稳定土Ⅱ二灰稳定土课件.ppt
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1、 1粉煤灰的产生与特性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。杂质转变而来。这些矿物杂质主要是:这些矿物杂质主要是:铝硅酸盐类的粘土质铝硅酸盐类的粘土质矿物(粘土岩,页岩,长石等),氧化硅(石矿物(粘土岩,页岩,长石等),氧化硅(石英)。英)。粘土矿物在粘土矿物在300脱去吸附水,脱去吸附水,650脱去脱去结晶水,结晶水,1100开始晶格破坏。温度再升高,灰开始晶格破坏。温度再升高,灰粒从软化表面开始熔融。粒从软化表面开始熔融。煤粉中还有煤粉中还有RCO3矿物,矿物,RSO3矿物,铁的矿物,铁的氧化物。这些矿物中,氧化物。这
2、些矿物中,含水的含水的RSO3矿物脱水,矿物脱水,排出排出SO2、SO3;RCO3矿物在高温下排出矿物在高温下排出CO2,碱性物质挥发。碱性物质挥发。正常电厂温度正常电厂温度16001600,此温度除少量石英外,煤粉,此温度除少量石英外,煤粉中的矿物杂质全部熔融。国内最高炉温中的矿物杂质全部熔融。国内最高炉温1450145015001500(粉煤灰烧成温度越高,质量越好)(粉煤灰烧成温度越高,质量越好),最低最低处只有处只有1000-11001000-1100。当煤粉进入高温炉堂后,灰粒在高温和空气的湍流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,在表面裂中
3、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,形成成温度的升高而升高。煤粉燃烧后,形成10-15%10-15%的的灰渣粗粒(固体残渣)沉积在燃烧物的底部(叫炉灰渣粗粒(固体残渣)沉积在燃烧物的底部(叫炉灰或炉渣),灰或炉渣),85-90%85-90%细灰回收为粉煤灰。粉煤灰中细灰回收为粉煤灰。粉煤灰中的玻璃珠的成珠率越高,含碳量低,质量就好。的玻璃珠的成珠率越高,含碳量低,质量就好。高温下,煤
4、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。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。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,以这种状态存在的的一种无定型固体状
5、态,以这种状态存在的物体称之为玻璃体。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随之减缓,造成而使熔体分子运动随之减缓,造成熔体分子无法进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。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。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)玻璃体紊乱正是
6、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。明显偏高,活性更强。1.11.1粉煤灰的组成粉煤灰的组成 1.11.1粉煤灰的化学组成粉煤灰的化学组成 化学成分是评价粉煤灰品质(活性)的重要技术数化学成分是评价粉煤灰品质(活性)的重要技术数据。据。由于发电用原煤的差别,导致粉煤灰成分上的由于发电用原煤的差别,导致粉煤灰成分上的差别,表差别,表1 1为在全国采集的数十个粉煤灰样品化学为在全国采集的数十个粉煤灰样品化学组成大致范围。组成大致范围。因我国粉煤灰的因我国粉煤灰的SiOSiO2 2+Al+
7、Al2 2O O3 3+Fe+Fe2 2O O3 370%70%,我国道路,我国道路上以含上以含CaOCaO量把它分为高钙粉煤灰和低钙粉煤灰。量把它分为高钙粉煤灰和低钙粉煤灰。道路上规定:道路上规定:CaOCaO含量在含量在2 26%6%叫硅铝粉煤灰;叫硅铝粉煤灰;CaOCaO含量在含量在101040%40%叫高钙粉灰。叫高钙粉灰。美国标准:美国标准:SiOSiO2 2+Al+Al2 2O O3 3+Fe+Fe2 2O O3 3 总含量的总含量的70%70%,叫低,叫低钙粉煤灰;钙粉煤灰;SiOSiO2 2+Al+Al2 2O O3 3+Fe+Fe2 2O O3 3 总含量的总含量的50%50
8、%,叫高钙粉煤灰。,叫高钙粉煤灰。成分成分含量含量氧化氧化硅硅SiO2氧化铝氧化铝Al2O3氧化铁氧化铁Fe2O3氧化钙氧化钙CaO氧化镁氧化镁MgO烧失量烧失量粉煤灰范粉煤灰范围(围(%)346017352150.840.721.224平均值平均值(%)50.627.27.02.81.28.2粉煤灰(及高炉矿渣)化学组成范围粉煤灰(及高炉矿渣)化学组成范围 表表1 除上述几项主要成分之外除上述几项主要成分之外,粉煤灰中还含有粉煤灰中还含有少量少量SO3SO3、NaNa2 2O O和和K K2 2O O等物质。等物质。当粉煤灰中氧化钙成分较高时,粉煤灰具有当粉煤灰中氧化钙成分较高时,粉煤灰具有
9、自硬胶凝性。自硬胶凝性。由于我国大部分粉煤灰组成中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)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。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,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。含碳量)越小,粉煤灰的品质就越好。1.21.2矿物组成矿物组成 煤粉在锅炉中燃烧时,煤中的无机矿物经煤粉在锅炉中燃烧时,煤中的无机矿物
