CN1074803C - 粉煤灰固结填筑灰坝(堤)的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉煤灰固结填筑灰坝(堤)的施工方法。该应用技术是以主要原料为工业废渣制成的高强高耐水土体固结剂(HEC)掺和粉煤灰改性填筑灰坝(堤)。固结剂(HEC)的掺入量(占粉煤灰重量)为4%～25%，混合料的含水量为34%～38%。该技术充分利用了固结剂(HEC)的优越性能，低廉的成本，结合火力发电厂粉煤灰就地取材。因此工程造价较其它材料更低，用此方法加高灰坝可延长灰场使用年限，扩大粉煤灰的利用途径。减少占用农田耕地，保护生态环境。有极大的经济效益和社会效益。
Description
本发明涉及一种土体固结剂用以固结粉煤填筑灰坝(堤)的应用技术及方法。
粉煤灰是燃煤电厂煤粉燃料后排出的残渣。目前国内绝大部分火力发电厂的粉煤灰是通过水力管道输送至贮灰场贮存。贮灰场的主体构筑物拦灰大坝多采用就地取材的粘土料，混合料或石料填筑。由于火力发电厂的灰渣量占燃煤量的30％左右，在新建贮灰场存在征用土地困难，建设资金投入过大的诸多困难情况下，为了不影响火电厂的正常运行，对原有的贮场灰坝加高扩容及扩大粉煤灰的综合利用途径是面临的一个实际而紧迫的问题。
电厂的粉煤采用水力除灰的方法排入灰场后，灰水经沉清分离排出场外，粉煤灰则沉积于场里，因此粉煤近似于水相沉积的粉细砂颗粒，无凝聚力和粘结力，透水性较大。因此直接用粉煤灰筑坝，在灰坝坝体的稳定性和抗渗性上均难以满足筑坝要求，必须对粉煤灰掺料改性，才能达到其筑坝的使用要求。
目前，已有中国专利88105732《用粉煤灰筑边埂的自流式挡灰坝的方法》它以新鲜熟石灰为土体固化剂。在作为掺和料的熟石灰时，需用生石灰现场浇水化解，而且要用生石灰随即化解随即掺和，因此，施工过程中会产生扬灰或蒸汽。另外，施工时，坝体必须要有较大的边坡比(1∶2.5以上)，因此，坝体断面面积较大，而其干缩率比水泥大，相对抗裂性较差。
目前市上有一种以工业废渣为原料的高强高耐水土体固结剂，其代号为HEC，该固结剂于1997年6月15日通过电力部科学技术委员会组织鉴定。这种固结剂是一种环保型产品。它与其它固结剂加固土壤的方法相比，固结强度高，耐水性极好，耐久性能高且成本低等特点。目前，尚无文献记载将其掺和粉煤灰填筑灰坝(堤)，也未见将其掺和粉煤灰中填筑灰坝(堤)的工程实例。
本发明的目的在于对粉煤灰掺高强高耐水土体固结剂(HEC)改性之研究，并提出粉煤灰掺HEC固结剂形成的混合料填筑灰坝(堤)之施工工艺。
由于高强高耐水土体固结剂HEC是近年才研制出的土体固结剂，将它掺和到粉煤灰中的有效用量，以及掺和后混合料的最佳含水量的确定，均未有文献记载。因此，发明人选择HEC掺和重量分别为4％、5％、6.7％、10％、12.5％做了如下试验：
1、粉煤灰与HEC固结剂(混合料)击实特性与最优含水量的选择：
(1)由于粉煤灰内孔隙的特殊性，最优含水量不能从粉煤灰击实最大干容重试验结果获得，故采用直接进行混合料固结体无侧限抗压强度试验的方法来寻找每组混合料的最优含水率。对于不同固结剂掺量和不同含水率的混合料进行击实，制成7.07×7.07×7.07cm3试件，在标准潮湿(20℃，相对湿度)90％)下养护7天，进行无侧限抗压强度试验，击实混合料含水率与7天无侧限抗压强度关系如表1、2。
表1青山粉煤灰在固结剂不同掺量时最优含水量及其干容星，孔隙率和7天无侧限抗压强度
| 固结剂∶粉煤灰 | 1∶10 | 1∶15 | 1∶20 | 1∶25 | |
| 固结剂掺量(％) | 10.0 | 6.7 | 5.0 | 4.0 | |
