稳定土Ⅱ二灰稳定土.ppt

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1、第十二讲 稳定土：二灰稳定土,1 粉煤灰是什么？它是怎样产生的？为什么烧失量是指示粉煤灰质量的重要指标？为什么硅铝化（SiO2/Al2O3）是指示粉煤灰活性的指标？2 为什么说粉煤灰的细度对其活性影响很大？道路上为什么用石灰与粉煤灰作为胶结料稳定土？3 二灰稳定产物有什么特点？工程上如何考虑配比设计？4 二灰土的施工工艺如何？,1粉煤灰的产生与特性 粉煤灰主要是煤粉颗粒中不可燃的粘土矿物杂质转变而来。这些矿物杂质主要是：铝硅酸盐类的粘土质矿物（粘土岩，页岩，长石等），氧化硅（石英）。粘土矿物在300脱去吸附水，650脱去结晶水，1100开始晶格破坏。温度再升高，灰粒从软化表面开始熔融。煤粉中还

2、有RCO3矿物，RSO3矿物，铁的氧化物。这些矿物中，含水的RSO3矿物脱水，排出SO2、SO3；RCO3矿物在高温下排出CO2，碱性物质挥发。,正常电厂温度1600，此温度除少量石英外，煤粉中的矿物杂质全部熔融。国内最高炉温14501500（粉煤灰烧成温度越高，质量越好）,最低处只有1000-1100。当煤粉进入高温炉堂后，灰粒在高温和空气的湍流中可燃物烧失，灰分子聚集分裂、熔融，在表面裂张力和外部压力等作用下形成水滴状物质，飘出锅炉后骤冷就固结成玻璃微珠。玻璃微珠的质量随烧成温度的升高而升高。煤粉燃烧后，形成10-15%的灰渣粗粒（固体残渣）沉积在燃烧物的底部（叫炉灰或炉渣），85-90%

3、细灰回收为粉煤灰。粉煤灰中的玻璃珠的成珠率越高，含碳量低，质量就好。,高温下，煤粉颗粒将发生一系列物理化学变化，最为显著的是随着燃煤残渣颗粒中气体溢出的同时，在表面张力作用下自发收缩表面，成为中空球状的粉煤灰颗粒。这些粉煤灰颗粒在形成过程中由于温度急剧变化，即由高温火焰区到温度较低的区域，使得粉煤灰的结构在很大程度上形成了非晶体的玻璃态。而正是这种空心玻璃态特性影响和决定了粉煤灰的应用特点与质量。,所谓玻璃态是指物体内在结构处于混乱无序的一种无定型固体状态，以这种状态存在的物体称之为玻璃体。高温熔融状态的粉煤灰在经历冷却过程中，由于受到较快冷却速度的影响，使熔体的粘稠度急剧增加而使熔体分子运动

4、随之减缓，造成熔体分子无法进行规则有序的排列，而成为无定型的粉煤灰玻璃态。该过程冷却速度越快，玻璃体保持熔体原有混乱特征的程度就越大，活性越高。正是处于亚稳定态的非晶体（无定型）玻璃体紊乱的结构，与相应的内能与结构整齐有序的晶体相比明显偏高，活性更强。,1.1粉煤灰的组成1.1粉煤灰的化学组成化学成分是评价粉煤灰品质（活性）的重要技术数据。由于发电用原煤的差别，导致粉煤灰成分上的差别，表1为在全国采集的数十个粉煤灰样品化学组成大致范围。因我国粉煤灰的SiO2+Al2O3+Fe2O370%，我国道路上以含CaO量把它分为高钙粉煤灰和低钙粉煤灰。道路上规定：CaO含量在26%叫硅铝粉煤灰；CaO含

