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[摘 要]粉煤灰是热电厂燃烧排放的废料，具有颗粒轻、强度高、压缩性小特性和水硬性、易板结等优点，是一种典型的轻质材料。通过对粉煤灰脱硫后的化学、物理及力学等特点进行分析研究，提出利用脱硫粉煤灰进行路堤填筑的型式，以减少路堤填料取土场用地，节约土地资源，合理进行废料资源利用。
[关键词]路堤填筑；脱硫粉煤灰；化学物理力学特性；路堤结构型式；应用实例
中图分类号：U414.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）44-0116-02
0 引言
粉煤灰是热电厂煤粉燃烧排放的废料之一，随着电力工业的发展，粉煤灰的排放量在逐年增加。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中有毒的化学物质还会对人体和生物造成危害。因此粉煤灰的处理和利用问题引起人们广泛的关注。
由于粉煤灰在填料性质方面具有颗粒轻、强度高、压缩性小、并具有一定的水硬性、容易板结等优点，因此它是一种典型的轻质材料，地基附加应力小，可作为地基承载力较低的软土地区的路基填料。此前主要用于公路工程，在铁路工程中应用较少。本文通过对脱硫粉煤灰的化学物理性能和工程力学特性进行研究，依据工程实例，路堤本体采用上下粘土阻隔、左右粘土包边封闭脱硫粉煤灰的工程措施进行路堤填筑，消除了粉煤灰毛细吸水对铁路路基产生的病害。
1 脱硫粉煤灰的化学物理及土力学特性
由于电厂燃煤品种、燃烧方式和程度、回收工艺不同，粉煤灰的化学成分、烧失量、pH值、颗粒组成、液塑限、最佳含水量、最大干密度、压实地基系数、无侧限抗压强度、自硬性与板结性能等存在较大差异。
1.1 化学成份
目前电厂在除去三氧化硫时，采用了两种回收工艺：一种是石灰石法，第二种工艺是氨法除硫，水硬性小，反应后生成硫酸铵，制成农用化肥。石灰石除硫法粉煤灰的化学成分和氨法除硫粉煤灰的化学成分见表1、表2
1.2 颗粒成分组成及液、塑限
石灰石除硫法和氨法除硫粉煤灰土的土力学特性介于粉砂和粉土之间，液限大于40%，定名均为高液限粉土。粉煤灰土由微珠玻璃体组成，化学成份和物理性能都不同于高液限粉（粘）土。石灰石除硫粉煤灰和氨法除硫粉煤灰的颗粒分析及液塑限见表3、表4
1.3 最佳含水量和最大干密度
粉煤灰的最佳含水量范围比较宽，利于填土施工；最大干密度小于粘性土近一半，对减轻液化土路基的自身荷载、减小路基工后沉降大有好处。但是粉煤灰的除硫方式对粉煤灰的最佳含水量和最大干密度有较大影响。
1.4 无侧限抗压强度试验
1.4.1 试件制作
本试验所选原材料取自某电厂，然后按含水率为30%、33%、36%、39%、42%计算出所需水量，用喷壶喷洒预加含水量，使脱硫粉煤灰达到最佳状态，装入容器后，将其闷一昼夜；无侧限抗压强度试件成型时，试模直径×高=φ100mm×100mm，根据含水量和最大干密度计算出每个试件所需的质量。使每个试件都达到最佳状态，用三层法分别加入试模内，每层捣鼓25下，然后在万能试验机下成型，放置4h后脱模。对应含水率试件6个，每3个分为一组。其中一组试件即时作无侧限抗压强度试验，另一组试件封存，放入养护间内在恒温下养护3天，然后再进行试验。试验在万能试验机上进行，加载速率1mm/min，直至试样破坏，记录下试样破坏时的最大压力值，并计算试样的无侧限抗压强度。
1.4.2 无侧限抗压强度结果
试验后不同含水率情况下无侧限抗压强度见表6
以上可以看出粉煤灰实验无侧限抗压强度较高，且3天龄期后抗压强度明显增加。
1.5 自硬性能
