固化粉煤灰试验研究

2007年1月　　

公　路　交　通　科　技

Journal of Highway and T ransportation Research and Development

V ol 124　N o 11

　　Jan 12007

文章编号:1002Ο0268(2007)01Ο0026Ο04

收稿日期:2005Ο08Ο16

作者简介:沈正(1975-),男,江苏建湖人,博士研究生,从事道路材料特性研究工作1(sz751026@yahoo 1com 1cn )

固化粉煤灰试验研究

沈　正,黄晓明

(东南大学　交通学院,江苏　南京　210096)

摘要:对粉煤灰加入固化剂进行试验研究,分析了不同配比、龄期、养护温度以及掺入水泥对固化粉煤灰的无侧限抗压强度的影响;分析了不同配比、龄期对固化粉煤灰的抗剪强度的影响;通过对不同配比的固化粉煤灰进行抗冻试验,研究了固化粉煤灰的抗冻性能。试验结果表明,固化粉煤灰具有良好的耐久性、稳定性,浇注后强度稳定增长,尤其中、后期强度较高,对于工程是有益的。因此,固化粉煤灰作为三背回填材料是可行的。关键词:固化粉煤灰;无侧限抗压强度;抗剪强度;抗冻性能中图分类号:U4161216　　　　　　　　文献标识码:A

Te st Study on the Solidified Fly Ash

SHE N Zheng ,H UANG X iao Οming

(T ransportation C ollege ,S outheast University ,Jiangsu 　Nanjing 　210096,China )

Abstract :A series of tests were conducted in laboratory to study the fly ash added with s olidifying agent ,the in fluence on the uncon fined com pression strength of s olidified fly ash is analyzed under the different s olidifying agent content and conserving time and conserving tem perature and adding cement 1The effect of different s olidifying agent content and conserving time on the shear strength of s olidified fly ash is als o analyzed 1Through the frost resistance test on the fly ash added with different s olidifying agent content ,the frost resistance of s olidified fly ash is studied 1The test results show that the s olidified fly ash possesses fine durabitity and stability ,and after it is made ,its strength gradually rises ,especially the middle and last period strength of it is com paratively high ,which is g ood for the construction 1T o sum up ,the s olidified fly ash is suitable for the filling materials of the back of retaining wall ,abutment and culvert 1K ey words :s olidified fly ash ;uncon fined com pression strength ;shear strength ;frost resistance

0　引言

在市政的沟槽回填工程中,由于地下管线交替,

作业空间小,不宜夯击或碾压,回填后很难达到实际要求的密实度,容易发生不均匀沉降或局部沉陷,达不到道路工程的设计要求,直接影响道路工程、管线工程的质量和使用寿命[1]

。同时受施工条件,靠近桥台背处施工作业面狭窄,不易靠近桥头,仅能采用人工夯实或小型夯实机械,不能保证填土压实质量,而造成桥头路基达不到设计要求和规范标准,从

而产生桥头跳车[2,3]

。固化粉煤灰具有自重轻、流动性好、易于振捣、施工方便等特点,可以很好地解决上述问题。本文对固化粉煤灰在城市沟管涵和三背回

填工程中的应用进行了大量的试验研究,得到一些有

益的结论。1　试验原料

粉煤灰采用镇江谏壁电厂湿排低钙灰,其基本性

质如表1所示。固化剂采用镇江市三新建设科技公司

表1　粉煤灰的基本性质

T ab 11　Basic property of fly ash

项目S iO 2Π%Fe 2O 3Π%Al 2O 3Π%CaO Π%烧失量Π%细度Π%检测值

46124

2183

20192

0156

1113

3612

生产的粉煤灰固化剂,它是一种粉煤灰增强胶结材

料,由增强剂、I 级粉煤灰、MFA 激发剂等材料组

表2　固化剂化学成分分析

T ab12　Analysis on the chemistry com position of s olidifying agent

项目S O3Π%CaOΠ%M gOΠ%S iO2Π%

检测值2713363181881152

2　粉煤灰固化机理

固化粉煤灰的强度形成机理与水泥凝结硬化形成强度相类似[4,5],其混合料充分拌和后,在一定pH 值条件下(碱性环境中),通过各种途径的一系列化学反应和离子交换作用,使混合料中的矿物成分在微颗粒周围形成晶体结构的多种水化物。这种以微颗粒和水化物组成的胶体粒子在分子力作用下,凝聚成网状结构,在吸收化学反应过程中放出的热量、外界压力(碾压)、温度(气温)的作用下而硬化,形成以化学键相结合的结晶体网状结构骨架而形成强度,生成密实而坚硬的半刚性板体。