5、量在1040%叫高钙粉灰。美国标准：SiO2+Al2O3+Fe2O3总含量的70%，叫低钙粉煤灰；SiO2+Al2O3+Fe2O3总含量的50%，叫高钙粉煤灰。,粉煤灰（及高炉矿渣）化学组成范围 表1,除上述几项主要成分之外,粉煤灰中还含有少量SO3、Na2O和K2O等物质。当粉煤灰中氧化钙成分较高时，粉煤灰具有自硬胶凝性。由于我国大部分粉煤灰组成中氧化钙含量明显偏低，因此大多粉煤灰不具有自硬性，而只能依靠添加石灰（氢氧化钙）的手段使其产生胶凝性。对于低钙粉煤灰，氧化硅和氧化铝含量越高，粉煤灰活性就越大。而烧失量（即未燃尽的含碳量）越小，粉煤灰的品质就越好。,1.2矿物组成煤粉在锅炉中燃烧时，

6、煤中的无机矿物经历了分解、烧结、熔融和冷却等过程。冷却后形成的粉煤灰所具有的矿物基本上是非晶态的玻璃体和晶体矿物两大类。表2是数十种粉煤灰的矿物组成大致比例。表中数据表明,粉煤灰中的玻璃体含量占矿物组成中大部分,平均值已占到总量的60%以上。由于粉煤灰与石灰的多种反应主要集中于非晶态的玻璃体，玻璃体含量越高的粉煤灰其活性（质量）就越好。,粉煤灰矿物组成 表2,1.3颗粒形态珠状颗粒漂珠：是薄壁的空心玻璃微微珠。空心冶珠：厚壁的空心玻璃微珠，强度高，比重大。复珠（子母珠）：薄壁微珠中，粘附了大量细小的玻璃微珠。密实冶珠（实心微珠）。渣状颗粒。海绵状玻璃渣粒，海绵状多孔玻璃颗粒，粒径较粗。碳粒。,

7、钝角颗粒：未熔融或部分熔融的颗粒，大部分是石英颗粒。碎屑 粘聚颗粒：粉煤灰的等级是由上述玻璃微珠、海绵状玻璃体、碳粒三种颗粒组成决定的.含玻璃微珠越多，质量越好；而含碳量（即烧失量）越大，粉煤灰的品质就越差。,1.4细度干燥的粉煤灰呈细粉状，光滑而松软。显微镜下，呈多种形状和不同颜色（灰色、棕褐色和黑色）的颗粒混合物，实心和空心圆形小球占很大的比例。颗粒尺寸：0.0010.3mm，大部分的粒径波动在0.0010.1mm之间。粒度多为粉砂状的无粘聚无塑性材料，具有充分发达的孔隙结构。湿排灰0.0742mm颗粒约占40%，0.074mm约占60%。液限高，约65%，粉状粒径不具备塑性。比重接近于粉

8、质砂土,为2.12.3g/cm3,最大干密度1.1g/cm3左右(土的最大干密度1.65-1.95g/cm3)，属轻质材料。,随粉煤灰细度的提高，比表面积的加大，颗粒的内能较高，粉煤灰与石灰作用的能力与机率会随之加大。显微镜下观察，小颗粒的粉煤灰玻璃体含量较高时，晶相的石英、莫来石等原生矿物以及碳含量明显减少。因此，粉煤灰的细度越细，其性质就越好。细度成为标志粉煤灰使用品质的一项指标。细度大小通常采用0.045或0.080mm筛的筛余量和比表面积来表示，法国标准规定，通过0.04mm的含量不小于40%，我国道路上规定0.075筛通过率70%，比表面2500 cm2/g。由于在粉煤灰的颗粒组成中

9、，活性较低的氧化铁含量较少，而三氧化硫、钾、钠及钙、镁含量却增加，这些却是粉煤灰参与火山灰反应的激发剂。,粉煤灰化学组成、矿物组成、玻璃微珠含量以及细度等因素是决定粉煤灰具有良好性质即活性大小的物质基础.粉煤灰的组成结构，尤其是玻璃体的组成结构才是影响粉煤灰性能的最根本原因。,粉煤灰玻璃体结构示意图,1.4粉煤灰潜在活性的激发由于粉煤灰形成了具有链状或网络状的玻璃体结构，这种网状或链状SiO44-离子状态稳定，加之粉煤灰质自身CaO含量非常低，使粉煤灰仅仅具有了潜在的活性，但在一般条件下，粉煤灰几乎不能与水发生反应，形成具有胶凝性的水硬性产物。从粉煤灰玻璃体结构组成分析中得知，网络形成剂（Si

