粉煤灰的物理力學特性試驗研究

李自立 宋日英

火電廠運行產(chǎn)生的大量粉煤灰,常送入灰場存放,灰廠要占用許多土地,貯灰壩的修建也需大量的資金,并且灰廠內(nèi)的粉煤灰在干燥多風的季節(jié),常產(chǎn)生飛灰污染環(huán)境。為了節(jié)約資金,減少灰廠內(nèi)粉煤灰的數(shù)量,降低粉煤灰對環(huán)境的污染,進行粉煤灰的綜合利用是一種有效的措施。在工程中使用粉煤灰作為建筑材料時,必須了解其物理及力學特性,本文結合包頭第二熱電廠貯灰場利用粉煤灰建造子壩工程的需要,對粉煤灰的基本物理力學特性進行了試驗,得出了粉煤灰的基本物理力學參數(shù)指標,為粉煤灰的工程應用提供了有益的參考。

1 粉煤灰的基本物理性質(zhì)試驗

1.1 粉煤灰顆粒級配及定名

粉煤灰的顆粒分析采用了篩析法和比重計法兩種方法聯(lián)合測定。從重塑粉煤灰的應力—應變關系曲線中可以看出,筑壩粉煤灰的級配是非常均勻的,粒徑d=0.01 mm～0.5 mm的顆粒占97%,不具粘性,其平均粒徑 d50=0.04 mm,限制粒徑 d60=0.053 mm,有效粒徑d10=0.015 mm,d30=0.022 mm。經(jīng)計算得不均勻系數(shù) Cu=3.5,曲率系數(shù) Cc=0.61,屬不良級配。由于灰場粉煤灰顆粒多為粉粒且不含粘粒,單一的測定方法較難準確測定材料的界限含水率,因此此次試驗采用液塑限聯(lián)合測定和搓條法進行綜合測定,試驗得出粉煤灰的液限 WL=65.7%,塑限 WP=61.5%,塑性指數(shù)Ip=4.1,該灰場粉煤灰應屬于砂質(zhì)粉土。

1.2 粉煤灰的壓實性指標

相對密度試驗得到粉煤灰的最大孔隙比emax=2.401,最小孔隙比emin=1.318,盡管粉煤灰的孔隙比較大,但多數(shù)試驗卻屬中密狀態(tài),相對密度 Dr在0.36～0.77范圍之內(nèi),平均值為 Dr=0.6。盡管粉煤灰的相對密度屬于中密狀態(tài),但壓縮試驗反映其屬于高壓縮性土。壓縮系數(shù) a1-2的平均值為0.65 MPa-1,變化于0.33 MPa-1～1.09 MPa-1之間。粉煤灰的壓縮模量變化于2.65 MPa～7.89 MPa之間,平均值為 4.78 MPa,這一現(xiàn)象尚待進一步探討。

1.3 粉煤灰的擊實特性

擊實試驗采用國標GBJ 123-88規(guī)定方法進行,考慮到施工條件,選用25擊的輕型擊實方法。為了便于設計時參考,也給出了非標準的15擊試驗結果。有關文獻[1][2]指出,在含水量較小時,粉煤灰的擊實曲線會有一段水平段,其最優(yōu)含水量約在40%～60%之間。本次試驗在此含水量附近配制試樣進行擊實試驗,試驗結果見圖1。圖中J-25曲線表示25擊試驗結果,J-15曲線為15擊試驗結果。試驗結果表明,在25擊下,筑壩粉煤灰的最優(yōu)含水量 Wop=50.6%,相應的最大干密度為ρdmax=0.93 g/cm3。在非標準的15擊下,粉煤灰的最優(yōu)含水量 Wop=56.5%,相應的最大干密度為ρdmax=0.88 g/cm3。

1.4 粉煤灰的滲透性特點

粉煤灰的滲透試驗顯示其滲透系數(shù)在10-4cm/s范圍之內(nèi),其平均值為3.19×10-4cm/s,和細砂的滲透系數(shù)一致。因此在采用粉煤灰筑灰壩時,如果不采取防滲措施,那么灰場水的滲漏將會非常嚴重。

2 靜力特征試驗

靜力特征試驗主要是利用三軸壓縮試驗測定土的抗剪強度,通常用3個～4個圓柱形試樣,分別在不同的恒定周圍壓力(即小主應力σ3)下,施加軸向壓力,進行剪切直至破壞,繪制出應力—應變曲線,然后根據(jù)摩爾—庫侖理論,求得抗剪強度參數(shù)。

2.1 試驗設備

試驗設備采用北京華勘科技有限公司研制的KTG-B型靜三軸儀,該儀器具有自動化程度高、操作簡單、結果可靠的特點,能夠按照不同試驗要求自動控制試驗過程并通過微機對試驗數(shù)據(jù)進行計算和處理。