10、经历了分解、烧结、熔融和冷却等过程。冷历了分解、烧结、熔融和冷却等过程。冷却后形成的粉煤灰所具有的却后形成的粉煤灰所具有的矿物基本上是矿物基本上是非晶态的玻璃体和晶体矿物两大类非晶态的玻璃体和晶体矿物两大类。表。表2 2是是数十种粉煤灰的矿物组成大致比例。数十种粉煤灰的矿物组成大致比例。表中数据表明表中数据表明,粉煤灰中的玻璃体含量占矿粉煤灰中的玻璃体含量占矿物组成中大部分物组成中大部分,平均值已占到总量的平均值已占到总量的60%60%以上。以上。由于粉煤灰与石灰的多种反应主要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,集中于非晶态的玻璃体,玻璃体含量越高玻璃体含量越高的粉煤灰其活性(
11、质量)就越好。的粉煤灰其活性(质量)就越好。成分成分含量含量玻璃玻璃体体石英石英莫来石莫来石赤铁矿赤铁矿磁铁矿磁铁矿范围(范围(%)50.279.00.918.5 2.734.104.70.413.8平均值平均值(%)60.48.121.21.12.8粉煤灰矿物组成粉煤灰矿物组成 表表2 1.31.3颗粒形态颗粒形态 珠状颗粒珠状颗粒 漂珠:是薄壁的空心玻璃微微珠。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,空心冶珠:厚壁的空心玻璃微珠,强度高,比重大。比重大。复珠(子母珠):薄壁微珠中,粘附了大复珠(子母珠):薄壁微珠中,粘附了大量细小的玻璃微珠。量细小的玻璃微珠。密
12、实冶珠(实心微珠)。密实冶珠(实心微珠)。渣状颗粒。渣状颗粒。海绵状玻璃渣粒,海绵状多孔玻璃颗粒,海绵状玻璃渣粒,海绵状多孔玻璃颗粒,粒径较粗。碳粒。粒径较粗。碳粒。钝角颗粒:钝角颗粒:未熔融或部分熔融的颗粒,未熔融或部分熔融的颗粒,大部分是石英颗粒。大部分是石英颗粒。碎屑碎屑 粘聚颗粒:粘聚颗粒:粉煤灰的等级是由上述玻璃微珠、海绵状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玻璃体、碳粒三种颗粒组成决定的.含玻璃含玻璃微珠越多,质量越好;而含碳量(即烧失微珠越多,质量越好;而含碳量(即烧失量)越大,粉煤灰的品质就越差。量)越大,粉煤灰的品质就越差。1.41.4细度细度
13、干燥的粉煤灰呈细粉状,光滑而松软。显微镜下,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。颗粒混合物,实心和空心圆形小球占很大的比例。颗粒尺寸:颗粒尺寸:0.0010.0010.3mm0.3mm,大部分的粒径波动在,大部分的粒径波动在0.0010.0010.1mm0.1mm之间。粒度多为粉砂状的无粘聚无塑之间。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。性材料,具有充分发达的孔隙结构。湿排灰湿排灰0.0740.0742mm2mm颗粒约占颗粒约占40%4
14、0%,0.074mm0.074mm约占约占60%60%。液限高,约液限高,约65%65%,粉状粒径不具备塑性。比重接近,粉状粒径不具备塑性。比重接近于粉质砂土于粉质砂土,为为2.12.12.3g/cm3,2.3g/cm3,最大干密度最大干密度1.1g/cm1.1g/cm3 3左右左右(土的最大干密度土的最大干密度1.65-1.95g/cm1.65-1.95g/cm3 3),属轻质材料。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
15、的粉煤灰玻璃体含量较大。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,明显减少。因此,粉煤灰的细度越细,其性质就越好。细度成为粉煤灰的细度越细,其性质就越好。细度成为标志粉煤灰使用品质的一项指标。标志粉煤灰使用品质的一项指标。细度大小通常采用细度大小通常采用0.045或或0.080mm筛的筛余量和筛的筛余量和比表面积来表示,法国标准规定,通过比表面积来表示,法国标准规定,通过0.04mm的含的含量不小于量不小于40%,我国道路上规定,我国道路上规定0.075筛通过率筛通过率70%,比表面,比表面2
16、500 cm2/g。由于在粉煤灰的颗粒组成中,活性较低的氧化铁含由于在粉煤灰的颗粒组成中,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,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。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组成结构才是影响粉煤灰性能的最根本
17、原因。本原因。桥型氧非桥型氧硅钙或镁铝粉煤灰玻璃体结构示意图粉煤灰玻璃体结构示意图 1.41.4粉煤灰潜在活性的激发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,从粉煤灰玻璃体结构组成分析中得知,网络形成剂网络形成剂(SiOSiO2 2)愈多,而网络调整剂()愈多,而网络调整剂(CaOCaO)愈少,
