CFB飞灰改良土在高速公路的应用研究_王勇.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 0 5收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 8第一作者:王勇(1 9 7 6-),男,高级工程师。通信作者:王宇强(1 9 9 6-),男,助理工程师,硕士。C F B飞灰改良土在高速公路的应用研究王 勇1 李志达1 高志兵1 张建国1 高 鹏2 王宇强2(1.山西路桥集团吕梁国道项目建设管理有限公司 吕梁 0 3 3 0 0 0;2.长治市武理工工程技术研究院 长治 0 4 6 0 0 0)摘 要 文中依托山西省隰吉高速公路,研究循环流化床锅炉除尘飞灰(简称C F B飞灰)改良土路基填料的组成设计与施工工艺,并进行推广应用。结果表明,C F B飞灰可显著提高土的承载比,C F B飞灰的f-C a O含量越高,改良土的C B R值越高;C F B飞灰掺量不宜低于1 0%;改良土采用路拌法施工,可采用单位面积撒铺量和单位长度撒铺总量进行掺量控制,采用路基上中下层含水率的极差进行均匀性控制;C F B飞灰改良土施工后,应洒水保湿养生7d再进行弯沉检测。采用C F B飞灰改良土替代水泥改良土填筑路基,社会、经济效益显著。关键词 道路工程 C F B飞灰 改良土 C B R 拌和 质量控制中图分类号 U 4 1 6 山西高速公路交通载荷大,填土路基一般采用水泥对土进行改良,施工成本高、能耗高,且由于水泥掺量较小,施工时易出现拌和均匀性差问题。与此同时,山西省采用循环流化床(C F B)锅炉燃烧发电的电厂众多,伴随产生大量C F B飞灰1。C F B飞灰中含有固硫产物C a S O4和未固硫热分解形成的游离氧化钙(f-C a O)2,难以如普通粉煤灰一样在水泥、混凝土中应用,主要以填埋堆存方式处理,占用土地且污染环境3。利用工业固废替代水泥进行土体改良是研究热点。任昆、朱凯建等4-5利用煤渣改良土,发现适宜的煤渣掺量可有效提升改良土的力学性能和抗冻性;周鑫、高福宁等6-7采用C F B飞灰作路基填料,发现飞灰路基强度高,经养护后强度大幅增加。李勇辉等8研究表明,C F B飞灰可提高红黏土的强度,但强度提高幅度不大;张永强9研究发现C F B飞灰可提高土体承载比。有关C F B飞灰改良土的原材料选择、配合比设计及其施工工艺、质量控制研究较少,为此,本项目依托山西省隰吉高速公路,拟开展C F B飞灰改良土的组成设计与施工工艺研究,并在路床、台背回填等路基填筑工程中进行推广应用,为C F B飞灰作改良材料应用在公路填土路基工程中提供借鉴。1 原材料与试验方法1.1 原材料试验用A、B、C3种C F B飞灰取自山西省3个不同的煤矸石发电厂的出厂原灰,A、B、C3种C F B飞灰 的 化 学 成 分 相 近(见 表1),以S i O2、A l2O3、C a O、F e2O3、S O3为主,但f-C a O含量差异较大。其中,C的f-C a O含量最高,达6.7%,而A的f-C a O含量仅为0.3%;试验用土取自隰吉高速公路工程路基填筑用土,液限为2 7%,塑性指数为8%,属于低液限黏土。A、B、C3种C F B飞灰的化学成分见表1。表1 不同C F B飞灰的化学成分飞灰种类 X R F元素分析结果/%化学滴定结果/%S i O2A l2O3F e2O3C a OM g OS O3L o s sf-C a OA4 4.63 2.86.73.51.74.95.50.3B3 9.52 9.84.89.61.48.56.22.9C3 6.82 6.94.21 4.81.01 0.75.46.71.2 试验方法1)土的基本性能检测土的液、塑限按照J T G3 4 3 0-2 0 2 0 公路土工试验方法标准 检测。