10、O2）愈多，而网络调整剂（CaO）愈少，则连网的SiO44-四面体就愈多，玻璃体结构的网络稳定性增大而活性减小。因此，要想使粉煤灰能够发生水硬性作用，必须设法将其中的SiO44-四面体链状结构破坏掉（溶解），打破原有的电价平衡稳定结构，激发出粉煤灰所具有的活性。,在粉煤灰的SiO44-四面体结构中，当配位体为3或4的Al、Fe、B等元素氧化物取代了四面体中的部分Si原子，特别是配位数大于或等于6的碱金属或碱土金属（如Na、K、Ca、Mg等）氧化物取代Si原子后，将会诱发聚合网架结构解聚。在解聚过程中，为了保持电中性，SiOSi的键连接将断裂。由低价离子替代高价离子，由于替代作用的发生，在玻璃体

11、结构中形成了两种无序状况：一是网架中的原子被随机替代和必需引入的阳离子所产生的化学无序，二是三维结构的解聚所形成的结构无序。,注：增强率=（加外掺剂强度/不掺外掺剂强度）-1*100%；*加外掺剂强度/不掺外掺剂强度；粉性土的塑性指数为10.5。,2粉煤灰的路用质量指标粉煤灰的路用质量指标，依据用途可分为两类，一类是用作道路填料，它有三个物理指标，对应工程应用的三个特性。另一个是固化土，它有三个质量指标，反应固化土时的固化能力与活性。2.1作为路用填料的三个物理指标作为路用填料的三个物理指标为：击实性能、渗透性、颗粒分布。粉煤灰的三个路用工程特性：比重轻。粉煤灰颗粒组成中空心的微珠颗粒70%，

12、比重轻，表4是三种不同路基填料密度。比重比粘土轻23%，干密度比之小43%，它是一种轻质材料，可用于台背回填与高路堤填料。压实后的孔隙比大，毛细现象十分强烈。,不同填料密度及有关指标比较 表4,粉煤灰的毛细现象：室内以含水量W=44%，压实度K=89%制件观察毛细水上升高度在120-130cm，说明压实后的孔隙比仍大，毛细现象十分强烈。这一特性在路基设计和施工时应引起足够重视。粉煤灰的渗透性：粉煤灰颗粒较为均匀、单一的颗粒级配决定了它压实后孔隙率的发达，毛细作用强烈，具有冻敏性。渗透系数为1-510-4cm/sec，渗水性强，透水性较大，且饱水后强度急剧降低。渗透性取决于它的压实度。室内试验的

13、压实度与渗透系数关系如图3。粉煤灰对雨季施工要求：由于粉煤灰是一种多孔材料，渗透性比粘土大的多，受雨季影响较小，雨季施工的优越性特别明显，是雨季施工的好材料。,粉煤灰的渗透性与压实度的关系,粉煤灰的毛细上升高度,压实特性。具有较大的最佳碾压含水量范围，最佳含水量35-40%；较小的最大干密度。粉煤灰主要由粉粒组成，小于0.002-0.005mm的颗粒极少，几乎无粘结性和可塑性；液限较大，几乎没有塑性指数。压实性能上表现出难压实和压实主要依靠压实机械强度，使其颗粒间产生挤松排列-压实再挤松再密实的循环过程。,T214二灰含量为48%的二灰土击实曲线,2.2用于稳定(固化)土时的三个质量指标 用于

14、稳定（固化）土时，世界各国标准对粉煤灰所规定的主要物理和化学技术指标主要有烧失量（含炭量）、各种氧化物含量（有的也用凝硬性指数）、细度三个指标。三个性能指标的概念与要求如下：,含炭量：（在800900温度下能烧失的质量损失率）。因为碳颗粒的颗粒粗，孔隙度高，易吸水，水解呈酸性，能减少粉煤灰的细度，会降低粉煤灰的活性，还可增加拌和时的需水量，所以，美国一些州的运输部规定最大烧失量不超过10，也有些州和联邦航空局对含炭量不作规定。在我国公路路面基层施工技术规范JTJ-2000中规定其含量不能超过20%。,氧化物含量（SiO2Al2O3Fe2O3）或凝硬活性指数PAI。粉煤灰中氧化物的含量对二灰混合

