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[摘 要]将二灰土用作高速公路上路床材料，既可保障公路结构强度要求，又可大量利用粉煤灰，还可降低石灰和土的使用量。火山灰反应是形成二灰土强度和水稳定性的主要因素。结晶作用和火山灰反应形成的胶凝物质和氢氧化钙的保护膜能够固结土壤团粒，这种作用的持续发展使二灰土整体强度增强。以华能营口电厂粉煤灰、盖州本地产熟石灰稳定当地风积土可作为高速公路上路床材料。配比为熟石灰：粉煤灰：风积土=3：6：91的二灰土作为高速公路上路床填料时，最佳含水率为15.1%，压实度需控制在96%以上；配比为熟石灰：粉煤灰：风积土=4：12：84的二灰土作为上路床填料时，最佳含水率为16.8%，压实度需控制在96%以上。
[关键词]二灰土；上路床；火山灰反应；配比；最佳含水率
中图分类号：TU57+8.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）40-0169-03
Study on the lime-ash soil material ratio test of the highway road bed
GU Zhen-ping1， LIU Di2， LI Bo-wen3， HAI Long4
（1.Kailuan Group Donghuantuo mining branch， Tangshan Hebei，063000，China；
2.Kailuan Group Lvjiatuo mining branch， Tangshan Hebei，063000，China；3.Liaohe Oilfield Logging CNPC， Panjin Liaoning 124010， China；
4.School of Mechanics and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin Liaoning 123000， China；）
[Abstract]Lime-ash soil used for highway roadbed material， can not only ensure the structural strength requirement of highway and using fly ash abundantly， but also reduce the consumption of lime and soil. Pozzolanic reaction is major factor of lime-ash soil strength and water stability. Crystallization and ash reaction formation of the gel material and protective coatings of calcium hydroxide consolidation of soil aggregate， the sustainable development of this role to enhance strength of the overall structure of the lime-ash soil. In huaneng yingkou power plant fly ash，Gai zhou locally lime stable local general soil can be used as highway road bed material. Ratio of hydrated lime， fly ash， aeolian soil = 3：6：91 lime-ash soil can be used as highway road bed packing， The best moisture content is 15.1%， the degree of compaction shall be more than 96%； Ratio of hydrated lime， fly ash， aeolian soil = 4：12：84 lime-ash soil can also as a highway road bed filling，the optimum moisture content is 16.8%， the degree of compaction control in more than 96%.
[Key words]lime-ash soil； road bed； pozzolanic reaction； ratio； optimum moisture content
0 引言
