摘 要 探討了利用燃煤電廠排出的工業(yè)廢料——高鈣型粉煤灰進行軟土地基加固的機理，通過理論分析以及現(xiàn)場噴粉樁試驗可以看出，用粉煤灰噴粉樁進行軟土地基加固是切實可行的。
關(guān)鍵詞 粉煤灰 噴粉樁 軟基加固 機理
１ 前言
噴粉樁系一種用干粉與飽和軟土進行深層攪拌的軟基加固方法。它是用粉體膠結(jié)材料作為固化主劑，通過深層攪拌機械，將固化劑和軟土強制攪拌，利用粉體膠結(jié)材料吸水，與土顆粒發(fā)生水解、水化反應(yīng)并進行陽離子交換等物理化學(xué)作用，形成連續(xù)、水穩(wěn)性的堅硬拌和樁體，從而使地基土工程性質(zhì)得到局部改善，并與樁間土構(gòu)成復(fù)合地基。目前，粉噴樁的粉體膠結(jié)材料主要使用水泥和生石灰，經(jīng)過多年的試驗、研究和工程實踐，已取得較好的技術(shù)經(jīng)濟效果，可廣泛用于淤泥質(zhì)土、沖填土、軟粘土、粉細紗等軟基加固。
粉煤灰是燃煤電廠排出的主要工業(yè)廢料，價格便宜，屬于富含粘土礦物的硅質(zhì)材料，由多種氧化物組成，具有一定的活性，在一般意義上，粉煤灰可分成兩種類型：低氧化鈣粉煤灰和高氧化鈣粉煤灰，高鈣型粉煤灰比低鈣型粉煤灰的活性大，水化初期能生成較多的堿性膠體，后期再生成硅酸鹽或鋁酸鹽結(jié)晶物質(zhì)。若能以粉煤灰作為噴粉樁的膠結(jié)材料，不僅為粉煤灰綜合利用找到一條新的途徑，而且為加快工業(yè)、民用與市政工程建設(shè)、降低成本提供了穩(wěn)定的原材料來源。
２ 試驗材料的基本性質(zhì)
２．１ 淤泥的基本性質(zhì)
試驗用淤泥的天然含水量ω為４４?郾７％，濕密度γω為１７０％，干密度γｄ為１?郾２３％，比重γｓ為２?郾７３ｔ／ｍ３，孔隙比ｅ為１?郾２６，塑性指數(shù)Ｉρ為２０?郾８，壓縮系數(shù)αＶ為０?郾８５ＭＰａ－１，壓縮模量Ｅｓ為２?郾４５ＭＰａ。
２．２ 粉煤灰的基本性質(zhì)
２．２．１ 粉煤灰的化學(xué)組成
粉煤灰是燃煤電廠排出的一種工業(yè)廢料，呈灰色或灰白色。一般粉煤灰的化學(xué)成分主要為ＳｉＯ２和Ａｌ２Ｏ３，這兩種成份的總含量在６０％以上。如果原煤的成份特殊或在燃煤中摻入一定量的石灰石，粉煤灰的化學(xué)成份有較大的改變，形成高鈣型粉煤灰。表１中列出了幾種粉煤灰的化學(xué)成份與含量，粉煤灰的化學(xué)組成及含量與煤質(zhì)、石灰石摻入量、粉煤灰的熱歷史(爐溫、煤粉細度、升溫速度、冷卻條件及吸塵方式等)等有關(guān)。
２．２．２ 粉煤灰的物理性質(zhì)
粉煤灰的比重、容重、細度、比表面積、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量等是反映粉煤灰物理特性的指標(biāo)，表２列出了我國電廠粉煤灰的物理特性。已有研究表明，粉煤灰的物理特性是反映其水化程度的一個重要參數(shù)。
２．２．３ 粉煤灰的活性