| 击实最优含水量 | 占混合料(％) | 34 | 35 | 36 | 38 |
| 占粉煤灰(％) | 37.5 | 37.5 | 38.0 | 39.5 | |
| 干燥密度(比重)(g/cm3) | 2.125 | 2.121 | 2.120 | 2.120 | |
| 干容重(g/cm3) | 1.038 | 1.035 | 1.025 | 1.024 | |
| 孔隙率(g/cm3) | 51.1 | 51.2 | 51.6 | 51.7 | |
| 7d无侧限抗压强度(Mpa) | 2.5 | 1.24 | 1.02 | 0.63 | |
表2黄石粉煤灰在固结剂不同掺量击实时最优含水率及其干容重和7天抗压强度
| 固结剂∶粉煤灰(干) | 1∶10 | 1.25∶10 | |
| 最优含水量 | 混合剂(％) | 35 | 34 |
| 粉煤灰(％) | 38.5 | 38.5 | |
| 干容重(g/cm3) | 1.10 | 1.12 | |
| 7天抗压强度(MPA) | 2.20 | 2.55 | |
(2)为了与前述击实法进行比较，在对黄石粉煤灰不同掺量的混合料进行试验中，采用了振动法，同时增加了一组掺粗砂的混合料样组，制成7.07×7.07×7.07cm立方体试样，在振动台上进行振动密实，试样成型后放入标准养护室内养护7d，进行无侧限抗压强度试验，其结果见表3。
表3黄石粉煤灰在固结剂不同掺量比振动成型时最优含水率及其干容重和7天抗压强度
| 固结剂∶砂(干)∶粉煤灰(干) | 1.0∶0∶10 | 1.25∶0∶10 | 1.0∶1.0∶9.0 | |
| 最优含水率 | 混合料(％) | 43.5 | 43.0 | 43.5 |
| 粉煤灰(％) | 47.8 | 48.3 | 47.8 | |
| 干容重(g/cm3) | 1.02 | 1.02 | 1.07 | |
| 7天抗压强度(MPa) | 1.12 | 1.14 | 1.26 | |
| 稠度(CM) | 1.2 | 1.1 | 1.5 | |
*稠度试验：采用砂浆稠度试验仪法，稠度值即为标准圆锥体沉入混合料
从上述振动密实成型的结果可以看出，其最优含水率(混合料)都大于40％，但其和易性较差，在振动时密实程度也不够好，从试件上可以看出细小孔洞，其抗压强度要比击实法强度小。
由上可知粉煤灰与HEC的混合料的最佳水量为34％～38％。
2、粉煤灰掺HEC固结剂改性后的力学性能试验
(1)粉煤灰固结体强度试验
粉煤灰与HEC固结剂按规定比例混合，并使其达到最优含水量后，按《土工试验规程》分别成型无侧限抗压，直剪仪抗剪，三轴剪切试验等试件，在标准潮湿(20℃相对湿度)90％)条件下养护7d、14d、28d(按《水工砼试验规程》)再进行各项力学性能测试，其试验成果见表4、表5
表4 固结青山粉煤灰力学性能试验成果
| 序号 | 固结剂掺量 | 无侧限抗压强度 | 抗剪强度指标 | |||||
| (MPa) | C(KPa) | Φ | ||||||
| (％) | f7 | f14 | f28 | 14d | 28d | 14d | 28d | |
| I | 10.0 | 2.50 | 2.68 | 2.99 | 390～430 | 400～450 | 37° | 38～40° |
| II | 6.7 | 1.24 | 1.80 | 1.85 | 300～310 | 320～350 | 31～33° | 35～36° |
| III | 5.0 | 1.02 | 1.15 | 1.38 | 165～200 | 210～230 | 30～31.5° | 34～37° |
