化學反應，使高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料形成較高的強度、剛度和水穩定性。

就化學組成的本質而言，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生成Ca(OH)2，Ca(OH)2水解電離使環境堿化，在堿性條件下粉煤灰混合料中的SiO2、Al2O3等物質緩慢溶解，高鈣粉煤灰與粉煤灰發生火山灰反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質。同時，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。主要化學反應式如下：

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

隨著各種化學反應的不斷深入和部分水分的散失，上述膠凝物質逐步結晶，轉化為更為穩定的晶體，同時，部分Ca(OH)2與混合料孔隙中的CO2反應生成晶態的CaCO3（方解石）。

Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O

這些晶體物質相互交織構成空間網狀結構，使高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料形成較高的強度、模量和水穩定性。本文在初步研究的基礎上，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行試驗研究。

3 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的抗壓強度

根據《公路無機結合料穩定材料試驗規程》（JTJ057—94）的相關方法，對不同配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料進行制件、養生，測得其各齡期浸水無側限抗壓強度試驗結果如表2所示。

表2 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強度統計表

配合比	7天			28天			90天			180天
	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量比，以下相同；2．試件壓實度為95%；

3．試件在20±2℃下保濕養生，齡期中包括最后一天的泡水時間。

從表2可以看出，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的抗壓強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天抗壓強度均大于0.8MPa，借鑒《公路瀝青路面設計規范》（JTJ014—97）對石灰粉煤灰類公路基層材料的強度要求，這些配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料都滿足《規范》對公路（底）基層材料的強度要求，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度隨齡期而增長。

分析表2中高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的無側限抗壓強度試驗結果，以及強度隨齡期增長的關系曲線，用“最小二乘法”原理對試驗數據進行回歸分析可以發現，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強度～齡期之間遵從關系式：

式中：——浸水無側限抗壓強度均值（MPa）；

D——齡期（天）；

a，b——回歸系數。

對高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料抗壓強度試驗結果，即表2中的數據進行回歸分析，并對齡期～強度的回歸方程進行顯著性檢驗，結果列于表3。

表3 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料齡期～強度關系回歸分析

項目 配比	回歸方程系 數		相關系數r	相關系數臨界值 lang=EN-US style='font-family:宋體'>(=0.02，n=4)	計算強度值 (MPa)	實際7天強度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：計算強度R7系按回歸方程計算得到的7天抗壓強度值。

顯著性檢驗結果表明，回歸效果高度顯著。這樣利用表3中的回歸方程，就可以較為準確地預估試驗范圍內各配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料不同齡期的抗壓強度值。

同時，壓實度對高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強度有顯著的影響。如表4所示，壓實度每降低1%，混合料7天齡期抗壓強度將降低5%～6%。

表4 不同壓實度下粉煤灰混合料7天抗壓強度（MPa）

壓實度 配比	90%	93%	95%	97%
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定性

高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的水穩定性由干濕循環試驗確定。即將試件標準養生28天（包括飽水24小時），自然風干48小時，然后飽水24小時，經過5次干濕循環后測定試件的殘余強度，并與正常養生43天的對比試件的強度相比較，其比值稱為水穩系數。干濕循環試驗結果詳見表5。試驗結果表明，各配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的水穩定系數均大于100%，即經干濕循環后試件強度反而提高，可見，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料具有良好的水穩定性。干濕循環后試件的強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度形成過程中，需要大量水的參與，循環過程中試件在水中的反復浸泡，有利于促進混合料中化學反應的進行。因此，應用高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料修筑公路基層時，一定要保證及時灑水養生，以利于其強度的形成。

表5 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的水穩定性（壓實度為95%）

配 合 比	干濕循環后		對比試件		水穩定系數(%)
	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度和抗壓回彈模量

高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的劈裂強度和抗壓回彈模量試驗結果列與表6。從表6的試驗數據可知，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料有較高的劈裂強度和抗壓回彈模量值，其配比為25:75和30:70的劈裂強度略大于二灰土，模量值與二灰土相當。

表6 壓實度95%時混合料的劈裂強度和抗壓回彈模量（180天）

配 合 比	劈裂強度(MPa)	抗壓回彈模量(MPa)
20:80	0.215	752
25:75	0.308	1071
30:70	0.327	1307

6 結論

通過對高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料路用性能的系統試驗研究，可以得出：

(1) 高鈣粉煤灰CaO含量較高（約20%），活性高，可作為低等無機結合料使用。

(2) 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料具有較高的強度、剛度，水穩定性好。

(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底基層和基層材料的技術要求，可以作為各級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廢棄物，價格低廉，用其修筑道路不僅可降低工程造價，還有利于環保，具有顯著的經濟效益和社會效益。