粉煤灰的活性一般指它的火山灰活性，低鈣型粉煤灰在常溫常壓潮濕環(huán)境下不能硬化，并不呈現(xiàn)水硬活性，但大量的研究表明其活性是“潛在”的，只有在外在條件的誘導(dǎo)下才得以激發(fā)。高鈣型粉煤灰在常溫常壓潮濕環(huán)境下能夠逐漸硬化，就是這種活性發(fā)揮的結(jié)果。這是因為粉煤灰在水化初期能夠生成較多的堿性膠體，后期再生成ＣＳＨ或ＣＡＨ系水化物，這兩種水化物都具有一定的強度。大量的研究表明，不同品質(zhì)的粉煤灰，其ＣａＯ含量及玻璃體的含量愈高、含炭量愈低、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量愈小，粉煤灰的活性就愈大?；钚源蟮姆勖夯以谒磻?yīng)過程中，生成具有凝膠性能水化物的能力就強。
３ 粉煤灰的加固機理
噴粉樁軟基加固的原理是通過深層攪拌機械將軟土與膠結(jié)材料強制攪拌，使軟土與膠結(jié)材料發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，形成堅硬的拌和樁體。由于粉煤灰的化學(xué)成份與巖相組成不同于其它膠結(jié)材料，故有必要對粉煤灰加固原理進行研究。
３．１ 粉煤灰的水化過程
粉煤灰與軟土拌和后，其中ＣａＯ遇水即發(fā)生反應(yīng)生成Ｃａ(ＯＨ)２：
ＣａＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｃａ(ＯＨ)２＋１５?郾６Ｋｃａｌ／ｍｏｌ
在這一反應(yīng)過程中，粉煤灰具有吸水、發(fā)熱的特性。在不斷產(chǎn)生Ｃａ(ＯＨ)２的條件下，粉煤灰外層的水間層起到輸送Ｃａ(ＯＨ)２的作用，使得Ｃａ(ＯＨ)２不斷地擴散到玻璃體表面，發(fā)生化學(xué)吸附和侵蝕，并產(chǎn)生含水硅酸鈣和含水鋁酸鈣。
ｍＣａ(ＯＨ)２＋ＳｉＯ２＋(ｎ－ｍ)Ｈ２Ｏ→ｍＣａＯ·ＳｉＯ２·ｎＨ２Ｏ
ｍＣａ(ＯＨ)２＋Ａｌ２Ｏ３＋(ｎ－ｍ)Ｈ２Ｏ→ｍＣａＯ·Ａｌ２Ｏ３·ｎＨ２Ｏ
所形成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣膠體包裹在玻璃體顆粒表面，但隨著反應(yīng)的不斷深入，凝膠層逐漸加厚，使玻璃體進一步水化受到抑制，反應(yīng)速度減慢，導(dǎo)致粉煤灰顆粒水化需要很長的時間。
當(dāng)上述反應(yīng)有二水石膏存在時，水化反應(yīng)結(jié)果還可產(chǎn)生水化硫鋁酸鈣。
ｍＣａＯ·Ａｌ２Ｏ３·ｎＨ２Ｏ＋ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ→ｍＣａＯ·Ａｌ２Ｏ３·ＣａＳＯ４(ｎ＋２)Ｈ２Ｏ
水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣都是水硬性化合物，可在粉煤灰顆粒表面形成膠質(zhì)狀的結(jié)晶體。因此，可以初步認為Ｃａ(ＯＨ)２和ＣａＳＯ４在某種程度上能夠激發(fā)粉煤灰的活性，使粉煤灰的初期水化能力增強，呈現(xiàn)水硬活性。
由于粉煤灰中含有一定量的ｆ－ＣａＯ、ＳＯ３、ＭｇＯ等成份，它們在粉煤灰水化過程中體積產(chǎn)生膨脹，在噴粉樁深層攪拌這一特定條件下，可利用這一膨脹率來增加軟基加固效果。當(dāng)然，這些成份含量不宜過高，否則會使樁基發(fā)生膨脹而遭致破壞。