粉煤灰的主要矿物成份为硅酸盐玻璃体，伴有少量石英、莫来石、赤铁矿、磁铁矿、及微量游离氧化钙。粉煤灰遇水后，微量游离氧化钙、玻璃体内的钾、钠、铝氧化物及硫酸盐等成份溶解于水，形成水化硅酸钙、硫酸钙、氧化钙结晶，这种现象和水泥的硬化在本质上是相同的。压实的粉煤灰经水化反应能生成水化硅酸钙、铝酸钙、硫酸钙，水化物的生成又进一步发展了粉煤灰的这种力学性能。因此粉煤灰不同于一般粘性土，粉煤灰路基结构性能随龄期的增长不断提高。
1.6 毛细吸水现象
粉煤灰的毛细吸水现象比较发达，其上升高度受压实度的影响较大，随着压实度的增加，毛细水上升的趋势呈下降趋势，据现有资料分析，轻型击实标准压实度95%时，粉煤灰毛细水上升高度1.0-1.4m，重型击实标准压实度90% 时，毛细水上升高度0.8-1.2m，比粘性土毛细水上升高度0.4-0.6m大一倍左右。由于毛细水上升高度较大，不利于粉煤灰填筑体的稳定及防止路基冻胀。
因此，用脱硫粉煤灰进行路堤填筑时阻隔地下水和地表水，克服毛细吸水现象尤为重要的。根据室内粘质图毛细水上升高度试验结果，一般在40-60cm范围，故粉煤灰路堤底部距地下水或地表长期积水水位50cm以上。
1.7 冻胀性
冻胀率与土体的颗粒组成及含水量等有关，通过室内试验观测，粉煤灰的冻胀含水量约为26%，当含水量大于始胀含水量时，开始出现冻胀现象。
由于在负温条件下土中部分水份冻结成冰，体积膨胀而引起土骨架松动、孔隙变化使土体积增长，随之水量的增加，冰量也相应增加，因此而发生冻胀。现场观测施工气温在-10°C以下时，粉煤灰表面不宜洒水。由于脱硫粉煤灰的冻胀而影响压实效果和工程质量，因此，填筑用的粉煤灰需全部在厂内将含水量调整到最佳范围内。并且应采取措施，使渗入路基的水减少到最少，使粉煤灰填料处于干燥状态，以提高路基的耐久性。
2 脱硫粉煤灰填路堤结构型式
由于粉煤灰粘结力小，渗透系数大，毛细现象严重，且有一定的淋溶作用等，因此在路堤结构设计时需考虑采取一定的防护措施对粉煤灰层予以隔离。粉煤灰填层需高出地下水位50cm以上。
为加强对毛细水的阻隔作用，在施工中，地面与粉煤灰之间首先铺设一层A、B组填料垫层，垫层厚度50cm，再在垫层上铺设粘土层，作为隔离层，隔离层厚度50cm，以阻断毛细水侵入粉煤灰路堤；隔离层形成后再填筑脱硫粉煤灰，碾压密实达到路堤压实标准后，再在粉煤灰上封闭30cm厚的粘性土，最后填筑基床本体，这样可有效防止水分渗入，减少淋溶作用。另外粉煤灰路堤的边坡也必须采取保护措施，以防止冲刷、风蚀和地表水的浸入，结合边坡防护措施和便于施工机具进行施工，包边土的宽度设计为1.5m。路堤填高≥8m时，路堤边坡每填筑60 cm，铺设单向土工格栅一层进行路基加固，确保路基结构稳定。为防止排水不畅地段地表水长期浸泡路堤本体，路堤坡脚两侧设抬高式护道，护道高1m，宽2m，边坡同路堤边坡。
3 工程应用
3.1 工程概况
4 脱硫粉煤灰填筑铁路路堤的特点总结
（1） 铁路路堤填筑时取土量较大需要临时征用取土场，脱硫粉煤灰的使用可以节省因取土而占用的土地。节省土地资源。
（2）脱硫粉煤灰的自硬性能有利于提高高填方路基的稳定性，脱硫粉煤灰填料的最佳含水量范围较大，有利于现场施工。粉煤灰自硬性能产生较大的力学性能，提高K30值，现场实测地基系数最高可达200 kPa，远大于粘土路基的强度。
（3）脱硫粉煤灰具有质量轻、压缩性小、路堤建成后沉降量小；最大干密度小，相比粘性土减少了约一半的荷载，尤其对软土地基上的高填方路堤十分有利。经现场沉降观测，与其它对应同填筑高度同地质条件的其它填料相比，脱硫粉煤灰土路堤施工期沉降量小于其它填料的沉降量。
（4）通过对脱硫粉煤灰路堤上下、左右封闭处理后，有效地防止了脱硫粉煤灰路堤由于毛细水现象产生的路基病害。
参考文献
[1] JTJ016-93公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范，中华人民共和国交通部发布
[2] 岳祖润，周宏业.粉煤灰在铁路工程中的应用研究，铁道学报，1998年第5期.