根据上面对粉煤灰的化学成分分析可知,粉煤灰中主要含有大量的经过焙烧后的活性SiO

2、Al2O

3、Fe2O3等酸性氧化物,以及少量的CaO等,其中前3种氧化物含量约占75%以上。由于粉煤灰中CaO的含量一般比较低,因而其自凝性较差,在抗剪强度指标方面表现为粘聚力值较低,而固化剂中含有大量的CaO、硫酸盐、碱金属氧化物等,这两种材料经拌合后,在一定含水率条件下发生一系列水化反应,其反应过程可用如下化学反应方程式表示[6～8]:

CaO+H2O→Ca(OH)2,

Ca(OH)2+SiO2+H2O→CaO・SiO2・n H2O,

Ca(OH)2+Al2O3+H2O→CaO・Al2O3・n H2O,

Ca(OH)2+Fe2O3+H2O→CaO・Fe2O3・n H2O,

5CaO・3Al2O3+4Ca(OH)2+3CaS O4+32H2O→

　　3(3CaO・Al

2

O3・CaS O4・12H2O),

12CaO・7Al2O3+9Ca(OH)2+7CaS O4+75H2O→

　　7(3CaO・Al

2

O3・CaS O4・12H2O),

3CaO・Al2O3+CaS O4+12H2O→3CaO・Al2O3・

　　CaS O

4

・12H

2

O,

3CaO・Al2O3・CaS O4・12H2O+2CaS O4+20H2O→

　　3CaO・Al

2

O3・3CaS O4・32H2O。

上述反应所生成的水化硅酸钙(CaO・SiO

2・n H2O)、水化铝酸钙(CaO・Al2O3・n H2O)、水化铁酸钙(CaO・Fe2O3・n H2O)、低硫水化硫铝酸钙(CaO・Al2O3・CaS O4・12H2O)和高硫硫铝酸钙(CaO・Al2O3・3CaS O4・32H2O)等化合物为不溶于水的稳定性结晶生成物,可以在空气和水中逐渐硬化,将拌和物中的固体颗粒胶结在一起,形成了较大的团粒结构,使得粉煤灰混合物的强度高于纯粉煤灰的强度。

3　固化粉煤灰的力学性质试验研究

311　无侧限抗压强度试验研究

31111　配比和龄期对强度的影响

本试验研究用固化剂、粉煤灰材料为同一规格材料,采用对比试验的配比为固化剂∶粉煤灰=3∶100、415∶100、6∶100和715∶100等4种,试验采用的试件尺寸为10cm×10cm×10cm,具体参照混凝土立方体抗压强度试验方法进行。检测了7、28、90d的饱水抗压强度,试验结果见表3和图1。

表3　不同配比固化粉煤灰强度试验结果

T ab13　T est results of strength on the different ratio of mixture of s olidified fly ash

编号材料配比

7d抗压强度ΠMPa

R c C vΠ%R c0195

28d抗压强度ΠMPa

R c C vΠ%R c0195

90d抗压强度ΠMPa

R c C vΠ%R c0195

A1固化剂∶粉煤灰=3∶100015151601462133719210341197143168 A2固化剂∶粉煤灰=415∶100015381601462147813211351226194163 A3固化剂∶粉煤灰=6∶100015691401472188611215971133156172 A4固化剂∶粉煤灰=715∶100016071601533104619217071465136181

