粉煤灰、爐渣對干濕循環(huán)下水泥土力學(xué)性能的影響

宋 鑫，崔自治，邢 敏，李亞東

（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川 750021）

水泥土因其材料易得、經(jīng)濟耐久、施工簡便，廣泛應(yīng)用于邊坡、地基和大壩等工程中[1]。粉煤灰、爐渣是經(jīng)過燃燒后產(chǎn)生的固體廢棄物，不僅具有物理填充效果，且具有潛在活性，將其進行處理后再利用對節(jié)能減排具有重要意義。水泥土的強度[2-4]、抗?jié)B性能[5]、彈性模量[6]已有學(xué)者進行了深入的研究。駱永春[7]研究發(fā)現(xiàn)，水泥黃土為脆性破壞，其破壞后殘余強度隨應(yīng)變的增加基本不變，且壓實度越高，無側(cè)限抗壓強度越高。崔永成等[8]對寧夏銀川市城區(qū)摻粉煤灰水泥土的抗壓強度進行正交試驗，發(fā)現(xiàn)其強度隨粉煤灰摻量、水泥摻量及齡期的增大而提高。陳三姍等[9]研究發(fā)現(xiàn)，摻粉煤灰能提高水泥土的抗剪強度，且齡期越長，效果越明顯。丁向群等[10]認為，粉煤灰比表面積增大，能夠改善水泥土前期抗壓強度；在硫酸鹽侵蝕條件下，抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)增大趨勢。上述研究主要集中在粉煤灰、爐渣摻量對水泥土強度的影響，有關(guān)粉煤灰、爐渣對干濕循環(huán)下水泥土性能影響的研究較少。本文以粉煤灰、爐渣摻量為影響因素，研究摻入粉煤灰、爐渣后，在干濕循環(huán)作用下水泥土相對波速及抗壓強度的變化規(guī)律，為水泥土的設(shè)計與施工提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

（1）試驗選用寧夏同心縣黃土，過1 mm 細篩，顆粒級配如圖1 所示，天然含水率為0.7%，最優(yōu)含水率為16.0%，重度為15.8 kN/m3。

圖1 試驗黃土顆粒級配

（2）水泥為寧夏賽馬牌P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，28 d 的膠砂抗壓強度為48.6 MPa。

（3）粉煤灰采用寧夏銀川市熱電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，0.45 mm 篩上的篩余率為17.9%，燒失量為2.1%，在激發(fā)劑的作用下能發(fā)生水化反應(yīng)。爐渣來自寧夏寧東能源化工基地渣場，含水率為13.6%，有一定的水化活性，過0.75 mm 篩使用。黃土、水泥、粉煤灰與爐渣的主要化學(xué)成分如表1 所示。

表1 黃土、水泥、粉煤灰和爐渣主要化學(xué)成分

（4）水為自來水。

1.2 試驗方案

以壓實度0.94、水泥摻量16%和黃土的最優(yōu)含水率16.0%進行制樣，試樣尺寸按規(guī)范設(shè)計為直徑39.1 mm、高度80 mm；按7%，14%，21% 3 種摻量分別摻入粉煤灰、爐渣，粉煤灰試樣依次編號為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，爐渣試樣依次編號為S1，S2，S3，未摻上述兩種材料的試樣記為N0；每組設(shè)置9 個平行試樣，其中3 個用于測定初始無側(cè)限抗壓強度，其余6 個用于干濕循環(huán)試驗；考慮齡期對水泥土強度的影響，設(shè)置養(yǎng)護齡期為60 d。

1.3 試驗方法

試樣達到齡期后取出，對部分試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗；對干濕循環(huán)試驗試樣進行真空飽和濕潤后，于（20±2）℃純水中靜置12 h，然后將試樣放入80 ℃的烘箱中烘干12 h，一次干濕循環(huán)時間為24 h。在4，8，12，16，20 次循環(huán)后，將試樣取出，拍照、稱重，采用DJUS-05 非金屬超聲波儀測定波速，采用TSZ-3 全自動三軸儀測定水泥土的無側(cè)限抗壓強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 初始強度分析

對齡期60 d 的水泥土試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知：水泥土峰值強度與粉煤灰、爐渣摻量呈線性上升規(guī)律，且相關(guān)性良好；其中，N0 峰值強度為10.1 MPa，在粉煤灰摻量為7%，14%，21%下，峰值強度分別提高了32.5%，56.2%，70.3%；在爐渣摻量為7%，14%，21%下，峰值強度分別提高了16.8%，29.5%，50.3%。強度的增長考慮為粉煤灰及爐渣的摻入，激發(fā)了二次水化，即“火山灰反應(yīng)”，水泥熟料中水化生成的Ca（OH）2與粉煤灰、爐渣中的活性SiO2和活性Al2O3經(jīng)水化反應(yīng)，生成比碳酸鈣更加致密的水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物，這些水化產(chǎn)物相互膠結(jié)，并充實試樣內(nèi)部孔隙，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[9，11]；且同等摻量下，粉煤灰對水泥土抗壓強度的提升效果大于爐渣。