[3] 耿秋祥，李乐祥.粉煤灰路堤的填筑技术，铁道建筑技术，1996年第5期.
[4] 孟春明.粉煤灰填筑路基浅析，山西交通科技，2005年82期.
[关键词]路堤填筑；脱硫粉煤灰；化学物理力学特性；路堤结构型式；应用实例
中图分类号：U414.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）44-0116-02
0 引言
粉煤灰是热电厂煤粉燃烧排放的废料之一，随着电力工业的发展，粉煤灰的排放量在逐年增加。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中有毒的化学物质还会对人体和生物造成危害。因此粉煤灰的处理和利用问题引起人们广泛的关注。
由于粉煤灰在填料性质方面具有颗粒轻、强度高、压缩性小、并具有一定的水硬性、容易板结等优点，因此它是一种典型的轻质材料，地基附加应力小，可作为地基承载力较低的软土地区的路基填料。此前主要用于公路工程，在铁路工程中应用较少。本文通过对脱硫粉煤灰的化学物理性能和工程力学特性进行研究，依据工程实例，路堤本体采用上下粘土阻隔、左右粘土包边封闭脱硫粉煤灰的工程措施进行路堤填筑，消除了粉煤灰毛细吸水对铁路路基产生的病害。
1 脱硫粉煤灰的化学物理及土力学特性
由于电厂燃煤品种、燃烧方式和程度、回收工艺不同，粉煤灰的化学成分、烧失量、pH值、颗粒组成、液塑限、最佳含水量、最大干密度、压实地基系数、无侧限抗压强度、自硬性与板结性能等存在较大差异。
1.1 化学成份
目前电厂在除去三氧化硫时，采用了两种回收工艺：一种是石灰石法，第二种工艺是氨法除硫，水硬性小，反应后生成硫酸铵，制成农用化肥。石灰石除硫法粉煤灰的化学成分和氨法除硫粉煤灰的化学成分见表1、表2
1.2 颗粒成分组成及液、塑限
石灰石除硫法和氨法除硫粉煤灰土的土力学特性介于粉砂和粉土之间，液限大于40%，定名均为高液限粉土。粉煤灰土由微珠玻璃体组成，化学成份和物理性能都不同于高液限粉（粘）土。石灰石除硫粉煤灰和氨法除硫粉煤灰的颗粒分析及液塑限见表3、表4
1.3 最佳含水量和最大干密度
粉煤灰的最佳含水量范围比较宽，利于填土施工；最大干密度小于粘性土近一半，对减轻液化土路基的自身荷载、减小路基工后沉降大有好处。但是粉煤灰的除硫方式对粉煤灰的最佳含水量和最大干密度有较大影响。
1.4 无侧限抗压强度试验
1.4.1 试件制作
本试验所选原材料取自某电厂，然后按含水率为30%、33%、36%、39%、42%计算出所需水量，用喷壶喷洒预加含水量，使脱硫粉煤灰达到最佳状态，装入容器后，将其闷一昼夜；无侧限抗压强度试件成型时，试模直径×高=φ100mm×100mm，根据含水量和最大干密度计算出每个试件所需的质量。使每个试件都达到最佳状态，用三层法分别加入试模内，每层捣鼓25下，然后在万能试验机下成型，放置4h后脱模。对应含水率试件6个，每3个分为一组。其中一组试件即时作无侧限抗压强度试验，另一组试件封存，放入养护间内在恒温下养护3天，然后再进行试验。试验在万能试验机上进行，加载速率1mm/min，直至试样破坏，记录下试样破坏时的最大压力值，并计算试样的无侧限抗压强度。
1.4.2 无侧限抗压强度结果
试验后不同含水率情况下无侧限抗压强度见表6
以上可以看出粉煤灰实验无侧限抗压强度较高，且3天龄期后抗压强度明显增加。
1.5 自硬性能
粉煤灰的主要矿物成份为硅酸盐玻璃体，伴有少量石英、莫来石、赤铁矿、磁铁矿、及微量游离氧化钙。粉煤灰遇水后，微量游离氧化钙、玻璃体内的钾、钠、铝氧化物及硫酸盐等成份溶解于水，形成水化硅酸钙、硫酸钙、氧化钙结晶，这种现象和水泥的硬化在本质上是相同的。压实的粉煤灰经水化反应能生成水化硅酸钙、铝酸钙、硫酸钙，水化物的生成又进一步发展了粉煤灰的这种力学性能。因此粉煤灰不同于一般粘性土，粉煤灰路基结构性能随龄期的增长不断提高。