| IV | 4.0 | 0.63 | 0.88 | 0.96 | 80～85 | 90～110 | 26～28° | 30～32° |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 10～16 | 10～16 | 26～29° | 26～29° |
注1：表中试验数据均为饱水条件下的试验结果。
注2：纯粉煤灰抗剪强度试件的含水量为39.5％。
表5 固结黄石粉煤灰力学性能试验结果
| 组别 | 固结剂砂(干) | 实验方法 | M | 抗压强度指标 | |||||
| 抗剪强度(Mpa) | C(Kpa) | Φ° | |||||||
| 粉煤灰(干) | F7 | F14 | F28 | 14天 | 28天 | 14天 | 28天 | ||
| A | 1∶0∶0∶10 | 击实 | 2.2 | 2.4 | 2.78 | 490～500 | 500～530 | 39～40° | 40～41° |
| A′ | 振动 | 1.12 | 1.31 | 1.48 | 100～150 | 110～160 | 37～38° | 38～39° | |
| B | 1∶25∶0∶10 | 击实 | 2.55 | 3.0 | 3.64 | 550～600 | 570～620 | 40～41° | 41～42° |
| B′ | 振动 | 1.41 | 1.72 | 1.98 | 140～180 | 150～180 | 38～39° | 39～40° | |
| C | 1∶1∶9.0 | 振动 | 1.26 | 1.55 | 1.73 | 120～160 | 130～160 | 37～38° | 39～40° |
从上述表中所列粉煤灰掺HEC固结剂(混合料)的力学性能试验可以看出：
1、抗剪强度：随固结剂掺量的增加而递增的规律，抗剪强度的提高反映在粘聚力C值的增大。2、无侧限抗压强度的变化规律与抗剪强度的变化规律基本相同。
(2)压实不良时粉煤灰固结体强度的试验
通过试验结果可知，如施工中混合料含水量不正确或压实工艺不合理而造成混合料压实密度达不到表1和表2中干容重的数值时，粉煤灰固结体强度将显著降低。从图4混合料干容重与28d无侧限抗压强度关系中可以看出，用HEC固结粉煤灰时，应严格按照施工规定的要求施工，在保证固结剂的用量及混合料的含水量控制最优含水量的前提下，控制好压实干容重是提高混合料固结体强度的又一重要环节。
通过上述的各项试验表明，固结粉煤灰用击实方法比用振动方法其各项性能均优越。因此进一步说明，在工程施工的压实工艺流程中要注意混合料的含水量和压实容重的控制，保证混合料的压实密度，否则压实过程中就会出现空隙，固结粉煤灰的强度就会明显下降。从振动成型的试验数据可看出，其各项指标明显低于击实的方法，因此实际工程应用中采用压实的施工方法有利于保证工程质量。
3、粉煤灰掺HEC固结剂改性后固结体的抗渗性试验
粉煤灰掺HEC固结剂按规定比例混合，采用前述混合料的最优含水率，按《土工试验规程》严格控制试样的容重，进行击实的振动试验成型试样，并标准养护28d后，进行渗透系数测定试验，试验结果见表6、表7。
表6青山粉煤灰固结体抗渗性试验结果
| 序号 | 固结剂掺量(％) | 渗透系数(CM/S) | 平均渗透系数(CM/S) | 备注 |
| I | 10.0 | (0.79～1.20)×10-5 | 9.95×10-6 | 击实成型 |
| II | 6.7 | (1.50～1.90)×10-5 | 1.70×10-5 | 击实成型 |