15、物的强度产生较大的影响，比较试验结果见表5。因此，一些国家和我国公路路面基层施工技术规范JTJ-2000中规定粉煤灰中氧化物的含量要大于70。也可见有些研究文献用SiO2/Al2O3表示活性。,粉煤灰中氧化物含量对二灰混合料抗压强度的影响 表5,细度。一般将粉煤灰的细度规定为在指定孔径（一般约为45m）的筛子上筛余的粉煤灰数量的限度。粉煤灰的颗粒越细，比表面积愈大，粉煤灰的活性愈强，从而增加混合料的强度。表6为交通部公路科学研究所用甘肃西固电厂粉煤灰做的比较试验的结果。有的国家规定粉煤灰的颗粒组成宜符合表7的要求：,粗细粉煤灰对二灰混合料强度的影响 表6,部分国家及我国对粉煤灰的颗粒组成的规定

16、 表7,3 石灰粉煤灰稳定土的机理二灰土系统的作用机理可分为石灰与粉煤灰之间的作用和石灰与土之间的作用。二灰土系统里，由于石灰的溶解，粉煤灰、土中粘土矿物结构的破坏、化学键的断裂，其表面总会形成一些多余的价电荷。对于富含氧化硅及氧化铝的粉煤灰、土中的粘粒等物质，表面通常带负电荷，吸附的反离子层是由带正电荷的阳离子组成，且这些阳离子大多数是一些低价的离子，如一价的H+、K+、Na+等。此时形成的双电层较厚，表现出的性质是吸湿性强、水稳性差。,石灰遇水溶解之后解离出二价Ca2+,能够与粉煤灰及土颗粒上原有的低价离子之间发生离子交换作用，并吸附于粉煤灰、粘粒表面。这一过程导致二灰土吸湿性降低，粘聚性

17、增加，塑性指数变小，颗粒表面粗糙化、混合料体积变小等一系列物理性质上的改变。这些改变主要发生在二灰土与水混合之后的初期阶段离子吸附与交换的阶段，离子吸附、交换作用是二灰土之间最早发生的反应，这个阶段因施工温度不同将持续不同时间，但一般持续时间较短，主要改变二灰土的初期性质，属物理化学作用，对二灰土结构强度形成贡献较小。,二灰土系统里的火山灰作用。粉煤灰是一种典型的火山灰物质。所谓火山灰材料是含有较多活性的氧化硅和氧化铝组分，当与石灰混合后在水的参与下，能够生成类似水泥水化物的水硬性的胶凝材料。反应原理如下式所示：SiO2+XCa(OH)2+(nx)H2O=XCaoSiO2nH2OAl2O3+X

18、Ca(OH)2+(nx)H2O=XCaoAl2O3nH2O,生成的胶凝物质是式中含有结晶水的水化硅酸钙（XCaOSiO2nH2O）和水化铝酸钙（XCaOAl2O3nH2O），该种生成物在形成的初期是一种非晶体物质，尔后不断脱水硬化成为晶体。在脱水硬化形成晶体的过程中，温度越高，脱水硬化得越快，体积缩小的也快。干燥从表面开始，若养生不良，极易产生干缩。不同温度施工时，平稳、湿润的养生条件是抑制干缩最重要的措施。,该反应产物具有良好的胶结作用和显著的水稳性（水不溶性）。这是二灰土材料形成强度、具有良好力学性质和水稳定性的主要化学反应。该过程开始时间的早晚和持续时间的长短，随粉煤灰的细度、玻璃微体的

19、含量、石灰的有效Ca、Mg含量、土的粘粒含量、PH值、有机质含量以及施工的环境温度和养生条件而定。火山灰pozzuolana作用比离子交换作用时间滞后较多，持续时间很长，生成的凝胶物质是二灰土形成结构强度的主要因素。其作用效果主要取决于粉煤灰的细度、结构特点和土中的粘粒含量。,从上述 分析可知，施工环境温度高、湿度适宜，内部碱性条件充足，粉煤灰、粘粒的聚集态结构易于解离，从而加速二灰土之间的火山灰反应，生成具有水硬性的凝胶产物，促进二灰土中固化结构的形成。,碱性条件下粉煤灰溶解量变化,粉煤灰中的有效成分与Ca(OH)2发生火山灰反应分部进行，第一步是粉煤灰玻璃体中较高聚合度的聚集体解聚成低聚体