圖2 60 d 齡期水泥土峰值強度與摻量的關(guān)系

2.2 外觀分析

圖3 為水泥土試樣在干濕循環(huán)各階段的外觀形態(tài)變化情況。由圖3 可知：在初期第4 次干濕循環(huán)時，各試樣端部有少許微顆粒剝落，原因為干濕循環(huán)易使試樣顆粒膨脹和收縮，造成受力不均而掉落；在經(jīng)歷12 次干濕循環(huán)后，試樣表面由光滑變?yōu)榇植?，考慮為試樣持續(xù)的干縮濕脹，誘發(fā)表皮脫落與小裂縫產(chǎn)生；在經(jīng)歷20 次干濕循環(huán)后，試樣表面出現(xiàn)微小孔洞，結(jié)構(gòu)變得疏松；摻入粉煤灰、爐渣的試樣各階段外觀普遍較N0 更為完整，且隨著摻入比的提高，該現(xiàn)象越明顯，試樣外觀破壞越??；其中，試樣F3 破壞最小，只有少量表皮隨干濕循環(huán)脫落。

圖3 水泥土試樣外觀形態(tài)變化情況

2.3 質(zhì)量分析

為反映土顆粒脫落程度，引入質(zhì)量變化率Δm作為評價指標：

式中：Δm 為試樣質(zhì)量變化率，%；m0，mn分別為試樣的初始質(zhì)量和第n 次干濕循環(huán)后的質(zhì)量，g。

按公式（1）計算可得試樣質(zhì)量變化率與干濕循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系，見圖4。由圖4 可知，水泥土經(jīng)歷干濕循環(huán)時質(zhì)量普遍下降。結(jié)合試樣外觀變化情況可知：隨著干濕循環(huán)的進行，試樣干縮濕脹，試樣表面發(fā)生不同程度的脫落，從而引起質(zhì)量下降，且干濕循環(huán)次數(shù)越多，質(zhì)量損失越大；隨著粉煤灰摻量與爐渣摻量的提高，其帶來的膠結(jié)作用更強，質(zhì)量損失越少；20 次干濕循環(huán)后，同等摻量下，粉煤灰試樣的質(zhì)量損失小于爐渣試樣。

圖4 質(zhì)量變化率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

2.4 波速分析

為直觀反映水泥土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷情況，本文引入相對波率vr進行評價。vr的公式如下：

式中：vr為試樣的相對波率，%；v0為初始波速，km/s；vn為第n 次干濕循環(huán)后的縱波波率，km/s。

按公式（2）計算可得試樣相對波率與干濕循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系，見圖5。

圖5 試樣相對波率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖5 可知，水泥土試樣的波速變化符合以下規(guī)律：干濕循環(huán)引起水泥土結(jié)構(gòu)劣化，但水化反應(yīng)生成的鈣礬石與水化硅酸鈣凝膠填充試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其較為密實，試樣的相對波速呈緩慢下降趨勢；經(jīng)過20 次干濕循環(huán)，試樣N0，F(xiàn)3，S3 的相對波速分別為0.87，0.92，0.90，考慮是粉煤灰、爐渣的摻入增強了水泥土的膠結(jié)能力，減少了干濕循環(huán)下結(jié)構(gòu)的損傷，表現(xiàn)為相對波速損失更少。

2.5 強度分析

通過水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強度試驗，得到水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖6），干濕循環(huán)前后水泥土峰值強度與摻量的關(guān)系如圖7 所示。

由圖6 可知，干濕循環(huán)后（DW-20）水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與未浸泡的試樣（DW0）相似，均可大致分為壓密、彈塑性、破壞、殘余4 個階段。①壓密階段：從加載開始到15%～25%極限荷載為止，此時曲線較為平緩，試樣內(nèi)部的孔隙逐漸壓密。②彈塑性階段：從上階段末尾到70%～85%破壞荷載為止，曲線近似為線性上升，內(nèi)部裂縫開始擴展發(fā)育。③破壞階段：荷載繼續(xù)增大至峰值應(yīng)力，試樣內(nèi)部形成貫通裂縫，達到極限荷載后，承載力極速下降，呈脆性破壞。④殘余階段：曲線下降至拐點后逐漸平緩，試樣仍有殘余強度，且普遍集中在0.5～2.0 MPa。

由圖6～圖7 可知，水泥土試樣峰值強度規(guī)律為：試樣在干濕循環(huán)后峰值強度較循環(huán)前有所下降，其中，N0，F(xiàn)3，S3 分別下降了41.2%，14.7%，25.5%，考慮為反復(fù)的干濕循環(huán)導(dǎo)致試樣的膠結(jié)能力減弱，結(jié)構(gòu)趨于粗糙與疏松，內(nèi)部裂隙加寬，強度下降；干濕循環(huán)后，水泥土峰值強度與摻入物摻量亦呈線性上升規(guī)律，相關(guān)性良好，摻粉煤灰與爐渣能有效抑制干濕循環(huán)的負面影響。

圖6 水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 干濕循環(huán)前后水泥土峰值強度與摻量的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）干濕循環(huán)作用下，水泥土試樣干縮濕脹，膠結(jié)能力減弱，結(jié)構(gòu)受損，表現(xiàn)為表皮脫落，質(zhì)量、相對波速、峰值強度下降。

（2）粉煤灰、爐渣均有二次水化效應(yīng)，生成的水化物膠結(jié)并充實試樣，峰值強度等各項性能均隨摻量的增加而提升。

（3）同等摻量下，粉煤灰對水泥土性能提升的效果優(yōu)于爐渣。