| III | 5.0 | (1.97～2.14)×10-5 | 2.10×10-5 | 击实成型 |
| IV | 4.0 | (2.04～2.50)×10-5 | 2.45×10-5 | 击实成型 |
| 0 | 0 | (2.40～4.50)×10-4 | 4.0×10-4 | 击实成型 |
注：纯粉煤试样以含水量39.5％按《土工试验规程》击实成型后即时进行试验。
表7黄石粉煤灰固结体抗渗性试验结果
| 组别 | 固结剂∶砂(干)∶粉煤灰(干) | 渗透系数K(cm/s) | 备注 |
| A | 1.0∶0∶10 | 9.84×10-6 | 击实成型 |
| B | 1.25∶0∶10 | 7.62×10-6 | 击实成型 |
| A′ | 1.0∶0∶10 | 8.22×10-6 | 振动成型 |
| B′ | 1.25∶0∶10 | 3.27×10-6 | 振动成型 |
| C | 1.0∶1.0∶9.0 | 2.15×10-6 | 振动成型 |
由上述试验结果可见，粉煤灰掺入HEC固结剂改性，随着掺量的增加，其渗透系数有所降低，相对纯粉煤灰而言，渗透系数的降低是较明显的。对粉煤灰掺HEC固结剂改性后的渗流稳定性未进行试验，但从其强度的变化规律可以断定，粉煤灰随着掺HEC固结剂比例的增加和养护时间的增长，其渗流稳定性将会大大提高。
4、粉煤灰掺HEC固结剂改性后固结体的干缩变形试验。
用HEC固结剂固结粉煤灰的固结体，具有一些干缩性。为了解干缩性大小，进行了与325#水泥在相同条件下的干缩性对比试验。
试验的方法是，固结材料分别为HEC固结剂和325#矿渣水泥两种。粉煤灰与两种固结材料的重量比均为4∶1，混合料的浆稠度为150～160mm流动度。干缩试件尺寸为4×4×16cm3，试件成型时两端埋入银质埋钉。试样在胶砂搅拌机内拌合，标准振动台上振动成型，在雾室内养护48小时后脱模，并测量基准长度，然后将试件放入标准干燥室(20℃，相对湿度60％)进行干燥，并按规定龄期测定试件长度变化。
HEC固结剂与325#矿渣水泥作固结材料的固结粉煤灰试件的干缩率试验结果见表8、表9。
表8青山粉煤灰固结体干缩率试验结果(×10-4)
| 干缩历时(天) | 1d | 3d | 7d | 10d | 14d | 28d |
| HEC固结剂 | 0.94 | 5.81 | 11.38 | 14.23 | 19.80 | 26.10 |
| 325#水泥 | 1.13 | 6.69 | 14.80 | 16.80 | 21.94 | 29.80 |
表9黄石粉煤灰固结体干缩率试验结果(×10-4)
| 干缩历时(天) | 1d | 3d | 7d | 10d | 14d | 28d |
| HEC固结剂 | 0.89 | 5.52 | 10.81 | 13.94 | 19.40 | 26.88 |
| 325#水泥 | 1.07 | 6.36 | 14.06 | 16.46 | 21.50 | 30.69 |
由试验结果可见，用HEC固结剂固结粉煤灰比用325#矿渣水泥固结粉煤灰，其固结体干缩率明显地低。
应当指出，硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥作固结材料时，其干缩率是比较小的(比用石灰、粘土或火山灰水泥固结材料)，现用HEC作固结材料，其干缩率更低，这对于固结体的抗裂性更为有利。
5、试验研究综述
