大烧失量粉煤灰在石安高速公路建设中的应用

大烧失量粉煤灰在石安高速公路建设中的应用

艾学刚

摘要：通过对大烧失量粉煤灰化学成分及工程性质分析，结合工程实例中粉煤灰路基填筑及二灰砂底基层施工经验，总结出大烧失量粉煤灰在高速公路建设中的若干经验。

关键词：公路工程；粉煤灰；烧失量；强度；配合比；压实

前言

石安高速公路全长216km，河北省交通厅本着因地制宜、就地取材、保护环境的宗旨，在本路段大量使用了粉煤灰。该公路沿线有石家庄、邢台、邯郸、码头四个热电厂，由于地理位置和设计原因，邢台电厂和邯郸电厂的粉煤灰大量用于路基和路面底基层。经过试验这两个电厂生产的粉煤灰都存在烧失量过大的问题，不满足规范对粉煤灰的要求。大烧失量和颗粒粗会造成结构层强度偏低、压实困难等问题，由于附近的没有其他的粉煤灰来源，加上技术人员对这类材料的性能了解不足，在开始施工时给施工带来了相当的困难。石安高速的建设者们在项目办的领导下，设计、施工、监理、检测部门的科技人员群策群力，通过大量的室内试验、现场试验，最终成功解决了这一难题，成功的进行了粉煤灰路基的填筑和二灰砂底基层的修建，全线粉煤灰用量达1100万吨，修建粉煤灰路堤长72km，二灰砂底基层达55km。

1大烧失量粉煤灰的化学成分及工程特性

1．1化学成分及性质

粉煤灰是原煤经粉碎加工在高温下燃烧融化后冷凝残留的烧结物，呈玻璃质结构。不同电厂排除的粉煤灰，随燃煤种类、煤粉细度、收集方式等条件不同，其化学成分核物理性质有所不同，同一灰场不同部位，其工程性质也有所差异。粉煤灰按燃煤种类可分为硅铝型和硫钙型两种。烧失量是粉煤灰在900～1000℃高温下燃烧30min后的质量损失，烧失量大，说明燃烧不充分，对粉煤灰质量影响较大。由于炭粒粗大、多孔，具有较强的饱水能力且炭粒的大气稳定性差，当粉煤灰中含炭量大时，其需水量也必然增加，从而使材料的强度下降、收缩增加、耐久性下降。未燃尽的煤粉遇水后在表面形成憎水层阻碍水分向粉煤灰内部的渗入，从而影响到粉煤灰的水化反应。同时炭粉也是造成材料体积变化和大气稳定性差的原因。

从表1可以看出沿线粉煤灰均为硅铝型粉煤灰，烧失量均大于12％，不满足规范对材料的要求。同时细颗粒含量不足，属于粗灰或混合灰。

1．2工程特性

轻质是粉煤灰的最大特点，大烧失量粉煤灰质量更轻一点（最大干容重比细灰轻10％以上），压实后最大干容重约为压实粘土（或砂土）的1/2～5/8，对地基承载力要求较低，同普通土相比粉煤灰在软土地基的高路堤有一定优势。

从表2可以看出粉煤灰无粘性，而且粉煤灰烧失量越大，颗粒越粗，粘性越小，现场检测时，湿灰手捏不能成团，手上不留灰迹。设计上充分考虑到这一点，使用了垂直厚度达1m的包边土对其进行保护。

透水性大，粉煤灰烧失量越大，透水性越大，饱水后强度急剧下降（见表2）。粉煤灰烧失量越大，最佳含水量越大，粗灰与细灰相比最大相差10％以上。粉煤灰烧失量越大，自硬性越差。粉煤灰烧失量越大，粉煤灰平均粒径也就愈粗，其压实难度愈大，二次压实效应[1]越明显。

1．3大烧失量粉煤灰降低烧失量的方法

既然大烧失量不符合设计规范和施工规范的要求，同时施工难度也较大，是不是可以采取一定措施来降低烧失量呢？常见的降低少烧失量的方法[3-4]有筛分法（去掉较大粒径粉煤灰）、静电分离法（使不同粒径粉煤灰分离）、燃烧法（燃烧掉多余的炭，降低烧失量）、浮选法（去掉大颗粒粉煤灰）等方法，但是从生产效率和价格上都不适宜大规模生产，同时除燃烧法没有废料外（但是会污染空气），其余都是把相当比例大颗粒粉煤灰作为永久性的垃圾扔掉。对烧失量大的粉煤灰进行简单降低烧失量的做法是不科学的。