1.6 毛细吸水现象
粉煤灰的毛细吸水现象比较发达，其上升高度受压实度的影响较大，随着压实度的增加，毛细水上升的趋势呈下降趋势，据现有资料分析，轻型击实标准压实度95%时，粉煤灰毛细水上升高度1.0-1.4m，重型击实标准压实度90% 时，毛细水上升高度0.8-1.2m，比粘性土毛细水上升高度0.4-0.6m大一倍左右。由于毛细水上升高度较大，不利于粉煤灰填筑体的稳定及防止路基冻胀。
因此，用脱硫粉煤灰进行路堤填筑时阻隔地下水和地表水，克服毛细吸水现象尤为重要的。根据室内粘质图毛细水上升高度试验结果，一般在40-60cm范围，故粉煤灰路堤底部距地下水或地表长期积水水位50cm以上。
1.7 冻胀性
冻胀率与土体的颗粒组成及含水量等有关，通过室内试验观测，粉煤灰的冻胀含水量约为26%，当含水量大于始胀含水量时，开始出现冻胀现象。
由于在负温条件下土中部分水份冻结成冰，体积膨胀而引起土骨架松动、孔隙变化使土体积增长，随之水量的增加，冰量也相应增加，因此而发生冻胀。现场观测施工气温在-10°C以下时，粉煤灰表面不宜洒水。由于脱硫粉煤灰的冻胀而影响压实效果和工程质量，因此，填筑用的粉煤灰需全部在厂内将含水量调整到最佳范围内。并且应采取措施，使渗入路基的水减少到最少，使粉煤灰填料处于干燥状态，以提高路基的耐久性。
2 脱硫粉煤灰填路堤结构型式
由于粉煤灰粘结力小，渗透系数大，毛细现象严重，且有一定的淋溶作用等，因此在路堤结构设计时需考虑采取一定的防护措施对粉煤灰层予以隔离。粉煤灰填层需高出地下水位50cm以上。
为加强对毛细水的阻隔作用，在施工中，地面与粉煤灰之间首先铺设一层A、B组填料垫层，垫层厚度50cm，再在垫层上铺设粘土层，作为隔离层，隔离层厚度50cm，以阻断毛细水侵入粉煤灰路堤；隔离层形成后再填筑脱硫粉煤灰，碾压密实达到路堤压实标准后，再在粉煤灰上封闭30cm厚的粘性土，最后填筑基床本体，这样可有效防止水分渗入，减少淋溶作用。另外粉煤灰路堤的边坡也必须采取保护措施，以防止冲刷、风蚀和地表水的浸入，结合边坡防护措施和便于施工机具进行施工，包边土的宽度设计为1.5m。路堤填高≥8m时，路堤边坡每填筑60 cm，铺设单向土工格栅一层进行路基加固，确保路基结构稳定。为防止排水不畅地段地表水长期浸泡路堤本体，路堤坡脚两侧设抬高式护道，护道高1m，宽2m，边坡同路堤边坡。
3 工程应用
3.1 工程概况
4 脱硫粉煤灰填筑铁路路堤的特点总结
（1） 铁路路堤填筑时取土量较大需要临时征用取土场，脱硫粉煤灰的使用可以节省因取土而占用的土地。节省土地资源。
（2）脱硫粉煤灰的自硬性能有利于提高高填方路基的稳定性，脱硫粉煤灰填料的最佳含水量范围较大，有利于现场施工。粉煤灰自硬性能产生较大的力学性能，提高K30值，现场实测地基系数最高可达200 kPa，远大于粘土路基的强度。
（3）脱硫粉煤灰具有质量轻、压缩性小、路堤建成后沉降量小；最大干密度小，相比粘性土减少了约一半的荷载，尤其对软土地基上的高填方路堤十分有利。经现场沉降观测，与其它对应同填筑高度同地质条件的其它填料相比，脱硫粉煤灰土路堤施工期沉降量小于其它填料的沉降量。
（4）通过对脱硫粉煤灰路堤上下、左右封闭处理后，有效地防止了脱硫粉煤灰路堤由于毛细水现象产生的路基病害。
参考文献
[1] JTJ016-93公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范，中华人民共和国交通部发布
[2] 岳祖润，周宏业.粉煤灰在铁路工程中的应用研究，铁道学报，1998年第5期.
[3] 耿秋祥，李乐祥.粉煤灰路堤的填筑技术，铁道建筑技术，1996年第5期.
[4] 孟春明.粉煤灰填筑路基浅析，山西交通科技，2005年82期.