３．２ 離子交換與土微粒的凝聚作用
粉煤灰與軟土拌和后，水化產(chǎn)生Ｃａ(ＯＨ)２，Ｃａ(ＯＨ)２也可以Ｃａ２＋、ＯＨ－的形式存在，并與土微粒表面帶有Ｎａ＋、Ｋ＋等陽離子進行當(dāng)量吸附交換，使土粒間的結(jié)合力增強，較小的土顆粒形成較大的土團粒結(jié)構(gòu)，從而改變了土的工程性質(zhì)。
在粉煤灰加固土的形成過程中，粉煤灰的水化與土粒對Ｃａ２＋、ＯＨ－的吸附是同時進行的，由于離子交換，將降低粉煤灰土孔隙水Ｃａ２＋、ＯＨ－的濃度，使粉煤灰土孔隙中Ｃａ(ＯＨ)２處于不飽和狀態(tài)，導(dǎo)致粉煤灰水化生成物凝膠體減少，即包裹粉煤灰玻璃體的凝膠層減薄，使粉煤灰玻璃體早期得已進一步水化。
粉煤灰加固土中對強度貢獻最大的是水化生成物ＣＳＨ系或ＣＡＨ系等，當(dāng)土質(zhì)對Ｃａ２＋、ＯＨ－的吸收量較大或粉煤灰摻入量較小時，粉煤灰土孔隙水中Ｃａ(ＯＨ)２可能不飽和，由于粉煤灰中各種氧化物的含量是一定的，當(dāng)土質(zhì)對Ｃａ２＋、ＯＨ－的吸附能力較強時，將使ＣＳＨ等水化生成物的量減少，進而導(dǎo)致粉煤灰加固土的強度降低。因此土質(zhì)對Ｃａ２＋、ＯＨ－的吸收量或粉煤灰中ＣａＯ含量的不同，將使粉煤灰加固土中ＣＳＨ等水化生成物量的不同，導(dǎo)致粉煤灰加固土強度產(chǎn)生差異。即不同品種的粉煤灰或土質(zhì)的不同，將使粉煤灰加固土的強度不同。
３．３ 固結(jié)反應(yīng)
上述離子吸附和交換后，隨著粉煤灰水化反應(yīng)的不斷深入和齡期的增長，逐漸形成復(fù)雜的化合物，這些結(jié)晶體主要是硅酸鈣水化物ＣＳＨ系，鋁酸鈣水化物ＣＡＳ系及鈣鋁黃長石水化物等。這些新生成的化合物在水中或空氣中逐漸硬化，與土顆粒粘結(jié)在一起，結(jié)晶體與土顆粒交錯形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善了土的物理性質(zhì)，增加了粉煤灰的強度，發(fā)揮了固化劑的作用。由于粉煤灰加固土的結(jié)構(gòu)比較致密，水份不易侵入，從而使粉煤灰加固土具有良好的水穩(wěn)性和連續(xù)性，形成具有一定強度的拌和樁體。
４ 現(xiàn)場粉噴樁試驗
試驗中粉噴樁設(shè)計樁徑０?郾５ｍ，樁長依次為７ｍ、９ｍ、１１ｍ，粉煤灰摻入量為２６％，表３是單樁質(zhì)量檢測成果，粉煤灰樁測試曲線規(guī)則，平均波速高，在２１３３～２９００ｍ／ｓ之間，說明粉煤灰噴粉樁樁身相對均勻，樁身強度高。
對粉煤灰噴粉樁樁身不同土層鉆取芯樣２０塊，樁身最大抗壓強度為１３?郾８ＭＰａ，最小為１?郾４６ＭＰａ，均值為７?郾１７ＭＰａ，均方差為３?郾５６ＭＰａ，離散系數(shù)為０?郾５０。樁長７ｍ時，容許承載力為９０ＫＮ，樁長１１ｍ時，容許承載力為１２５ＫＮ，容許荷載下沉降量均小于３ｍｍ。
５ 結(jié)束語
通過以上對粉煤灰噴粉樁軟土地基加固機理的分析及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，證明利用粉煤灰進行噴粉樁軟土地基加固是切實可行的，對于變廢為利，降低工程成本等具有重要意義。