(1)综合上述各项性能的试验结果，可以看出采用HEC固结剂固结青山电厂岱家湖和黄石电厂白沙滩贮灰场的湿灰，用来作填筑灰坝(堤)建筑材料，是完全可行的。当固结剂掺量为4.0％及以上时，其各项技术指标(尤其是无侧限抗压强度与C、Φ值及抗渗性)都是比较好的，从表10所列试验数据可见，它明显地优于用水泥或石灰等胶凝材料的固结效果，因此，用HEC固结剂时，一方面HEC掺量可以比水泥等材料显著减少，另一方面坝(堤)体断面尺寸也可以大为减少，从而达到安全且经济的目的。
(2)室内试验得到的不同掺量HEC固结剂的粉煤灰固结体，其强度，抗掺性等各项试验指标，可作为灰坝坝体结构设计的依据。
(3)考虑到现场施工时HEC固结剂(粉状物)与粉煤灰掺混的均匀性情况，当HEC掺量过少时，将会造成某些局部部位HEC实际含量过少。为给工程以必要的安全储备，HEC掺量宜取4.0％以上，而相应的设计指标可取低一级的试验值。考虑到经济成本因素HEC掺量在4％～25％之间为宜。
(4)试验结果表明，在施工质量管理时，不能只控制混合料压实干容重一项指标(如土坝压实那样)而应当同时控制固结剂掺量、含水量及压实干容重。要求施工质量控制时，固结剂掺有量应准确到±0.5％，含水量±1％，压实干重应达到表1、表2中试验干容重的98％以上，即干容重在1.00g/cm3以上。
(5)试验结果表明采用HEC固结剂固结粉煤灰时，施工中应十分注意粉煤灰与HEC掺拌的均匀性，混合料含水量的控制，混合料的压实密实性，以及压实后固结体及时洒水养护等环节。由于HEC固结掺量一般较其它固结剂少，因此，掺混均匀性等工艺控制更显重要。
试验结果表明，粉煤灰中加HEC及适当水分搅拌均匀并压实后，即开始发生固结作用。由于HEC是高耐水的，因此，固结体在水中养护或潮湿养护的强度等于或高于失水或养护不良的强度。
故压实后的固结体应尽快用塑料布或其它材料覆盖并洒水养护。
本发明由于采用HEC固结剂，它与粉煤灰掺合后的性能优越，HEC的成本低廉，粉煤灰又可就地取材。因此用此方法填筑灰坝(堤)之工程造价较其它材料更低。更重要的是用HEC与粉煤灰填筑坝(堤)的边坡比可减小到1∶1直至0(铅直)，这是中国专利88105732无法做到的，其填筑灰坝(堤)的堤体断面面积可节省30-50％，这样最大限度地减少灰坝(堤)的占地，节省坝基基础工程量的处理，大幅度降低工程造价，同时最大限度地扩大灰场的贮灰库容。
图1粉煤灰掺HEC改性填筑灰堤断面图
图2分块分段填筑平面布置图
图3A-A剖面图(分块分段填筑剖面图)
图4混合料干容重与28天侧限抗压强度关系坐标图
实施例：
本发明之技术方案可适用于新火力电厂的灰场之灰坝(堤)的填筑，也适用火力电厂旧灰场灰坝(堤)的改造。本实施例提出一种对电厂旧灰场灰坝(堤)改造之设计施工工艺：
配料、拌合、铺料、碾压、质检和养护。
施工工艺的控制要求：
1、配料的控制：
粉煤灰团粒不超过2.5mm，高强高耐水土体固化剂HEC占粉煤灰掺和优选重量比为10％～12.5％，混合料的含水重量为34％～38％。
2、拌合控制：
采用机械拌合机进行拌合，拌合采用干拌，拌合时间控制在2分钟以上。
3、铺料：
在处理好的基础面上，按每20～30m长分一条伸缩缝，设立模板并安装好止水带，使内外边坡比为0，即铅直面，将拌合好的混合料及时地摊铺在筑填面上整平，厚度控制在25～50cm一层，分缝分块填筑如图2、3
4、碾压控制：
采用振动碾，进退式碾压，使压实干容重在1.10g/cm3。
5、质检与养护：
每一填筑段应现场取样进行质量检查，对含水量和干容重进行质量指标检测，并在回填中现场取样制作试件，按照水工建筑物回填的施工要求，将试件养护28天后进行抗压(f)抗剪(C、Φ)和抗渗(K)试验。
养护采用上盖塑料布或其它材料并洒水。达到7天强度后拆模。
