1、粉煤灰在复合地基中的应用研究现状摘要随着我国电力工业的发展，粉煤灰的排放量急剧增加。粉煤灰的综合利用有着重大的应用价值。粉煤灰在岩土工程中广泛应用于土体的改造处理，根据粉煤灰的特点以及软土的特性，探讨了粉煤灰在二灰桩中的应用和作为水泥搅拌桩外掺剂的固化机理。 关键词粉煤灰 ; 二灰桩 ; 水泥搅拌桩 ; 中图分类号： X752 文献标识码： A 引言 我国是个产煤大国，主要以煤炭作为电力生产的基本燃料。电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加。因此，粉煤灰的综合利用，变废为宝、变害为利，已成为我国经济建设中一项重要的技术经济政策，是解决环境污染，资源缺乏之间矛盾的重要手段，也是电力生产
2、所需要解决的环保问题之一。粉煤灰是放错位置的宝贵资源，如果广泛应用于岩土体的整治处理,将使排放量巨大的工业废渣粉煤灰可以得到有效的利用，提高社会经济效益，达到绿色发展要求。本文针对高含水量，高有机质含量软土1，探讨了粉煤灰作为桩体固化材料在复合地基中的应用。 粉煤灰的组成及特点 粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，就我国目前而言，一般是指燃煤电厂和供热锅炉所排放的废气中的固体颗粒经收集起来的矿渣。其中工业上特别是土木工程中运用的粉煤灰主要是来自电厂。粉煤灰根据它含游离氧化钙的含量2来分类：低钙灰(Ca010%)、高钙灰(Ca010%)；按细度2来划分为：按 45m 方孔筛筛余量，级不大
3、于12%，烧失量小于 5%；级不大于 25%，烧失量小于 8%；级不大于45%，烧失量小于 15%。 我国电厂粉煤灰主要化学组成（%）相关信息,如表 1 所示： 表 1.粉煤灰化学成分 粉煤灰在复合地基中的应用 粉煤灰在二灰桩中的应用 二灰桩是以粉煤灰和石灰二者混合硬化成型的新型桩体 4, 5, 6。粉煤灰和石灰的掺入比不同，桩的作用机理也不一样。当以粉煤灰为主，外掺加少量石灰时称为粉煤灰-石灰桩7，由室内无侧限抗压强度试验4, 5可得：粉煤灰和石灰的最佳比例为 9: 1-8: 2，当二者混合击实时干密度越大，无侧限抗压强度值越大。在对南京秦淮河边软土进行室内装桶试验4中，桩体的无侧限抗压强度
4、和干密度,如表 2 和表3 所示： 表 2. 桩体的无侧限抗压强度和干密度 表 3.试验前后土及桩体的含水率 从表中可看出随着干密度的提高使无侧限抗压强度也有很大提高，同时粉煤灰桩具有很好的透水性能5，可以有效减少地下水对地基土危害，同时对桩间土和桩周土的挤密以及保证桩体与土体的摩擦力的提高发挥重要作用。张小平6等研究认为，粉煤灰桩对侧摩阻力提高起到一定作用，同时指出侧摩阻力和桩身应力最大值发生在土体下大约 1-2m处，如图 1,图 2 所示。在软土地质地下水头普遍接近地表的情况下，粉煤灰的水稳性较好，可以减少地下水对桩体的破坏。 图 1.桩身应力与深度的关系 图 2.桩侧摩阻力与深度的关系
5、俞仲泉7等在粉煤灰桩应用于软粘上地基的加固研究中，得出复合地基承载力较天然地基提高了 142%，桩间土承载力提高了 46%，取得了显著的加固效果。 （2） 对于石灰-粉煤灰桩7, 8，其一般配比为，粉煤灰:生石灰=3:7-1:9(按重量)。由于工程造价便宜且施工工艺简单，在地基加固工程中被大量应用。生石灰桩适用于含水量高的软粘土，杂填土，淤泥质粘土和砂质粘土等10。固结机理8, 9, 10不仅具有置换和挤密作用，还有化学膨胀作用，即首先是生石灰对桩孔土体的吸水固结，进而使土体温度升高膨胀挤压以及离子交换10等加固土体，接着引入粉煤灰，进一步的提高地基的水稳定性和力学性能，使桩身整体具有更高的强
