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，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(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(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環(huán)境的污染，有利于環(huán)保。具有很大的經(jīng)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(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塵，往往向干灰堆澆水或?qū)⒎勖夯遗欧旁谒刂校枯^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，可以作為一種無機結(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 |
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(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，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，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(jù)《公路無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTJ057—94）的相關(guān)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(yǎng)生，測得其各齡期浸水無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如表2所示。
表2 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強度統(tǒng)計表
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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(zhì)量比，以下相同；2．試件壓實度為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(shè)計規(guī)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(guī)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(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果，以及強度隨齡期增長的關(guān)系曲線，用“最小二乘法”原理對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析可以發(fā)現(xiàn)，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強度～齡期之間遵從關(guān)系式：
式中：——浸水無側(cè)限抗壓強度均值（MPa）；
D——齡期（天）；
a，b——回歸系數(shù)。
對高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料抗壓強度試驗結(jié)果，即表2中的數(shù)據(jù)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(jié)果列于表3。
表3 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料齡期～強度關(guān)系回歸分析
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項目 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'>( |
計算強度值
|
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(jié)果表明，回歸效果高度顯著。這樣利用表3中的回歸方程，就可以較為準確地預(yù)估試驗范圍內(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）
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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(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)試驗確定。即將試件標準養(yǎng)生28天（包括飽水24小時），自然風(fēng)干48小時，然后飽水24小時，經(jīng)過5次干濕循環(huán)后測定試件的殘余強度，并與正常養(yǎng)生43天的對比試件的強度相比較，其比值稱為水穩(wěn)系數(shù)。干濕循環(huán)試驗結(jié)果詳見表5。試驗結(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(wěn)定性。干濕循環(huán)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(huán)過程中試件在水中的反復(fù)浸泡，有利于促進混合料中化學(xué)反應(yīng)的進行。因此，應(yīng)用高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料修筑公路基層時，一定要保證及時灑水養(yǎng)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(wěn)定性（壓實度為95%）
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配 合 比 |
干濕循環(huán)后 |
對比試件 |
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(jié)果列與表6。從表6的試驗數(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(dāng)。
表6 壓實度95%時混合料的劈裂強度和抗壓回彈模量（180天）
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配 合 比 |
劈裂強度(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
通過對高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料路用性能的系統(tǒng)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(jié)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(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底基層和基層材料的技術(shù)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(yè)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(huán)保，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