每一填筑层的前6道工序在一个作业台班完成，以保证填筑层的结合。
图1中 1-原有土堤 2-掺HEC固结剂改性粉煤灰填筑灰堤 3-堆灰面 4-于砌石护坡 8-洪水位
图2中5-分缝止水带 6-后填块段 7-先填块段 L-分段填筑长度 H-层间填筑厚度 B-堤顶宽度
表10粉煤灰掺固化材料改性后的主要工程特性指标比较表
| 灰样名称 | 固化材料 | 掺量比(％) | 无侧限抗压强度f28d(KPa) | 抗剪强度28d | 渗透系数K(cm/s) | 击实容重(g/cm3) | 最优含水量(％) | 备注 | |
| C(KPa) | Φ(0°) | ||||||||
| 松木坪湿灰 | 325#矿渣水泥 | 7.0 | 220 | 30 | 31 | 6.19×10-5 | 1.06 | 37 | |
| 15.0 | 240 | 37 | 32 | 4.29×10-5 | 1.13 | 34 | |||
| 20.0 | 420 | 71 | 35 | 3.61×10-5 | 1.14 | 33.5 | |||
| 松木坪湿灰 | 熟石灰 | ||||||||
| 20 | 125～1330 | 25～40 | 27～29 | 2×10-5～2×10-6 | 0.89～1.12 | 强度值不稳定 | |||
| 青山湿灰 | HEC-3型 | 5.0 | 1380 | 210～230 | 38～40 | 2.1×10-5 | 1.025 | 38 | |
| 6.7 | 1850 | 320～350 | 35～36 | 1.7×10-5 | 1.035 | 37.5 | |||
| 10.0 | 2990 | 400～450 | 30～37 | 9.95×10-6 | 1.038 | 37.5 | |||
| 黄石湿灰 | HEC-3型 | 10.0 | 2730 | 500～530 | 40～41 | 9.84×10-6 | 1.10 | 38.5 | |
| 12.5 | 3640 | 570～620 | 41～42 | 3.27×10-6 | 1.12 | 38.5 | |||
Claims (6)
1、粉煤灰固结填筑灰坝(堤)的施工方法，它是以粉煤灰为材料，掺以主要原料为工业废渣制成的高强度高耐水土体固结剂改性，通过工程施工工艺控制填筑灰坝(堤)，因结剂的掺入量占粉煤灰(重量)为4％～25％，混合料的含水量为34％～38％，其施工方法为：配料；
拌合：采用强制性拌合机进行机械干性拌合，
铺料：在处理好的基础面上，按每20～30m长分一条伸缩缝，将拌合好的混合料及时地摊铺在筑填面上整平，厚度控制在25～50cm一层；
碾压：采用振动碾进退式碾压；
质检；
养护：压实质检后，用塑料布或其它材料覆盖并洒水。
2、如权利要求1所述粉煤灰固结填筑灰坝(堤)的施工方法，其特征在于碾压压实灰坝(堤)体，压实干容重在1.00g/cm3。
3、如权利要求1所述粉煤灰固结填筑灰坝(堤)的施工方法，其特征在于配料的优化重量比为：粉煤灰所掺固结剂占粉煤灰重量的10～12.5％，粉煤灰团粒不大于2.5mm。
4、如权利要求1所述粉煤灰固结填筑灰坝(堤)的施工方法，其特征在于铺料分缝时，设立模板并安装好止水带。
5、如权利要求1所述粉煤灰固结填筑灰坝(堤)的施工方法，其特征在于坝(堤)内，外边坡比小于1∶1直至0，即铅直面。
6、如权利要求5所述粉煤灰固结填筑灰坝(堤)的施工方法，其特征在于当坝体为铅直面时，必须设立模板筑填施工。
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