1 引言

粉煤灰是火力發(fā)電廠的一種工業(yè)廢棄物，是磨細(xì)的煤粉燃燒后從煙道排出的廢渣，俗稱“飛灰”。當(dāng)發(fā)電廠采用立式旋風(fēng)爐時，需要在燃煤中加入一定比例的石灰石（一般為8～10%），共同磨細(xì)后噴入爐膛高溫燃燒，爐渣呈融熔狀態(tài)由爐底排出，而爐中排出的飛灰即為高鈣粉煤灰，它是CaO含量較高的粉煤灰。全國電廠每年都要排出大量的粉煤灰和高鈣粉煤灰，各大城市電廠中均有很大的儲量，其堆放占用了大量的土地資源。將這些粉煤灰廢棄物利用起來，修筑道路，不僅可以為道路建設(shè)提供建筑材料，減少取土毀地面積，還能減少工業(yè)廢料的堆放占地面積及對環(huán)境的污染，有利于環(huán)保。具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前，工程中多以石灰、水泥等與普通粉煤灰的混合料來作為公路的（底）基層材料，本文介紹高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的主要路用技術(shù)性能。

2 原材料性質(zhì)

粉煤灰主要由玻璃質(zhì)（非晶質(zhì)）的空心球狀顆粒組成，其玻璃質(zhì)含量占71%～88%。為了防止粉煤灰在空氣中揚(yáng)塵，往往向干灰堆澆水或?qū)⒎勖夯遗欧旁谒刂校枯^大，另外粉煤灰特有的結(jié)構(gòu)不但使顆粒之間可以充水，而且顆粒本身的空洞含水，故粉煤灰的含水量變化幅度較大，一般為18%～87%。但其自身無持水能力，在空氣中很快風(fēng)干。粉煤灰的玻璃質(zhì)中空結(jié)構(gòu)使得粉煤灰材料結(jié)構(gòu)疏松，干容重較小（6.1～11.9kN/m3）。粉煤灰內(nèi)聚力c值很小，自身難以成型。

高鈣粉煤灰的CaO含量較高，與普通粉煤灰同屬CaO-Al2O3-SiO2-H2O系統(tǒng)，其活性較高，遇水有自硬性，可以作為一種無機(jī)結(jié)合料使用。高鈣粉煤灰與粉煤灰的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 高鈣粉煤灰與粉煤灰的化學(xué)成分（%）

主要成分 粉煤灰種類	Fe2O3	Al2O3	SiO2	CaO	燒失量	其它
普通粉煤灰	6.59	32.73	48.81	3.87	5.92	2.08
高鈣粉煤灰	5.51	21.26	35.92	19.51	12.17	5.63

普通粉煤灰自身活性較低，但與高鈣粉煤灰混和后，高鈣粉煤灰能夠激發(fā)普通粉煤灰的活性，二者發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，使高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料形成較高的強(qiáng)度、剛度和水穩(wěn)定性。

就化學(xué)組成的本質(zhì)而言，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料和石灰粉煤灰基本相同，根據(jù)加固土原理[3]，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料加水拌和后，其中所含的CaO與微粒之間的水反應(yīng)生成Ca(OH)2，Ca(OH)2水解電離使環(huán)境堿化，在堿性條件下粉煤灰混合料中的SiO2、Al2O3等物質(zhì)緩慢溶解，高鈣粉煤灰與粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)。同時，高鈣粉煤灰中存在一定量的C3A和C3S，遇水生成CAH和CSH系化合物。主要化學(xué)反應(yīng)式如下：

CaO+H2O→Ca(OH)2

Ca(OH)2→Ca2++2OH—

mCa(OH)2+SiO2+(n-m)H2O→mCaO•SiO2•nH2O

mCa(OH)2+Al2O3+(n-m)H2O→mCaO•Al2O3•nH2O

2(3CaO•SiO2)+6H2O→3CaO•2SiO2•3H2O+Ca(OH)2

3CaO•Al2O3+6H2O→3CaO•Al2O3•6H2O

隨著各種化學(xué)反應(yīng)的不斷深入和部分水分的散失，上述膠凝物質(zhì)逐步結(jié)晶，轉(zhuǎn)化為更為穩(wěn)定的晶體，同時，部分Ca(OH)2與混合料孔隙中的CO2反應(yīng)生成晶態(tài)的CaCO3（方解石）。

Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O

這些晶體物質(zhì)相互交織構(gòu)成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料形成較高的強(qiáng)度、模量和水穩(wěn)定性。本文在初步研究的基礎(chǔ)上，就幾種典型配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的路用性能進(jìn)行試驗研究。

3 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的抗壓強(qiáng)度

根據(jù)《公路無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTJ057—94）的相關(guān)方法，對不同配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料進(jìn)行制件、養(yǎng)生，測得其各齡期浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如表2所示。

表2 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強(qiáng)度統(tǒng)計表

配合比	7天			28天			90天			180天
	R7 （MPa）	Cv （%）	n	R28 （MPa）	Cv （%）	n	R90 （MPa）	Cv （%）	n	R180 （MPa）	Cv （%）	n
20:80	1.028	8.9	9	1.325	7.7	9	1.682	5.3	9	1.994	4.2	9
25:75	1.232	9.3	8	1.717	5.2	9	2.031	4.0	9	2.406	3.7	9
30:70	1.267	8.1	9	2.011	8.7	9	2.476	3.3	9	2.792	6.8	9