2.2 試驗樣品的制備

包頭第二熱電廠筑灰廠加高加固利用粉煤灰作為筑壩材料,考慮到灰壩運行期的穩(wěn)定,根據(jù)實際工程的需要,對擊實后的粉煤灰進行了三軸靜力學試驗。擊實粉煤灰試樣是根據(jù)按包頭第二熱電廠貯灰廠加高加固后的受力狀態(tài)、密實程度、場地等級等,利用擊實法制備的。試樣的制備按最大干密度為0.93 g/cm3,最優(yōu)含水率為49.2%進行,制成尺寸為φ39.1 mm×80.0 mm的圓柱體。

2.3 粉煤灰三軸壓縮試驗

由于該貯灰場粉煤灰屬于砂質(zhì)粉土類,故在進行三軸壓縮試驗時可采用土工試驗操作規(guī)程中的不固結不排水試驗(UU)和固結不排水試驗(CU),本次試驗用這兩種方法對比進行。試樣的制備方法如前所述,把制備好的試樣按4個一組分為六組,其中三組(每組試樣編號分別為:H1-1～H1-4,H2-1～H2-4,H3-1～H3-4)做不固結不排水試驗,另外三組(每組試樣編號分別為:H4-1～H4-4,H5-1～H5-4,H6-1～H6-4)做固結不排水試驗。

2.4 試驗結果分析

2.4.1 應力—應變曲線特征分析

根據(jù)三軸試驗結果繪制的應力—應變曲線分析可知:應力—應變曲線具有如下特點:應力—應變曲線無明顯的峰值,曲線前半枝(應變值在ε=1%以前)應力隨應變的增加而增加,成線性關系,大約應變值在ε=1%以后,應力仍然隨應變的增加而增加,但成非線性關系,趨向一漸近值。從曲線還可以看出,在加荷的初始階段(應變值ε在 0%～0.2%范圍內(nèi))出現(xiàn)異常段,其原因與試樣的均勻程度有關,為了正確反映粉煤灰的應力—應變關系,對試驗得出的各條應力—應變曲線,均剔除掉初始異常值再進行多項式回歸,從而得出修正和擬合后的應力—應變曲線圖(見圖1)。

2.4.2 抗剪強度的確定及分析

粉煤灰的應力—應變曲線上無峰值點,因此根據(jù)工程實際情況選取軸向應變ε=10%為破壞應變,以此應變對應的 σ1-σ3作為破壞強度值,用不同圍壓下的(σ1f-σ3f)/2為半徑,(σ1f+σ3f)/2為圓心繪制摩爾應力圓,摩爾應力圓的公切線即為粉煤灰的強度包線,強度包線與橫坐標的夾角為粉煤灰的內(nèi)摩擦角φ,強度包線在縱坐標軸上的截距為粘聚力C。

為了模擬粉煤灰材料構筑壩體后未來的工作狀態(tài),本次三軸試驗分別進行了不飽水情況下的不固結不排水強度試驗和飽水情況下的固結排水強度試驗,試驗結果表明:對相同干密度和含水量的試樣,在飽水情況下的固結排水試驗內(nèi)聚力大于不飽水情況下的固結不排水試驗,而內(nèi)摩擦角則小于不飽水情況下的不固結不排水試驗。

3 結語

1)粉煤灰雖然具有與其他巖土工程材料不同的物理特性,但其動靜力學性質(zhì)與砂質(zhì)粉土有些相似,其滲透試驗顯示其滲透性和細砂的滲透系數(shù)基本一致。2)粉煤灰的應力—應變曲線具有如下特點:應力—應變曲線無明顯的峰值,曲線前半枝(應變值在ε=1%以前)應力隨應變的增加而增加,成線性關系,大約應變值在ε=1%以后,應力仍然隨應變的增加而增加,但成非線性關系,趨向一漸近值。3)對相同干密度和含水量的試樣,在飽水情況下的固結排水試驗內(nèi)聚力大于不飽水情況下的固結不排水試驗,而內(nèi)摩擦角則小于不飽水情況下的不固結不排水試驗。4)粉煤灰的軸向應變εa隨偏應力(σ1-σ3)的增加而增加,其增加梯度逐漸變緩,表現(xiàn)出應力—應變曲線具有明顯的非線性特征,(σ1-σ3)與εa基本成雙曲線關系,因此可用雙曲線來擬合。

[1] SL 237-1999,土工試驗規(guī)程[S].

[2] 李松林.動三軸試驗原理與方法[M].北京:地質(zhì)出版社,1990.