　　由表3和图1可以看出,配比随着固化剂含量的增加,早、中期强度增长不是很明显,但后期强度增长明显,这说明粉煤灰混合料的强度发展是缓慢的。资料表明:粉煤灰混合料90d强度未达到最大强度的70%,随着龄期的增长,其强度值还会进一步增加。同时,其强度在2年后还在不断增长。就不同配比相同龄期来看,7d强度基本保持在015MPa左右,28d强度能达到210MPa以上,90d强度在410MPa 以上,固化剂掺量在715%以上,其90d强度超过710MPa以上。具体分析其原因,当粉煤灰和固化剂发生水化反应时,形成的水化物晶体联结粉煤灰颗粒,使粉煤灰混和料的强度逐渐增大,因此固化粉煤灰强度主要取决于颗粒之间水化物的强度及水化物与颗粒之间的联结强度。当单位体积粉煤灰混合物中固

72

第1期　　　　　　　　　　　　　　　　　　沈　正,等:固化粉煤灰试验研究　　　　　　　　　　　　　　　　　

图1　不同配比和抗压强度之间的关系

Fig11　The relation between the different ratio of mixture

and the com pressive strength

化剂含量增加时,在同一龄期下,反应生成的水化物更多,在粉煤灰颗粒界面处生成的水化物网状交织越密集,所以强度随着固化剂含量的增加而增大。同时,在龄期初期,固化剂和粉煤灰尚未充分发生化学反应,水化胶凝物质尚未形成和硬化,强度较低,随着龄期的增长,生成的联结颗粒间的水化胶凝物质也增多,因此固化粉煤灰强度随龄期增长而增大。固化粉煤灰后期强度增长比较明显的主要原因是粉煤灰与固化剂的发生水化反应比较缓慢,反应周期很长。从试验结果可以看出,固化粉煤灰的强度可通过配合比的调整来满足不同强度设计要求。31112　水泥对固化粉煤灰强度的影响

在415∶100和6∶100的固化粉煤灰中掺入115%剂

量的425号水泥,混合料不同龄期的抗压强度见表4。

表4　外掺水泥对固化粉煤灰抗压强度的影响

T ab14　The in fluence of added cement on the com pressive strength

of s olidified fly ash

编号

不同龄期的浸水抗压强度ΠMPa

3d7d14d28d90d B101340168115621515128

B201320171118731067126

　　由表4,并对照表3可以看出,在混和料中加入水泥,固化粉煤灰的早期强度增长比较明显,而后期强度则变化不大。主要因为固化剂和粉煤灰反应比较缓慢,加入水泥后,水泥和粉煤灰反应比较迅速,而后期强度增长不是很明显主要是由于水泥的和粉煤灰在早期时反应已完成,后期主要是固化剂已和粉煤灰发生反应。所以对于工期比较紧的工程,在固化粉煤灰中可适当加入少量水泥,提高固化粉煤灰的早期强度,一般对工期无要求的工程,可以不掺水泥。31113　养护温度对固化粉煤灰强度的影响

按415∶100配比分别制作了在标准养护、0～5℃和30℃条件下的固化粉煤灰养护试件。在不同的养

护条件下的试验数据见表5,其中,E

1为标准养护; E2为0～5℃养护;E3为30℃养护。

表5　养护条件对固化粉煤灰抗压强度的影响

T ab15　The in fluence of different maintenance conditions on the com pressive strength of s olidified fly ash

编号材料配比

7d抗压强度ΠMPa

R c C vΠ%R c0195

28d抗压强度ΠMPa

R c C vΠ%R c0195

60d抗压强度ΠMPa

R c C vΠ%R c0195

E1固化剂∶粉煤灰=415∶100015381601462147813211351127104153 E2固化剂∶粉煤灰=415∶100013871101341193414117951065194157 E3固化剂∶粉煤灰=415∶100017251801652198815215651613175127