2大烧失量粉煤灰在路基工程中的应用

大烧失量粉煤灰从级配分析来看属于粗灰，由于对粗灰施工没有经验，在某试验段铺筑时，发现采用大吨位（36t）振动压路机碾压2遍和碾压16遍表层20～30cm压实度没有多大差别，而且表层的压实度很难达到规定压实度的要求[1-2]；但是从30～50cm处虽然未在表层但是压实度却表现相当不错。从此看来，粗灰粘结性小是造成这一现象的基本原因。根据这一特点，同时经过各试验段的大量试验，逐步摸索出如下施工方法来指导施工。

2．1充分利用二次压实效应把握好压实度标准

既然粗灰的二次压实效应特别明显，那么可以利用试验段的对比结果，在某层第一次压实时，压实标准可以适当采用较低数值控制，待上面一层压实时该层作为下层（大概在30～50cm深度）的压实度（利用二次压实）得到补偿，最终压实度符合规范要求。表3是作为表层时，规范要求的压实度与现场压实度的对比。

河北省交通厅曾在1997年5月，组织检查组对各标段的粉煤灰路基顶回弹模量试验，以采用邢台电厂的F标段为例其平均回弹模量为34.5Mpa，标准差为2.5，偏差系数4.5%，完全符合设计要求。

2．2压实厚度与摊铺技巧

一般对于土质路基要严格控制压实厚度，否则会影响压实效果；然而对于粉煤灰来讲，尤其是对于粗灰来讲，表层不易压实，粉煤灰层较小时，压路机基本上对当前层无压实作用。经过试验，粗灰压实厚度可以大一些，松铺可以达40cm较为有效（兼顾工作效率和二次压实的深度）。同时摊铺时每层先铺较厚的粗灰然后再铺一薄层细灰能起到较好的压实效果；路槽下150cm以下对压实度要求较松，可以多用粗灰；路槽下150～0cm逐渐增加细灰的数量。由于设计已经在粉煤灰路堤顶部20cm采用了二灰砂封层，这样最后一层强度就有了保证。

2．3压实机具与压实技巧

如同前述，仅靠增加压实遍数不会明显提高粗颗粒粉煤灰的压实度。从各试验段来看路槽下150cm以下先用振动压路机振动（20t）碾压4遍再用胶轮压路机（12t）静压2遍，压实度可以达到前述控制要求。路槽下150～80cm为了保证足够的压实度要采用大吨位振动压路机（25t）和较大吨位胶轮压路机（12t）静压；路槽下80～0cm宜采用大吨位振动压路机（50t）和更大吨位胶轮压路机（18t）静压。考虑到粗颗粒粉煤灰的压实特性，在要求较高压实度时，尽量采用增大压实机具的吨位而不是过多增加压实遍数的方法来解决。

2．4含水量控制

从粉煤灰的击实特性可看出，达到90%压实度（重型）的含水量变化范围为10%，而比土的变化范围2%～5%要宽得多。而实际上土的含水量超过3%～5%是根本不易压实的。粉煤灰吸水量大，但失水也快，控制好碾压时的含水量接近或略大于最佳含水量是至关重要的一环。掌握好含水量可以起到事半功倍的效果。含水量大小要根据天气、摊铺及碾压的时间来确定。北方空气干燥，水分蒸发快，粉煤灰遇到的普遍问题是含水量偏低，特别是夏季，粉煤灰经过运输过程和摊铺过程，含水量降低较多；在秋季和初冬季节相对要好一些。具体操作时一是要控制粉煤灰出场要由足够的含水量，加快摊铺速度，大规模施工时要有足够的洒水车辆补充粉煤灰的水分。

2．5养生

成型的粉煤灰路基，如果失水过快，容易产生起皮现象，所以要及时适量洒水养护，或抓紧进行上层施工，防止已压好的粉煤灰因过干松散而造成返工。

2．6压实度检测

常用的路基压实度检测方法有灌砂法、环刀法、核子密度仪法、比重法，另外还有轻型动力触探仪法[1]。核子密度仪法除了需要标定不便外，主要因粉煤灰最大干密度较小而不能使用；环刀法取样时对刚成型的粉煤灰扰动较大，所测结果一般比灌砂法偏低；比重法还不太成熟；灌砂法的检测最为可靠，但是检测效率太低，尤其是在作含水量试验时，大烧失量粉煤灰含水量试验由于受到烧失量较大的影响，应该和实验室标准击实时采用相同的干燥方法得到含水量。从以上分析可以看出，研制新的检测粉煤灰压实度检测方法是很有必要的。经过各标段的大量试验，石安的建设者摸索出一种新的行之有效的检测粉煤灰压实度方法-轻型动力触探仪法。该方法借鉴地基承载力试验的检测设备——触探仪，认为对于同一种材料其压实度越高则其强度也就高，通过大量对比试验发现触探仪检测的标准（锤重10kg和贯入深度10cm）——贯入次数（写作N10－10）与压实度K有较好的回归关系，考虑到保证率等因素后采用公式（1），注意N10－1025时，取N10－10＝25。采用这一方法后，一般3～4min就可以得出结果，而灌砂法则需要8h左右，由此可见工作效率大为提高。