2)C F B飞灰化学成分检测C F B飞灰的化学成分和矿物组成分别采用X射线荧光分析仪和X射线衍射仪检测,C F B飞灰中硫酸盐含量(以S O3计)和游离氧化钙(f-C a O)含量按照G B/T1 7 6-2 0 1 7 水泥化学分析方法 检测。3)C F B飞灰改良土性能检测改良土最大干密度、最佳含水率、C B R均按照J T G3 4 3 0-2 0 2 0检测,其中,C B R采用静压法成型,压实度固定为9 3%,养护方法分为2种,一种为成型后直接浸水(2 02)养生4d(以下简称未保湿养生),另一组成型后先在常温保湿环境(2 02)、9 5 RH%养生7d后再浸水4d(以下简称保湿养生7d)。1.3 试验方案首先,研究不同C F B飞灰掺量及不同种类C F B飞灰改良土的C B R,确定C F B飞灰改良土用原材料和配合比;然后,研究C F B飞灰改良土布料、拌 和 及 碾 压 工 艺 与 质 量 控 制 方 法,提 出C F B飞灰改良土适宜的施工工艺。不同C F B飞灰掺量改良土的击实试验结果见表2。表2 C F B飞灰改良土配合比与击实试验结果C F B飞灰掺量/%最大干密度/(gc m-3)最佳含水率/%01.8 8 61 1.551.8 0 91 2.81 01.7 8 51 3.21 51.7 6 91 3.92 01.7 3 71 4.4 由表2可见,同掺量不同飞灰的击实结果基本相近,随C F B飞灰掺量增 加,改良土的 最佳含水率逐渐增大,这是C F B飞灰需水性高于素土所致。2 C F B飞灰改良土组成设计2.1 C F B飞灰掺量对承载比的影响选用飞灰C,测定不同C F B飞灰掺量改良土的承载比,试验结果见图1。图1 不同C F B飞灰掺量改良土的承载比由图1可见,素土的C B R值较低,仅6.8%,不满足隰吉高速公路上路床C B R大于1 2%的要求。掺入C F B飞灰后,在未保湿养生条件下,改良土随着C F B飞灰掺量的增加,C B R值变化趋势呈 现 抛 物 线 趋 势,在 掺 量1 0%时 达 到 峰 值2 5.7%,为素土的3.8倍,满足上路床C B R要求;保湿养生7d后C B R大幅增加,随C F B飞灰掺量提高,改良土C B R先快速增加,超过1 0%后增速放缓,1 0%C F B飞灰改良土C B R较不保湿养生提高7 9.9%。可见C F B飞灰可显著提高土的C B R,经保湿养生后效果更佳,基于现场拌和均匀性不及实验室条件的考虑,施工时C F B飞灰的掺量不应低于1 0%。2.2 C F B飞灰种类对承载比的影响固定养生方式为不保湿养生,测试A、B、C3种C F B飞灰不同掺量(5%,1 0%,1 5%)改良土的承载比,试验结果见图2。图2 不同种类C F B飞灰改良土的承载比由图2可见,飞灰f-C a O含量与改良土承载比呈正比,f-C a O含量越多,改良土承载比越高。具体地,C F B飞灰A改良土C B R值提高不明显,随着飞灰掺量的增大,C B R提高幅度很低,5%时为9.1%不能达到大于1 2%要求,需提高掺量至1 0%才可达到1 3.4%,而C F B飞灰B、C掺量5%时便可达到1 4.6%,1 7.5%,改良土效果远高于飞灰A。可见,当有多种C F B飞灰可以选择时,应优选f-C a O含量高的。3 C F B飞灰改良土施工工艺研究3.1 施工原材料与配合比为研究C F B飞灰改良土的施工工艺,依托山西省隰吉高速公路铺筑C F B飞灰改良土试验路。根据第2节结论,施工时选择了C F B飞灰C作为原材料,同时考虑到施工拌和的均匀性,C F B飞灰掺量定为1 0%。3.2 布料与C F B飞灰掺量控制施工时C F B飞灰掺量控制是施工质量的关02王 勇等:C F B飞灰改良土在高速公路的应用研究2 0 2 3年第1期键要点。