　　由表5可以看出,在不同温度、湿度条件下的养护对固化粉煤灰的早期和中期抗压强度影响还是比较大的。主要由于是在温度高时,固化剂和粉煤灰的反应速度比较快,在相同的龄期下反应生成的水化物更多,在粉煤灰颗粒界面处生成的水化物网状交织越密集,所以强度相应要比温度低时要大。而当龄期较长时,不同养护条件下固化剂与粉煤灰反应都比较充分了,所以表现在温度高时固化粉煤灰的早中期强度比较高,后期强度则相差不大。

312　直剪试验研究

采用对比试验的配比为固化剂∶粉煤灰=3∶100、415∶100、6∶100和715∶100等4种,检测了7d和28d 的抗剪强度,试验结果见表6和图2,试验方法参照《公路土工试验规程》(J T J051Ο93)直接剪切试验方法进行。

表6　固化粉煤灰抗剪强度试验结果

T ab16　T est results of shear strength of s olidified fly ash 编号材料配比

cΠkPa

7d28d

φΠ(°)

7d28d A1固化剂∶粉煤灰=3∶1004411491530123410

A2固化剂∶粉煤灰=415∶1005210561831153619

A3固化剂∶粉煤灰=6∶10056156932193911

A4固化剂∶粉煤灰=715∶1002003004547

　　由表6和图2可以看出,粉煤灰混合料的с、φ随着混合料中固化剂含量、养护龄期的增加而增大。当混合料中的固化剂的含量达到715%时,с、φ值增长较大,当龄期为28d时,с值达到300kPa,φ

82　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　公　路　交　通　科　技　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第24卷图2　不同配比、龄期的固化粉煤灰抗剪强度曲线

Fig12　The shear strength curve of s olidified fly ash

under different ratio of mixture and maturity

达47°。其原因是单位体积混和料中固化剂含量越多,在同一龄期内混合料内固化剂和粉煤灰发生化学反应生成胶凝物质(硅酸钙、铝酸钙、铁酸钙等)就越多,在粉煤灰颗粒界面处生成的水化物网状交织越密集,水化物与粉煤灰颗粒之间的联结强度就越高,表现在固化粉煤灰的抗剪强度指标得到增加。固化剂和粉煤灰发生化学反应,生成水硬性胶结物质,其凝结、硬化需要有一定时间。因此在含水率保持不变的情况下,随着时间的增长,固化粉煤灰的强度也随之增加,并逐渐达到一定值,同样也表现出固化粉煤灰的抗剪强度指标随龄期增长得到增加。

313　抗冻性能试验研究

采用对比试验的配比为固化剂∶粉煤灰=3∶100、415∶100、6∶100和715∶100等4种,抗冻性能试验方法参照混凝土抗冻性能试验。考虑到强度等级,我们将试验条件作了调整,将冷冻温度调至-5℃,冻融时间分别为2h,进行了5个循环。试验结果见表7。

表7　固化粉煤灰抗冻性能试验结果

T ab17　T est results of frost resistance of s olidified fly ash 编号

抗冻性能

强度损失Π%质量损失Π% A128712

A226612

A323519

A419514

　　由表7可以看出,随着固化剂含量的增加,固化粉煤灰强度损失和质量损失逐步降低,抗冻性能逐步增强。因为,随着固化剂含量的增加,单位体积粉煤灰混和料中固化剂和粉煤灰反应生成水硬性胶凝物质更多,在粉煤灰颗粒之间生成的水化物网状交织越密集,水化物与颗粒之间的联接强度也越大,在循环冻融作用下,强度越不易降低。

在市政工程中,粉煤灰混合料作为路基,管线回填,一般都在地面以下,冬季气温一般在不会很低。所以,混合料受到的气温侵蚀在-5℃以上,其强度质量稳定性很好。

4　结论

(1)固化粉煤灰具有轻质、良好的耐久性、稳定性和整体性能,施工后强度稳定增长,尤其中、后期强度较高,对于工程是有益的。将其作为三背回填替代材料是可行的。

(2)固化粉煤灰由于和易性好,施工方便,它对于工程中不规则形状的沟槽,用其固化粉煤灰早期的流动性及可振捣性,有效地解决了因无法碾压、夯实而引起的沉降变形,在管线沟槽和三背回填中具有显著的优势。

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