我國是世界上最大的粉煤灰排放国，2012年的总排放量超过6亿t，按照综合利用率70%计算仍有1.8亿t未得到有效利用[1-2]。火力发电规模的扩大使粉煤灰的排放量和存量均逐年增加，大量土地被粉煤灰堆场占用，给发电企业带来巨大的经济压力，也对生态环境造成巨大破坏[2-3]。二灰稳定土是指在一般土料中添加石灰和粉煤灰来提高土的强度以用作回填材料[3-5]。将二灰土用作高速公路路床材料，既可保障路床的强度要求、提高工程质量，又可以大量利用粉煤灰，同时降低石灰和土的使用量。因燃煤工艺的不同，各发电企业排放的粉煤灰化学组成存在一定差异，物理和力学性质更是差异明显，利用方式也存在较大差别[6-9]。本文分析华能营口电厂粉煤灰、盖州本地产石灰和当地一般土的性质，试验研究不同配合比二灰土材料的强度发展规律，从而得到满足高速公路上路床强度标准的材料配合比和施工指标。
1 二灰土强度形成机理分析
影响二灰土强度的因素有内因（土本身的性质、石灰的等级、粉煤灰的品质、混合材料的配比、含水率与密实度等）和外因（养护时间、环境温度、湿度、机械压实方式和行车作用等）两方面。石灰、粉煤灰和土充分混合后加水搅拌，会发生以下四种作用： （1）离子交换作用
熟石灰（Ca（OH）2）溶于水以后离解成Ca++离子和（OH）一离子，如式（1）所示：
Ca（OH）2→Ca+++2（OH）一 （1）
（2）碳酸化作用
碳酸化作用是Ca（OH）2与空气中的CO2反应生成CaCO3，化学反应式如式（2）所示：
Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O （2）
（3）结晶作用
熟石灰（Ca（OH）2）掺入土中，由于水分较少，只有少部分离解，亦有少部分的Ca（OH）2参与化学反应，而绝大部分饱和Ca（OH）2在灰土中自行结晶，其化学反应式如下：
Ca（OH）2+nH2O→Ca（OH）2·nH2O （3）
（4）火山灰作用
火山灰作用是指石灰在有水环境下与土中活性的SiO2和Al2O3产生化学反应，生成含水的硅酸钙和铝酸钙并逐渐发生硬化反应，其反应式为：
xCa（OH）2+SiO2+（n-1）H2O→xCaO·SiO2·nH2O （4）
xCa（OH）2+Al2O3+（n-1）H2O→xCaO·Al2O3·nH2O （5）
式中：x表示1或2
Ca（OH）2与活性SiO2、活性Al2O3在固体与水二相环境下发生硬化反应生成的结晶硅酸钙xCaO·SiO2·nH2O和结晶铝酸钙xCaO·Al2O3·nH2O与水泥水解后的产物类似，是具有较强水稳定性良好的结合材料。火山灰反应是在不断吸收水分的情况下逐渐发生的，产生的胶凝物质和氢氧化钙结晶（Ca（OH）2·nH2O）还在土团粒外围形成一层稳定的保护膜，以很强的粘结力把土团粒胶结起来。粉煤灰的主要成份是SiO2和Al2O3，其中相当数量的活性部分逐渐参与火山灰反应，是产生二灰土强度和水稳定性的主要因素，这种作用随时间的延长持续发展，使二灰土的整体结构强度逐渐提高。
2 二灰土原材料的基本性质
2.1 粉煤灰的基本性质
试验用粉煤灰取自华能营口电廠储灰车间，未经破碎、筛分等处理，外观呈暗灰色。该粉煤灰的主要化学组成为SiO2、Al2O3和Fe2O3，占总质量的近90%，次要化学组成为CaO、MgO、K2O等，属于硅铝型粉煤灰。其它性质如表1所示。
按照我国现行GB1596-91[10]的标准，该粉煤灰为二级灰，因为其排放量较大且价格低廉，适合用作二灰土原料。
2.2 石灰的基本性质
各种化学组成的石灰均可用于稳定土。生石灰和粉煤灰与土中的水分作用会迅速结球，对材料的混合质量产生负面影响。另外生石灰易水化，存放和运输过程的技术要求较为严格，因此在公路施工中需尽可能使用熟石灰。本次试验所用熟石灰为营口本地产钙质熟石灰，符合III级熟石灰的技术指标[11]，检验结果如表2所示：
2.3 土的基本性质
各种成因的亚砂土、亚粘土、粉土和粘土都可以用二灰稳定。我国《公路路面基层施工技术规范》[12]要求宜采用塑性指数12～20的粘性土（亚粘土），土块的最大粒径不应大于15mm，有机质含量超过10%的土不宜使用。本次试验用土取自盖州市沙岗镇，外观呈黄色、颗粒较细、有机质含量少，是典型的风积土。使用光电式联合测定仪测定该土的液塑限并求得塑性指数，结果如表3所示：
可见，盖州市沙岗镇风积土的塑性指数满足工程要求，现场勘查其储量丰富，适于用作二灰土原料。
3 二灰土的配合比设计
根据《公路路基设计规范》[13]和《公路路基施工设计规范》[14]的规定，高速公路上路床范围内材料的压实度需达到96%以上，承载比标准不小于8。本次试验采用二灰土作为填筑上路床的材料，一种材料配比方案为熟石灰：粉煤灰：风积土=3：6：91（质量比）；另一方案为熟石灰：粉煤灰：风积土=4：12：84（质量比）。通过击实试验得到两种配合比方案二灰土的最佳含水率和最大干密度，结果如图4所示：
试验得出方案1的最佳含水率为15.1%，最大干密度为1.897g/cm3；方案2的最佳含水率为16.8%，最大干密度为1.623g/cm3。在二灰土的最佳含水率条件下测定96%压实度、养护七天后的承载比，试验结果如表4所示：
由试验结果，配比为熟石灰：粉煤灰：风积土=3：6：91的二灰土可作为高速公路上路床填料，最佳含水率为15.1%，其压实度应为96%以上；配比为熟石灰：粉煤灰：风积土=4：12：84的二灰土也可作为高速公路上路床填料，最佳含水率为16.8%，其压实度控制在96%以上。方案1熟石灰的使用比例较低而土的使用比例较高，方案2熟石灰的使用比例稍高而粉煤灰的使用比例较高，可根据工程实际情况进行选择。