18、则连网)愈少,则连网的的SiOSiO4 4 4-4-四面体就愈多,玻璃体结构的网络稳定性四面体就愈多,玻璃体结构的网络稳定性增大而活性减小。增大而活性减小。因此,因此,要想使粉煤灰能够发生水要想使粉煤灰能够发生水硬性作用,必须设法将其中的硬性作用,必须设法将其中的SiOSiO4 4 4-4-四面体链状结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,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。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
19、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。二灰粉性土配比二灰粉性土配比1313:2929:5858外掺外掺0.5%0.5%外掺外掺0.5%0.5%时增强率时增强率NaCONaCO3 3NaOHNaOHNaCONaCO3 3NaOHNaOH无侧限抗压无侧限抗压强度强度(MPaMPa)7d7d0.91/0.91/(泡散)(泡
20、散)*1.02/1.02/(泡散)(泡散)*28d28d2.06/1.072.06/1.07*2.04/1.072.04/1.07*939387 87 90d90d3.88/2.343.88/2.34*3.38/2.343.38/2.34*66 66 63 63 注:注:增强率增强率=(加外掺剂强度(加外掺剂强度/不掺外掺剂强度)不掺外掺剂强度)-1*100%;*加外掺剂强度加外掺剂强度/不掺外掺剂强度;不掺外掺剂强度;粉性土的塑性指数为粉性土的塑性指数为10.5。2 2粉煤灰的路用质量指标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,一粉煤灰的路用质量指标,依据用途可分为两
21、类,一类是用作道路填料,它有三个物理指标,对应工程类是用作道路填料,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。指标,反应固化土时的固化能力与活性。2.12.1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 作为路用填料的三个物理指标为:击实性能、渗透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。性、颗粒分布。粉煤灰的三个路用工程特性:粉煤灰的三个路用工程特性:比重轻。比重轻。粉煤灰颗粒组成中空心的微珠颗粒70%,比重轻,表4是三种不同路基填料密度。比重比粘土轻23%23
22、%,干密度比之小43%43%,它是一种轻质材料,可用于台背回填与高路堤填料。压实后的孔隙比大压实后的孔隙比大,毛细现象十分强烈。,毛细现象十分强烈。填料名称压实后湿密度(g/cm3)最大干密度(g/cm3)比重压实后最小孔隙比粉煤灰1.401.450.901.051.952.151.101.20粘性土1.902.051.601.852.702.760.500.70砂土1.902.001.601.802.652.690.600.70不同填料密度及有关指标比较不同填料密度及有关指标比较 表表4 粉煤灰的毛细现象:粉煤灰的毛细现象:室内以含水量W=44%,压实度K=89%制件观察毛细水毛细水上升高度
23、在上升高度在120-130cm120-130cm,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。渗透系数为渗透系数为1-51-51010-4-4cm/seccm/sec,渗水性强,透水性较,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大,且饱水后强度急剧降低。渗透性取决于它的压实度。实度。室内试验的压实度与渗透系数关系如图3。粉煤灰对雨季施工要求: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
24、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。粉煤灰的渗透性与粉煤灰的渗透性与压实度的关系的关系10-4粉煤灰的毛细上升高度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,最佳含水压实特性。具有较大的最佳碾压含水量范围,最佳含水量量35-40%35-40%;较小的最大干密度。;较小的最大干密度。粉煤灰主要由粉粒组成,小于粉煤灰主要由粉粒组成,小于0.002-0.005mm0.002-0.005mm的颗粒极少,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。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,压
25、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使其颗粒间产生挤松排列排列-压实压实再挤松再挤松再密实的循再密实的循环过程。环过程。3max1.1/g cm1.381.41.421.441.46141618202224含水量(%)干密度(g/cm3)1:021:031:04T214二灰含量为二灰含量为48%的二灰土击实曲线的二灰土击实曲线 2.22.2用于稳定用于稳定(固化固化)土时的三个质量指标土时的三个质量指标 用于稳定(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烧失量(含炭量)、(含炭量)、各种氧化物含量各种氧化物含量(有的(有的也用凝硬
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