粉煤灰的物理力学特性试验研究

李自立 宋日英

火电厂运行产生的大量粉煤灰,常送入灰场存放,灰厂要占用许多土地,贮灰坝的修建也需大量的资金,并且灰厂内的粉煤灰在干燥多风的季节,常产生飞灰污染环境。为了节约资金,减少灰厂内粉煤灰的数量,降低粉煤灰对环境的污染,进行粉煤灰的综合利用是一种有效的措施。在工程中使用粉煤灰作为建筑材料时,必须了解其物理及力学特性,本文结合包头第二热电厂贮灰场利用粉煤灰建造子坝工程的需要,对粉煤灰的基本物理力学特性进行了试验,得出了粉煤灰的基本物理力学参数指标,为粉煤灰的工程应用提供了有益的参考。

1 粉煤灰的基本物理性质试验

1.1 粉煤灰颗粒级配及定名

粉煤灰的颗粒分析采用了筛析法和比重计法两种方法联合测定。从重塑粉煤灰的应力—应变关系曲线中可以看出,筑坝粉煤灰的级配是非常均匀的,粒径d=0.01 mm～0.5 mm的颗粒占97%,不具粘性,其平均粒径 d50=0.04 mm,限制粒径 d60=0.053 mm,有效粒径d10=0.015 mm,d30=0.022 mm。经计算得不均匀系数 Cu=3.5,曲率系数 Cc=0.61,属不良级配。由于灰场粉煤灰颗粒多为粉粒且不含粘粒,单一的测定方法较难准确测定材料的界限含水率,因此此次试验采用液塑限联合测定和搓条法进行综合测定,试验得出粉煤灰的液限 WL=65.7%,塑限 WP=61.5%,塑性指数Ip=4.1,该灰场粉煤灰应属于砂质粉土。

1.2 粉煤灰的压实性指标

相对密度试验得到粉煤灰的最大孔隙比emax=2.401,最小孔隙比emin=1.318,尽管粉煤灰的孔隙比较大,但多数试验却属中密状态,相对密度 Dr在0.36～0.77范围之内,平均值为 Dr=0.6。尽管粉煤灰的相对密度属于中密状态,但压缩试验反映其属于高压缩性土。压缩系数 a1-2的平均值为0.65 MPa-1,变化于0.33 MPa-1～1.09 MPa-1之间。粉煤灰的压缩模量变化于2.65 MPa～7.89 MPa之间,平均值为 4.78 MPa,这一现象尚待进一步探讨。

1.3 粉煤灰的击实特性

击实试验采用国标GBJ 123-88规定方法进行,考虑到施工条件,选用25击的轻型击实方法。为了便于设计时参考,也给出了非标准的15击试验结果。有关文献[1][2]指出,在含水量较小时,粉煤灰的击实曲线会有一段水平段,其最优含水量约在40%～60%之间。本次试验在此含水量附近配制试样进行击实试验,试验结果见图1。图中J-25曲线表示25击试验结果,J-15曲线为15击试验结果。试验结果表明,在25击下,筑坝粉煤灰的最优含水量 Wop=50.6%,相应的最大干密度为ρdmax=0.93 g/cm3。在非标准的15击下,粉煤灰的最优含水量 Wop=56.5%,相应的最大干密度为ρdmax=0.88 g/cm3。

1.4 粉煤灰的渗透性特点

粉煤灰的渗透试验显示其渗透系数在10-4cm/s范围之内,其平均值为3.19×10-4cm/s,和细砂的渗透系数一致。因此在采用粉煤灰筑灰坝时,如果不采取防渗措施,那么灰场水的渗漏将会非常严重。

2 静力特征试验

静力特征试验主要是利用三轴压缩试验测定土的抗剪强度,通常用3个～4个圆柱形试样,分别在不同的恒定周围压力(即小主应力σ3)下,施加轴向压力,进行剪切直至破坏,绘制出应力—应变曲线,然后根据摩尔—库仑理论,求得抗剪强度参数。

2.1 试验设备

试验设备采用北京华勘科技有限公司研制的KTG-B型静三轴仪,该仪器具有自动化程度高、操作简单、结果可靠的特点,能够按照不同试验要求自动控制试验过程并通过微机对试验数据进行计算和处理。