4 结论
本文通过理论分析和试验研究，得出以下主要结论：
（1）火山灰反应是形成二灰土强度和水稳定性的主要因素，二灰土的整体强度随时间的增长而增强；
（2）华能营口电厂粉煤灰为硅铝型二级粉煤灰，盖州一般土为细颗粒风积土、有机质含量少。两种材料来源广泛，价格低廉，适于作为二灰土原料；
（3）熟石灰：粉煤灰：风积土=3：6：91配比的二灰土作为高速公路上路床填料，最佳含水率为15.1%，压实度需控制在96%以上；
（4）熟石灰：粉煤灰：风积土=4：12：84配比的二灰土作为高速公路上路床填料，最佳含水率为16.8%，压实度需控制在96%以上。
参考文献
[1] 王福元.吴正严.粉煤灰利用手册[M].北京：中国电力出版社，2004.
[2] 张强，梁杰，玉石桥等.粉煤灰综合利用现状[J].广州化工，2013，41（14）：6-8.
[3] 姚占勇，练继建，艾贻中，商庆森.黄河冲（淤）积粉质二灰土的压实特性研究[J].岩土工程学报，2007，29（5）：664-670.
作者简介
顾振平，19881011，男，汉族，辽宁省丹东市。研究方向：矿山固体废弃物综合利用。
[关键词]二灰土；上路床；火山灰反应；配比；最佳含水率
中图分类号：TU57+8.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）40-0169-03
Study on the lime-ash soil material ratio test of the highway road bed
GU Zhen-ping1， LIU Di2， LI Bo-wen3， HAI Long4
（1.Kailuan Group Donghuantuo mining branch， Tangshan Hebei，063000，China；
2.Kailuan Group Lvjiatuo mining branch， Tangshan Hebei，063000，China；3.Liaohe Oilfield Logging CNPC， Panjin Liaoning 124010， China；
4.School of Mechanics and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin Liaoning 123000， China；）
[Abstract]Lime-ash soil used for highway roadbed material， can not only ensure the structural strength requirement of highway and using fly ash abundantly， but also reduce the consumption of lime and soil. Pozzolanic reaction is major factor of lime-ash soil strength and water stability. Crystallization and ash reaction formation of the gel material and protective coatings of calcium hydroxide consolidation of soil aggregate， the sustainable development of this role to enhance strength of the overall structure of the lime-ash soil. In huaneng yingkou power plant fly ash，Gai zhou locally lime stable local general soil can be used as highway road bed material. Ratio of hydrated lime， fly ash， aeolian soil = 3：6：91 lime-ash soil can be used as highway road bed packing， The best moisture content is 15.1%， the degree of compaction shall be more than 96%； Ratio of hydrated lime， fly ash， aeolian soil = 4：12：84 lime-ash soil can also as a highway road bed filling，the optimum moisture content is 16.8%， the degree of compaction control in more than 96%.