20、，如一聚体（MO4）、双聚体（M2O8）等（M代表Si和Al）；第一阶段需要花费较长的时间使得吸附在粉煤灰颗粒表面的Ca(OH)2与链状的聚合体发生解聚作用。因为Si-O和Al-O键键能大，加上玻璃体网络程度高和聚合度高等原因，故常温下解聚能力比较低，解聚速度比较慢。第二步是低聚体与Ca(OH)2生成水化硅酸钙（C-S-H）和水化铝酸钙（C-A-H）等凝胶物。,一旦粉煤灰玻璃体解聚，第二步低聚体硅、铝氧化物就易于同Ca(OH)2反应，生成水化硅酸钙（C-S-H）和水化铝酸钙（C-A-H）等凝胶物。因此粉煤灰初期反应的快慢取决于玻璃体解聚效果的快慢、温度的高低。而初期强度形成的快慢也在于可以被解

21、聚的玻璃体的数量的多少以及解聚的玻璃体和Ca(OH)2反应后生成的凝胶物的少。,温度越低，解聚得越慢；二灰土的PH值越小，解聚得越慢。二灰土强度生长得越慢；温度越高，二灰土的PH值越大，解聚得越快，强度生长得越快，同时，体积收缩得也快.养生时若不能满足水分的供给，越易产生干缩开裂。如果土中有机质含量高，有机质水解呈酸性，能降低二灰土中的pH值，不利于硅氧键的解聚，抑制二灰土强度的生成。,由于粉煤灰自身结构上的稳定性和与石灰之间的火山灰反应的相对滞后特点，使得形成胶凝结构和胶凝晶体网架结构需要持续一定时间后才能充分产生。所以二灰土的早期火山灰反应非常缓慢。,压实后二灰混合料养生初期阶段（7d之前

22、）石灰重结晶形成空间网格结构（大孔隙），7d后活性粉煤灰颗粒在石灰激发下开始缓慢溶解，胶凝物质开始出现，714d是粉煤灰与石灰和土开始火山灰反应，由空间网格结构转化为胶凝结构的初期阶段，此时，二灰土里才开始形成真正的水硬性结构，二灰土的强度开始较快的增长。,1428d阶段，是凝网微晶不断生成、不断长大，成为棒状纤维晶体开始生长阶段。微晶的填充、大晶体的穿插连晶、形成胶凝晶体网架结构。2860d的时间段，粉煤灰、土中粘粒结构溶解加快，胶凝晶体网架结构大量生成，并结构进一步密实，将混合物不断固化，进入强度较快增长阶段。此时的湿养生对抑制干缩至关重要。,综上所述，二灰土的固化结构分阶段形成，初期（7

23、天）主要是由石灰重结晶形成的空间网格结构；而后进入火山灰反应，形成具有水硬性胶凝性能的凝胶结构，凝胶结构具有良好的结构稳定性和显著的结构承载力；进而，凝胶和纤维晶体共同作用，形成有效强化整体性能的结构即凝胶晶体网架结构。,4影响二灰稳定土强度的因素,4.1粉煤灰的细度与粘粒含量是影响二灰土强度的重要因素之一。,图5土的0.005mm含量与二灰土强度的关系（36%、1：3）,当土的颗粒级配与粉煤灰的颗粒级配互补而形成良好的级配曲线，将会改变二灰土的压实性状，二灰土压密性越强，强度越高。上述说明：粉煤灰与土混合后的颗粒组成，粉煤灰、土中粘粒含量是影响二灰土强度、压实性能、二灰土使用性能的关键因素。