6、度和刚度，改善了仅仅使用石灰桩的桩心软化现象9。王梅8等学者通过电镜扫描试验从微观角度去观察土体内部结构变化和孔隙性变化，发现加固后的大孔隙率减少，无害孔隙量增加。由于生石灰和水的反应局部放热量大，容易引发制桩喷灰和地表隆起的问题10，一般采用缩短制桩时间和及时封顶或采用套管法制桩防止发生喷灰现象，增加地表外加压力、采取跳打10等方式避免发生地表隆起现象。 2. 粉煤灰在水泥搅拌桩中的应用 水泥深层搅拌法11适用于加固软土地基、深基坑开挖，止水幕墙等方面，粉煤灰在水泥搅拌桩中加固是利用水泥和粉煤灰在土中固化效果的相互补充，通过搅拌机械将需加固土体与水泥粉煤灰的强制拌和，使混合土凝聚硬化，固桩在
7、一系列的物理化学反应作用下硬凝成具有一定强度的固化土，从而大大地提地基承载力。 （1）粉煤灰在水泥土中的作用机理 粉煤灰微观形态中玻璃体内的可溶性 Al2O3 ，SiO2 的含量和玻璃体的解聚能力3是决定粉煤灰活性的主要因素。当水泥浆与土搅拌后，水泥颗粒表面的矿物质很快与粘土中的水发生水解和水化反应，在颗粒间形成各种水化物，形成高浓度的 OH-碱性环境，粉煤灰玻璃体的解聚能力提高，促使 Si-0 , Al-0 键的断裂，激发粉煤灰活性3,同时在 OH-的作用下，Si0-A1 网络聚合体的聚合度降低，从而形成游离的不饱和活性键，容易与 Ca(OH)2 等物质反应生成水化硅酸钙和水化硅酸铝等胶凝性
8、产物，使水泥土前期强度得到一定的提高，而且当 OH-浓度越大时，其对Si-0 和 A1-O 键的破坏作用就越大。水泥和粉煤灰水化物一部分继续硬化，形成水泥石骨料，一部分与粘土颗粒发生固化反应。通过离子交换和团粒化作用使较小的土颗粒形成较大的土团体，接着逐渐硬凝成不溶于水的结晶化合物，最终使软土形成具有一定整体性，水稳性和较大强度的粉煤灰水泥固化土。 （2） 粉煤灰对水泥土强度的影响 Seishi Tomohisa12等使用粉煤灰来硬化泥浆获得了较好的效果，认为 CaO 和 SO3 含量高的粉煤灰对固化土强度提高效果最好，提出了钙矾石及水化硅酸钙的混合物对固化土强度的提高起主要作用。S.Coli
9、as13等采用粉煤灰和水泥对细粒粘土进行固化，随着固化材料的增加，固化土的塑性降低，抗压强度提高，模量增加。S.Valls 等14在对污水淤泥采用水泥进行加固的研究中发现，加固过程中水泥的掺入比越小，试样的固结时间就越长，有机质在加固过程中起到了重要作用，且通过外掺粉煤灰与 CaCl2 的对比试验，两者都取得了较好的加固效果。因此，钙和硅含量是决定粉煤灰活性的主要物质，它们的化合物直接影响水泥土的强度，尤其在长龄期中，对提高强度的能力超过水泥，保证了水泥土的耐久性。李玉寿15通过在不同有机质含量的水泥土中加入磷石膏、粉煤灰或同时加入磷石膏和粉煤灰来改善水泥土的加固效果，研究发现：对于加固有机质
10、含量高的软土地基，通过控制适当比例的水泥、磷石膏、粉煤灰，才能保证工程加固效果。采用磷石膏与粉煤灰复合加入对水泥土固化效果更好。宫必宁、李凇泉16对软土地基水泥、粉煤灰深层搅拌加固土的物理力学特性也进行了研究，认为在低水泥掺入比(8%)时， “煤灰效应”作用明显，粉煤灰的吸水作用增加，粉煤灰填充土颗粒空隙使土体密实度提高，从而增强了土体强度。粉煤灰和水泥的最佳掺入比例可以在土中起到互补作用，既可以使复合土体的前期强度满足工程要求，又促使后期强度的稳定提高，同时粉煤灰可以减少有机质给水泥土带来的不利影响。周承刚，高俊良，李曦滨17对水泥土中掺加粉煤灰的强度变化进行了试验研究，如图 3 所示，在掺
11、入与水泥等量的粉煤灰时，不同掺入比的水泥土强度均比单掺水泥提高约 10%。 图 3.抗压强度与龄期的关系（aw/%） 邓剑涛11对淤泥质土进行大量室内试验且结合现场施工经验，发现掺加粉煤灰可以有效提高水泥土的无侧限抗压强度以达到减少水泥用量的目的。邵俐等1研究得出结论：适当的粉煤灰掺加量可以有效提高水泥土强度，如果粉煤灰掺加过量就会导致水泥土强度下降。张明，白晓红18通过试验研究表明:粉煤灰可以大大提高水泥土的密实度，提高水泥土的抗渗性能，进而影响强度。通过对粉煤灰水泥搅拌桩处理两个软土地基实例进行了长期监测11，发现桩的后期强度超过设计要求。 （3） 粉煤灰对水泥土变形特性的影响 尹利影19