[Key words]lime-ash soil； road bed； pozzolanic reaction； ratio； optimum moisture content
0 引言
我國是世界上最大的粉煤灰排放国，2012年的总排放量超过6亿t，按照综合利用率70%计算仍有1.8亿t未得到有效利用[1-2]。火力发电规模的扩大使粉煤灰的排放量和存量均逐年增加，大量土地被粉煤灰堆场占用，给发电企业带来巨大的经济压力，也对生态环境造成巨大破坏[2-3]。二灰稳定土是指在一般土料中添加石灰和粉煤灰来提高土的强度以用作回填材料[3-5]。将二灰土用作高速公路路床材料，既可保障路床的强度要求、提高工程质量，又可以大量利用粉煤灰，同时降低石灰和土的使用量。因燃煤工艺的不同，各发电企业排放的粉煤灰化学组成存在一定差异，物理和力学性质更是差异明显，利用方式也存在较大差别[6-9]。本文分析华能营口电厂粉煤灰、盖州本地产石灰和当地一般土的性质，试验研究不同配合比二灰土材料的强度发展规律，从而得到满足高速公路上路床强度标准的材料配合比和施工指标。
1 二灰土强度形成机理分析
影响二灰土强度的因素有内因（土本身的性质、石灰的等级、粉煤灰的品质、混合材料的配比、含水率与密实度等）和外因（养护时间、环境温度、湿度、机械压实方式和行车作用等）两方面。石灰、粉煤灰和土充分混合后加水搅拌，会发生以下四种作用： （1）离子交换作用
熟石灰（Ca（OH）2）溶于水以后离解成Ca++离子和（OH）一离子，如式（1）所示：
Ca（OH）2→Ca+++2（OH）一 （1）
（2）碳酸化作用
碳酸化作用是Ca（OH）2与空气中的CO2反应生成CaCO3，化学反应式如式（2）所示：
Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O （2）
（3）结晶作用
熟石灰（Ca（OH）2）掺入土中，由于水分较少，只有少部分离解，亦有少部分的Ca（OH）2参与化学反应，而绝大部分饱和Ca（OH）2在灰土中自行结晶，其化学反应式如下：
Ca（OH）2+nH2O→Ca（OH）2·nH2O （3）
（4）火山灰作用
火山灰作用是指石灰在有水环境下与土中活性的SiO2和Al2O3产生化学反应，生成含水的硅酸钙和铝酸钙并逐渐发生硬化反应，其反应式为：
xCa（OH）2+SiO2+（n-1）H2O→xCaO·SiO2·nH2O （4）
xCa（OH）2+Al2O3+（n-1）H2O→xCaO·Al2O3·nH2O （5）
式中：x表示1或2
Ca（OH）2与活性SiO2、活性Al2O3在固体与水二相环境下发生硬化反应生成的结晶硅酸钙xCaO·SiO2·nH2O和结晶铝酸钙xCaO·Al2O3·nH2O与水泥水解后的产物类似，是具有较强水稳定性良好的结合材料。火山灰反应是在不断吸收水分的情况下逐渐发生的，产生的胶凝物质和氢氧化钙结晶（Ca（OH）2·nH2O）还在土团粒外围形成一层稳定的保护膜，以很强的粘结力把土团粒胶结起来。粉煤灰的主要成份是SiO2和Al2O3，其中相当数量的活性部分逐渐参与火山灰反应，是产生二灰土强度和水稳定性的主要因素，这种作用随时间的延长持续发展，使二灰土的整体结构强度逐渐提高。
2 二灰土原材料的基本性质
2.1 粉煤灰的基本性质
试验用粉煤灰取自华能营口电廠储灰车间，未经破碎、筛分等处理，外观呈暗灰色。该粉煤灰的主要化学组成为SiO2、Al2O3和Fe2O3，占总质量的近90%，次要化学组成为CaO、MgO、K2O等，属于硅铝型粉煤灰。其它性质如表1所示。