注：1．配比為高鈣粉煤灰與粉煤灰的干質(zhì)量比，以下相同；2．試件壓實度為95%；

3．試件在20±2℃下保濕養(yǎng)生，齡期中包括最后一天的泡水時間。

從表2可以看出，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的抗壓強(qiáng)度隨高鈣粉煤灰含量的增加而升高，但各配比下混合料的7天抗壓強(qiáng)度均大于0.8MPa，借鑒《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTJ014—97）對石灰粉煤灰類公路基層材料的強(qiáng)度要求，這些配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料都滿足《規(guī)范》對公路（底）基層材料的強(qiáng)度要求，可以作為公路的（底）基層材料。

與其它半剛性材料相同，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強(qiáng)度隨齡期而增長。

分析表2中高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果，以及強(qiáng)度隨齡期增長的關(guān)系曲線，用“最小二乘法”原理對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析可以發(fā)現(xiàn)，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強(qiáng)度～齡期之間遵從關(guān)系式：

式中：——浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均值（MPa）；

D——齡期（天）；

a，b——回歸系數(shù)。

對高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果，即表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，并對齡期～強(qiáng)度的回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗，結(jié)果列于表3。

表3 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料齡期～強(qiáng)度關(guān)系回歸分析

項目 配比	回歸方程系 數(shù)		相關(guān)系數(shù)r	相關(guān)系數(shù)臨界值 lang=EN-US style='font-family:宋體'>(=0.02，n=4)	計算強(qiáng)度值 (MPa)	實際7天強(qiáng)度R7(MPa)
	a	b
20:80	0.4139	0.2921	0.9885	0.9800	0.982	1.028
25:75	0.5472	0.3472	0.9871	0.9800	1.223	1.232
30:70	0.3978	0.4646	0.9977	0.9800	1.302	1.267

①注：計算強(qiáng)度R7系按回歸方程計算得到的7天抗壓強(qiáng)度值。

顯著性檢驗結(jié)果表明，回歸效果高度顯著。這樣利用表3中的回歸方程，就可以較為準(zhǔn)確地預(yù)估試驗范圍內(nèi)各配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料不同齡期的抗壓強(qiáng)度值。

同時，壓實度對高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強(qiáng)度有顯著的影響。如表4所示，壓實度每降低1%，混合料7天齡期抗壓強(qiáng)度將降低5%～6%。

表4 不同壓實度下粉煤灰混合料7天抗壓強(qiáng)度（MPa）

壓實度 配比	90%	93%	95%	97%
20:80	0.792	0.918	1.028	1.249
25:75	0.835	1.085	1.232	1.430
30:70	0.904	1.148	1.267	1.518

4 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的水穩(wěn)定性

高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的水穩(wěn)定性由干濕循環(huán)試驗確定。即將試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28天（包括飽水24小時），自然風(fēng)干48小時，然后飽水24小時，經(jīng)過5次干濕循環(huán)后測定試件的殘余強(qiáng)度，并與正常養(yǎng)生43天的對比試件的強(qiáng)度相比較，其比值稱為水穩(wěn)系數(shù)。干濕循環(huán)試驗結(jié)果詳見表5。試驗結(jié)果表明，各配比的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的水穩(wěn)定系數(shù)均大于100%，即經(jīng)干濕循環(huán)后試件強(qiáng)度反而提高，可見，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料具有良好的水穩(wěn)定性。干濕循環(huán)后試件的強(qiáng)度反而升高的主要原因是高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的強(qiáng)度形成過程中，需要大量水的參與，循環(huán)過程中試件在水中的反復(fù)浸泡，有利于促進(jìn)混合料中化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。因此，應(yīng)用高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料修筑公路基層時，一定要保證及時灑水養(yǎng)生，以利于其強(qiáng)度的形成。

表5 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的水穩(wěn)定性（壓實度為95%）

配 合 比	干濕循環(huán)后		對比試件		水穩(wěn)定系數(shù)(%)
	R(MPa)	Cv(%)	R(MPa)	Cv(%)
20:80	1.510	7.9	1.437	7.5	105
25:75	2.148	6.5	1.853	7.2	116
30:70	2.469	8.4	2.150	8.0	115

5 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量

高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料的劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量試驗結(jié)果列與表6。從表6的試驗數(shù)據(jù)可知，高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料有較高的劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量值，其配比為25:75和30:70的劈裂強(qiáng)度略大于二灰土，模量值與二灰土相當(dāng)。

表6 壓實度95%時混合料的劈裂強(qiáng)度和抗壓回彈模量（180天）

配 合 比	劈裂強(qiáng)度(MPa)	抗壓回彈模量(MPa)
20:80	0.215	752
25:75	0.308	1071
30:70	0.327	1307

6 結(jié)論

通過對高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料路用性能的系統(tǒng)試驗研究，可以得出：

(1) 高鈣粉煤灰CaO含量較高（約20%），活性高，可作為低等無機(jī)結(jié)合料使用。

(2) 高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料具有較高的強(qiáng)度、剛度，水穩(wěn)定性好。

(3) 配比為20:80、25:75、30:70的高鈣粉煤灰與粉煤灰混合料滿足公路對底基層和基層材料的技術(shù)要求，可以作為各級公路的底基層或基層；也可以作為公路的墊層或用于填筑路堤。

(4) 高鈣粉煤灰和粉煤灰是工業(yè)廢棄物，價格低廉，用其修筑道路不僅可降低工程造價，還有利于環(huán)保，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。