为提高C F B飞灰的掺量的准确控制,试验路采用粉料撒铺车进行C F B飞灰的撒铺,C F B飞灰的撒铺量通过撒铺车的行走速度、转速进行控制,经过多次试验调整确定了撒铺车的行走速度为2.5k m/h,转速为10 0 0r/m i n。为验证撒铺计量的准确性,首先计算了每平方米范围内飞灰的撒铺质量。然后以5 0m为单位将3 0 0m试验段划分为6个区域。撒铺后检测各区域的单位面积的撒铺量,以及每3个区域的撒铺总量,并与理论值进行对比,试验结果见表3。表3 C F B飞灰撒铺量实测值与理论值项目区域1区域2区域3区域4区域5区域6实际平均值理论值相对误差/%单位面积撒铺量/(k gm-2)2 5.02 5.22 4.22 4.92 3.92 4.62 4.62 4.50.43个区域撒铺总量/k g2 55 7 82 51 7 02 53 7 42 55 1 50.6 采用撒铺法撒铺C F B飞灰时,可采用单位面积撒铺量和单位长度撒铺总量结合的方式,检测C F B飞灰掺量是否满足设计配合比。3.3 拌和与C F B飞灰均匀性控制C F B飞灰拌和均匀性是施工的难点。C F B飞灰颜色发红,与土的颜色相近,难以通过肉眼判断。基于C F B飞灰与土的吸水性差异较大,提出采用含水率均匀性表征C F B飞灰与土拌和均匀性,试验段不同湿拌次数,改良土料层上、中、下的含水率(每层松铺厚度为1 0c m)试验结果见表4。表4 改良土不同区域上、中、下层含水率湿拌次数 区域1/%区域2/%区域3/%上中下极差上中下极差上中下极差含水率极差均值/%12 0.61 8.61 7.43.22 1.21 8.01 7.73.51 8.01 7.62 1.03.43.421 8.91 8.41 7.31.61 7.11 8.41 8.61.51 7.61 9.01 8.51.41.531 8.91 8.51 7.71.21 8.51 7.21 7.91.31 8.61 7.61 8.21.01.2 由表4可见,随着拌和次数的增加,上、中、下层含水率极差逐渐缩小,当拌和次数提高至2次时,含水率极差从3.4%降低至1.5%,继续提高至3次,极差降低不明显。可见,C F B飞灰改良土的湿拌次数不宜低于2次,当极差小于1.5%时,基本拌和均匀。3.4 碾压工艺研究在拌和均匀后采用2 2t振动压路机先静压、再振压、再静压的碾压工艺,错轮量为1/4,检测了不同振压遍数对压实度的影响,结果见表5。表5 改良土不同振压遍数压实度振动碾压遍数不同区域的压实度/%区域1区域2区域3区域4区域5区域6平均压实度/%19 4.59 4.09 0.69 4.59 5.69 4.59 4.029 6.29 6.29 4.59 6.89 8.49 6.89 6.539 7.59 6.19 7.09 6.89 7.99 6.79 7.0 由表5可见,提高振动压实遍数可以显著提高压实度,当振压遍数提高至2次,压实度平均值可达9 6.5%,满足压实度9 6%的设计要求,继续提高至3次,压实度提高幅度不大,而且表面1c m出现了裂纹。可见,C F B飞灰改良土适宜的碾压工艺为静压1遍,振动压实2遍,静压收面1遍。3.5 弯沉检测上路床试验段以弯沉值作为验收指标,设计值为 上 路 床 顶 面 弯 沉 值 不 应 超 过2 0 0(0.0 1mm)。为此检测了上路床铺筑后未养护,以及洒水养护0,3,7d的弯沉值,结果见表6。由表6可见,未经养生C F B飞灰改良土的弯沉值较高,达1 9 5.3(0.0 1mm),刚刚达到验收要求,随洒水养生龄期延长,弯沉值逐渐变小,养生7d后弯沉值降低至1 5 0.8(0.0 1mm),降低幅度达2 2.8%,这与试验室养生7d后承载比大幅提高的研究结论相一致。可见,采用C F B飞灰改良土在碾压后应洒水养生7d再进行弯沉验收。表6 改良土不同养生龄期弯沉值桩号填筑后0d/0.0 1mm 填筑后3d/0.0 1mm 填筑后7d