按照我国现行GB1596-91[10]的标准，该粉煤灰为二级灰，因为其排放量较大且价格低廉，适合用作二灰土原料。
2.2 石灰的基本性质
各种化学组成的石灰均可用于稳定土。生石灰和粉煤灰与土中的水分作用会迅速结球，对材料的混合质量产生负面影响。另外生石灰易水化，存放和运输过程的技术要求较为严格，因此在公路施工中需尽可能使用熟石灰。本次试验所用熟石灰为营口本地产钙质熟石灰，符合III级熟石灰的技术指标[11]，检验结果如表2所示：
2.3 土的基本性质
各种成因的亚砂土、亚粘土、粉土和粘土都可以用二灰稳定。我国《公路路面基层施工技术规范》[12]要求宜采用塑性指数12～20的粘性土（亚粘土），土块的最大粒径不应大于15mm，有机质含量超过10%的土不宜使用。本次试验用土取自盖州市沙岗镇，外观呈黄色、颗粒较细、有机质含量少，是典型的风积土。使用光电式联合测定仪测定该土的液塑限并求得塑性指数，结果如表3所示：
可见，盖州市沙岗镇风积土的塑性指数满足工程要求，现场勘查其储量丰富，适于用作二灰土原料。
3 二灰土的配合比设计
根据《公路路基设计规范》[13]和《公路路基施工设计规范》[14]的规定，高速公路上路床范围内材料的压实度需达到96%以上，承载比标准不小于8。本次试验采用二灰土作为填筑上路床的材料，一种材料配比方案为熟石灰：粉煤灰：风积土=3：6：91（质量比）；另一方案为熟石灰：粉煤灰：风积土=4：12：84（质量比）。通过击实试验得到两种配合比方案二灰土的最佳含水率和最大干密度，结果如图4所示：
试验得出方案1的最佳含水率为15.1%，最大干密度为1.897g/cm3；方案2的最佳含水率为16.8%，最大干密度为1.623g/cm3。在二灰土的最佳含水率条件下测定96%压实度、养护七天后的承载比，试验结果如表4所示：
由试验结果，配比为熟石灰：粉煤灰：风积土=3：6：91的二灰土可作为高速公路上路床填料，最佳含水率为15.1%，其压实度应为96%以上；配比为熟石灰：粉煤灰：风积土=4：12：84的二灰土也可作为高速公路上路床填料，最佳含水率为16.8%，其压实度控制在96%以上。方案1熟石灰的使用比例较低而土的使用比例较高，方案2熟石灰的使用比例稍高而粉煤灰的使用比例较高，可根据工程实际情况进行选择。
4 结论
本文通过理论分析和试验研究，得出以下主要结论：
（1）火山灰反应是形成二灰土强度和水稳定性的主要因素，二灰土的整体强度随时间的增长而增强；
（2）华能营口电厂粉煤灰为硅铝型二级粉煤灰，盖州一般土为细颗粒风积土、有机质含量少。两种材料来源广泛，价格低廉，适于作为二灰土原料；
（3）熟石灰：粉煤灰：风积土=3：6：91配比的二灰土作为高速公路上路床填料，最佳含水率为15.1%，压实度需控制在96%以上；
（4）熟石灰：粉煤灰：风积土=4：12：84配比的二灰土作为高速公路上路床填料，最佳含水率为16.8%，压实度需控制在96%以上。
参考文献
[1] 王福元.吴正严.粉煤灰利用手册[M].北京：中国电力出版社，2004.
[2] 张强，梁杰，玉石桥等.粉煤灰综合利用现状[J].广州化工，2013，41（14）：6-8.
[3] 姚占勇，练继建，艾贻中，商庆森.黄河冲（淤）积粉质二灰土的压实特性研究[J].岩土工程学报，2007，29（5）：664-670.
作者简介
顾振平，19881011，男，汉族，辽宁省丹东市。研究方向：矿山固体废弃物综合利用。