K=71.7+5.463（N10-10-1）0.524（1）

3大烧失量粉煤灰在二灰砂底基层中的应用

二灰砂底基层（石灰＋粉煤灰＋砂）在邢台段E、F标段共修建55km，主要是利用沿线生产砂和石灰的优势。但是由于业主指定的粉煤灰烧失量偏大（14.12%），不满足规范（烧失量≤12%）的要求，同时沿线的砂场多为细砂，给二灰砂底基层的配比设计和施工带来了一定困难。下面仅就配合比设计和优化、路拌施工质量控制等作一简单介绍。

3．1大烧失量粉煤灰在配合比确定时的研究

设计要求二灰砂的7d无侧限抗压强度R7d≥0.7Mpa，现场压实度达到95％（重型击实标准）。通过试验现场的石灰的钙镁含量均合格。砂子材质变化较大，通过认真寻找和多次试验最终确定了几个比较可靠的砂场，这几个砂场的基本材料参数如表4。

从表5资料对比知道在石灰剂量适中时，二灰砂中粉煤灰用量增大，R7d也较大。但是由于粉煤灰运距较远，工程成本也较高。通过强度试验发现，二灰砂中砂子的粗细程度对混合料强度影响较大，砂子的细度模数越小，要满足设计强度要求所需的石灰用量就大，工程成本越高。经过综合评定最后料源选择田村2号砂场和南旺村1号砂场的砂子，确定配合比为：石灰：粉煤灰：砂＝11：32：57（已经考虑生产损耗）。

3．2路拌施工质量控制

下面是以路拌施工20cm厚二灰砂底基层来介绍级其基本流程。

3.2.1摊铺

按混合料最大干密度与石灰、粉煤灰和砂占混合料比例采用分层铺筑方法，将砂子、粉煤灰、石灰依次铺筑在路段内。由于粉煤灰与砂子均为松散体，在铺完砂子后进行粉煤灰铺筑时，车轮会将砂层碾压出较深轮迹，使砂层厚度不均，这样影响局部混合料比例。因此，在砂子铺完以后，需洒水碾压一遍，使砂子表面平整、密实不松散，然后铺筑粉煤灰，铺完后也采用洒水碾压方法，使粉煤灰层表面密实、平整。两种材料铺完后，检查厚度，砂子层铺厚度一般控制在9cm左右(碾压后)，粉煤灰层铺厚度为10cm左右。然后用宝马稳定土拌和机拌和一遍使粉煤灰与砂先混合均匀，然后排压。人工铺消解石灰，厚度为6.5cm。

3.2.2拌和

用宝马稳定土拌和机拌和2～3遍，使3种材料混合均匀，在拌和过程中，随时检查含水量，使拌和后的混合料含水量比最佳含水量大2％～3％，然后排压、找平。

3.2.3找平碾压

用平地机找平，找平时注意控制高程，合格后进行碾压，用钢胶轮振动压路机进行碾压4～6遍，一般达到重型击实的最大干密度95％以上，待压实度合格后再进行养生。

3.2.4养生

用胶轮压路机洒水养生2遍，消除振动压路机轮迹使二灰砂层表面湿润密实不松散，养生期注意洒水，禁止车辆通行。

从施工现场取样进行强度试验，其石灰含量（12%）及7d抗压强度(1.01MPa)均能满足要求，后期强度也较高。

3．3二灰砂沥水性和塑性优势

二灰砂有沥水性和重塑性，在雨季施工过程中，如有二灰砂已经摊铺但尚未拌和，下雨前可以预压1～2遍，断绝交通待到晴天，翻开拌和并碾压成型。如果碾压过程中发现含水量过大，碾压出现弹软现象，可以翻开凉晒，至接近最佳含水量后，再碾压成型，不至于对强度有大的影响。因此说二灰砂材料是较为理想的底基层结构材料。

结束语

经过石安线各标段使用大烧量粉煤灰进行路堤填筑和二灰砂底基层的施工,从施工的实际资料来看,较大烧失量的粉煤灰虽然不符合规范的要求,但只要不大于20%，利用一定施工控制方法和配合比的调整，仍然可以达到令人满意的效果，由此也为大烧失量粉煤灰提供了较好的应用途径，有较好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]张流俊.高速公路软土地基处理技术[M].北京：人民交通出版社.

[2]冯金城等.石安高速建设论文集[C].北京：人民交通出版社.

[3]钱觉时.粉煤灰特性与粉煤灰混凝土[M].北京：科学出版社.

[4]邰连河.新型道路建筑材料[M].北京：化学工业出版社.