2.2 试验样品的制备

包头第二热电厂筑灰厂加高加固利用粉煤灰作为筑坝材料,考虑到灰坝运行期的稳定,根据实际工程的需要,对击实后的粉煤灰进行了三轴静力学试验。击实粉煤灰试样是根据按包头第二热电厂贮灰厂加高加固后的受力状态、密实程度、场地等级等,利用击实法制备的。试样的制备按最大干密度为0.93 g/cm3,最优含水率为49.2%进行,制成尺寸为φ39.1 mm×80.0 mm的圆柱体。

2.3 粉煤灰三轴压缩试验

由于该贮灰场粉煤灰属于砂质粉土类,故在进行三轴压缩试验时可采用土工试验操作规程中的不固结不排水试验(UU)和固结不排水试验(CU),本次试验用这两种方法对比进行。试样的制备方法如前所述,把制备好的试样按4个一组分为六组,其中三组(每组试样编号分别为:H1-1～H1-4,H2-1～H2-4,H3-1～H3-4)做不固结不排水试验,另外三组(每组试样编号分别为:H4-1～H4-4,H5-1～H5-4,H6-1～H6-4)做固结不排水试验。

2.4 试验结果分析

2.4.1 应力—应变曲线特征分析

根据三轴试验结果绘制的应力—应变曲线分析可知:应力—应变曲线具有如下特点:应力—应变曲线无明显的峰值,曲线前半枝(应变值在ε=1%以前)应力随应变的增加而增加,成线性关系,大约应变值在ε=1%以后,应力仍然随应变的增加而增加,但成非线性关系,趋向一渐近值。从曲线还可以看出,在加荷的初始阶段(应变值ε在 0%～0.2%范围内)出现异常段,其原因与试样的均匀程度有关,为了正确反映粉煤灰的应力—应变关系,对试验得出的各条应力—应变曲线,均剔除掉初始异常值再进行多项式回归,从而得出修正和拟合后的应力—应变曲线图(见图1)。

2.4.2 抗剪强度的确定及分析

粉煤灰的应力—应变曲线上无峰值点,因此根据工程实际情况选取轴向应变ε=10%为破坏应变,以此应变对应的 σ1-σ3作为破坏强度值,用不同围压下的(σ1f-σ3f)/2为半径,(σ1f+σ3f)/2为圆心绘制摩尔应力圆,摩尔应力圆的公切线即为粉煤灰的强度包线,强度包线与横坐标的夹角为粉煤灰的内摩擦角φ,强度包线在纵坐标轴上的截距为粘聚力C。

为了模拟粉煤灰材料构筑坝体后未来的工作状态,本次三轴试验分别进行了不饱水情况下的不固结不排水强度试验和饱水情况下的固结排水强度试验,试验结果表明:对相同干密度和含水量的试样,在饱水情况下的固结排水试验内聚力大于不饱水情况下的固结不排水试验,而内摩擦角则小于不饱水情况下的不固结不排水试验。

3 结语

1)粉煤灰虽然具有与其他岩土工程材料不同的物理特性,但其动静力学性质与砂质粉土有些相似,其渗透试验显示其渗透性和细砂的渗透系数基本一致。2)粉煤灰的应力—应变曲线具有如下特点:应力—应变曲线无明显的峰值,曲线前半枝(应变值在ε=1%以前)应力随应变的增加而增加,成线性关系,大约应变值在ε=1%以后,应力仍然随应变的增加而增加,但成非线性关系,趋向一渐近值。3)对相同干密度和含水量的试样,在饱水情况下的固结排水试验内聚力大于不饱水情况下的固结不排水试验,而内摩擦角则小于不饱水情况下的不固结不排水试验。4)粉煤灰的轴向应变εa随偏应力(σ1-σ3)的增加而增加,其增加梯度逐渐变缓,表现出应力—应变曲线具有明显的非线性特征,(σ1-σ3)与εa基本成双曲线关系,因此可用双曲线来拟合。

[1] SL 237-1999,土工试验规程[S].

[2] 李松林.动三轴试验原理与方法[M].北京:地质出版社,1990.