24、,4.3二灰含量对二灰土对强度的影响,图7二灰含量与强度的关系（1：3、180天）,对于二灰粉性土，二灰含量32%36%是适宜的，36%是最佳的。对于二灰粉质粘土与粘性土，二灰含量36%40%是合适的,二灰比对二灰土的早期强度的影响比后期大。二灰比主要取决于石灰与粉煤灰的质量。对粉性土，二灰比宜1：2；对粘性土，宜1：3或1：4。,4.4二灰比与二灰土强度的关系,5二灰稳定土的配合比设计二灰稳定土的配合比设计主要是解决两个问题：确定配合比的控制指标；各组成材料地选用与各材料之间配比的确定。主要内容是确定二灰比、二灰含量与施工的压实控制指标（最佳含水量与最大干密度）。,6压实与养生,不同养护条件

25、下的强度汇总 表8,说明：6自、9自分别表示6月、9月室外自然埋砂保湿养生；6标表示养护室敞开养生；9标表示养护室密封养生。,图8不同二灰配比的二灰土在不同压实度下的强度,由图可知，压实度从95%提高到98%，强度增加约25%，相同二灰含量、不同二灰配比的二灰土提高的幅度大致相等。,现场养生条件对二灰土干裂的影响,图9四合同高塘段2005.45份施工,图10六合同段2005.6.36.16,粉土二灰土表面良好无裂纹,养生半月的粘土二灰土表面良好无裂纹,图11六合同段2005.6.36.16日,2005年的六月上旬最高气温35，最低气温22。六合同段2005.6.3完成二灰土的碾压，6.16日观

26、察并取芯（16日高温创历史纪录），始终洒水保持保湿棉的湿度，在这个高温无雨、风大的时间段里，养生半月的粉土二灰土与粘土二灰土，揭开保湿棉准备铺基层的二灰土良好无裂纹；粘质粉土二灰土芯样敲起来铮铮地响，见图911。,图 12粉质粘土二灰土养生不良产生纵向开裂,图14粉质粘土二灰土养生不良产生纵向开裂,图15保湿棉下的粘土二灰土裂逢未开口,图12是粉质粘土二灰土，4月份施工，养护1012天后揭开保湿棉暴露在大气中产生了纵向开裂，碾压含水量偏高的地方，养生7天后可见横向微细裂纹。图13正在为粉质粘土二灰土洒水养生。图14是粘土二灰土，5月中旬施工，保湿棉养生12天未见裂纹，6月10日以后，高温无雨、

27、风大，又未洒水养生，暴露的部分产生了宽1mm的开裂，且纵向居多。图15未暴露的保湿棉下的粘土二灰土裂逢未有张开。,图16保湿棉下良好养生粉质粘土二灰土,图17保湿棉在养生的粉质粘土二灰土,图18正在路拌的粉质粘土二灰土,图19养生6天就暴露在大气中车辆掉头处的粉质粘土二灰土开裂,图中A、B、C分别表示低、中、高频振动碾压工艺；1表示稳压，2表示稳压+双向弱振1遍+静压1遍，3表示稳压+双向弱振1遍+静压2遍，4表示稳压+双向弱振1遍+静压2遍+单向强振1遍+静压2遍。,图20不同碾压工艺下的二灰土压实度比较,7二灰土的碾压,三种碾压工艺都是稳压双向弱振+静压单向强振+静压，只是稳压的遍数和振压

28、的频率不同。图20显示，工艺C在稳压4遍后进行弱振碾压，压实度从90.4提高到90.8，而工艺A在稳压2遍后就进行弱振碾压，压实度从85.7提高到91.3，提高的幅度和到达的压实水平都比工艺C高。说明过多遍数的稳压导致之后的弱振没有明显的作用；由单向强振后的压实结果分析，工艺C的效果明显好于工艺A、B。说明，弱振之后的强振以高频振动碾压最好；,从A、B、C工艺比较，说明二灰稳定粉土对高振幅是敏感的，没有强振，压实度不能有效提高。上述三点说明，二灰稳定粉性土仅靠弱振要达到95%以上的压实度很难。在低频率下强振（高振幅）能使压实度提高到95%，高频率强振可使压实度提高到98%，二灰稳定粉土对振幅和高频率是敏感的。,