12、在粉煤灰对硬化水泥石的研究中发现，随着粉煤灰掺量的增加，水泥土干缩变形显著减小。通过水泥浆液中掺加粉煤灰可以降低水泥反应的水化热，减少水泥土的整体膨胀性。张昆20通过对比不同龄期和水泥掺量对粉煤灰固化的应力应变曲线关系（如图 4,图 5） 。 图 4. 应力应变曲线关系（龄期 7 天） 图 5. 应力应变曲线关系（龄期 90 天） 认为短龄期时，应力应变关系可分为压密阶段，塑性屈服阶段，破坏阶段，其中在压密阶段，粉煤灰的加入可以填充水泥土中部分孔隙，一定程度上缩短压缩变形量；屈服阶段，粉煤灰掺量的提高使塑性应变范围变大，根据粉煤灰水泥的干燥收缩是不完全可逆过程19研究，为解决搅拌桩体前期的脆心
13、问题提供理论基础；90d 龄期之后，粉煤灰的掺加在复合土破坏之前可以大大减少压缩量，此时应力增长较快，但对土体变形基本没有太大的影响，且桩体表现出良好的整体稳定性。通过不同龄期的应力应变图也说明了粉煤灰可以有效提高长龄期强度。 （4） 粉煤灰对水泥土微观特性的影响 李 响,阎培渝21采用固液萃取法来提取硬化水泥浆体孔溶液，然后用 pHS-2C 型 pH 计来测定孔溶液碱度，利用 AUToP()RE II 9220 压汞仪测定了孔隙特征，最后使用 FEI Quanta 200 FEG 扫描电镜，在高真空模式下观察了不同水化龄期样品断口的微观形态，如图 6,图 7 所示： 图 6. 3 天时硬化水
14、泥浆体 SEM 照片 图 7. 90 天时硬化水泥浆体 SEM 照片 认为随着粉煤灰的适量增加，孔溶液碱度在一定程度上有所下降，但 pH 值基本能长期维持在 12 以上，不会发生由于粉煤灰的火山灰反应对于 Ca(OH)2 的大量消耗以及低钙硅比的 C-S-H 凝胶对于碱金属离子的固化而带来的液相碱度持续下降的问题。掺粉煤灰的硬化水泥浆体孔隙率随龄期增加而逐渐降低，孔径逐步细化，无害孔和少害孔增多，浆体整体结构逐渐密实22，稳定性得到很大提高。从微观的角度去说明了粉煤灰以钙和硅的胶聚物作用于水泥土，使其结构更密实，从而提高强度。粉煤灰对水泥浆体电化学性质22的影响的研究中得出：随着粉煤灰掺量的增
15、加，水泥混合浆体孔溶液中电解质的电阻减少，且整个体系的阻抗值也减少。侯永峰，龚晓南23在水泥土渗透试验中得出掺加粉煤灰可以有效地减小渗透系数，提高水泥土的抗渗性，达到减料增效节约的目的。 结论 通过分析粉煤灰应用于二灰桩和水泥搅拌桩的固化机理，使桩体强度得到很大提高，土体稳定性和承载力较单纯使用水泥加固的效果明显要好，使土的密实性、耐久性提高。粉煤灰的使用既降低了工程造价成本，缩短施工工期，有效的提高了施工质量。但是，粉煤灰处理软土体的前期强度不高，还不能在广泛地质中高掺量应用等问题还没有得到很好的解决，因此，对粉煤灰作为主要外掺加剂以代替部分水泥以达到理想加固地基的效果的研究还需要更广泛的研
16、究和更深入的探索，才能更合理的利用工业废渣，实现绿色环保，提高社会经济效益。 参考文献 1 邵俐，刘松玉，杜广印，顾明芬. 水泥粉煤灰加固有机质土的试验研究J. 工程地质学报，2008，16(3)：408-414. 2 王将军,孙立军. 高钙粉煤灰的界定J. 粉煤灰综合利用, 2002, (5)：27-29. 3 任书霞，要秉文，王长瑞. 粉煤灰活性的激发及其机理研究J. 粉煤灰综合利用, 2008, (4): 50-52. 4 顾强生，张小平，杨丽娟. 粉煤灰桩加固软基特性的室内试验研究J. 岩上工程技术,1999, (1). 5 张鑫景. 二灰桩处理软土地基的再认识J. 岩土工程技术,19
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