利用石屑制备铁路水泥火山灰碎石桩材料

曾晓辉 李传书 周剑波 胡小宝 辜英晗 潘自立 曾永平 龙广成 谢友均 薛元 王艳峰

(1中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075；2中铁五局集团有限公司拉林铁路指挥部，贵州 贵阳550000；3中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；4中铁十七局集团第五工程有限公司，山西 太原 030006)

水泥粉煤灰碎石（CFG）桩是基于低强度混凝土复合地基理论发展起来的一种半刚性桩[1-4]，其作为复合地基处理技术已逐渐在工程应用中得到推广，特别是在一些基础稳定性要求高的重要工程中较常应用，CFG桩已成为我国客运专线和高速铁路建设复合地基处理中的一种重要形式。由于桩基材料一般处于潮湿地下环境中，环境水中的侵蚀性物质如硫酸盐、氯盐、碳酸盐等易对其产生腐蚀，因此需高度重视其抗腐蚀能力[5-7]。

大瑞铁路保瑞段经保山市、龙陵县、芒市、瑞丽市等地，是我国《中长期铁路网规划》中的重点项目，也是云南省“八入滇、四出境”铁路网规划中的重要出境通道之一。保瑞段有桩基处理70余万m3，采用C25低标号桩基材料约14万m3。铁路沿线酸性侵蚀等级大多为H1级，CO2侵蚀等级可达H2级，当地水体的硫酸盐浓度为400mg/L的水平，为中度硫酸盐侵蚀环境，此外，保瑞段还有L1级侵蚀环境的工况，桩基材料易遭受侵蚀。

大瑞铁路保瑞段沿线距离粉煤灰产地较远，粉煤灰到工地价格较高，但保山、龙陵当地火山灰资源极为丰富，因此研究火山灰取代粉煤灰，开发相应的水泥火山灰碎石（CPG）桩十分必要。在本文中，通过对当地火山灰进行改性，并利用当地采石场石屑，制备了流动性、可泵性、强度以及耐久性优良的CPG桩基材料，并成功于应用工程中。

1 原材料与试验

1.1 原材料

水泥：保山海螺水泥有限责任公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，3d抗压强度32.1MPa，28d抗压强度51.2MPa。

火山灰：如图1所示，采用龙陵县江腾火山灰有限公司生产的磨细火山灰，火山灰活性指数63.1%，烧失量为1.18%，需水量比105%。火山灰的化学成分如表1所示，XRD矿物组成分析结果如图2所示，该火山灰主要含有硅、铝氧化物和碱金属氧化物，从XRD的衍射峰来看，该火山灰内部微观组织结构主要为无定型的玻璃体氧化物。

图1 火山岩及火山灰

表1 火山灰化学组成分析结果

图2 火山灰XRD分析结果

改性火山灰：针对天然火山灰引气能力强、需水量大、反应活性不足的问题，在工厂内对火山灰进行改性，全面提升其性能，改性后火山灰活性指数为77.2%，需水量比99%。

粉煤灰：原灰来自云南华电昆明发电有限公司，粉煤灰活性指数为76.2%，细度为13.1%，需水量比为101%，烧失量为6.1%，相关指标均符合Ⅱ级粉煤灰要求。

石屑：来源于瑞丽市当地采石场，为生产砂石料后的副产品，其筛分结果如表2所示。试验时将石屑过筛，依据筛余将石屑分为0.15～9.5mm、0.075～0.15mm、0.075mm以下组，再进行复合掺配。

表2 石屑筛分结果

砂：瑞丽江洁净河沙，细度模数2.72。

石：来自云南保山，非连续颗粒级配，分别对5～10mm，10～20mm，20～31.5mm单粒粒级筛分后进行分类堆放，将以上单粒级配按30:50:20的比例组成为5～31.5mm的连续级配。

减水剂：聚羧酸减水剂。

1.2 试验

1.2.1 配合比

试验用配合比如表3所示，混凝土设计强度等级为C20，设计坍落度为200mm，配合比中保持水胶比0.5不变，通过减水剂调整混凝土坍落度。配比中PO、VA、FA、MVA分别代表掺纯水泥、掺火山灰、掺粉煤灰、掺改性火山灰。

表3 混凝土配合比(kg/m3)

1.2.2 和易性

CPG桩基施工中混凝土采用泵送，对拌合物和易性要求较高，以坍落度评价拌合物和易性，目标坍落度为200mm左右。

1.2.3 强度

CPG桩为C20 低标号素混凝土，试验参照GB/T-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，以3d、7d、28d抗压强度来表征混凝土强度发展。

1.2.4 电通量

电通量是表征混凝土耐久性的重要参数，实验采用TB10005-2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》中规定的混凝土电通量测试方法。

1.2.5 抗腐蚀系数

实验采用TB10005-2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》中规定的水泥或胶凝材料抗硫酸盐侵蚀性能快速检测方法。

2 结果与讨论

2.1 火山灰对混凝土拌合物性能的影响

如表4所示，在采用河沙时，掺天然火山灰混凝土表现出极强的引气能力，且掺量越高，引气能力越强，这可能与火山灰多孔结构吸附气体有关[8]，拌合物含气量高达15%以上，且气泡极不稳定，含气量损失较快，拌合物离析、泌水较为严重（图3a），拌合物迅速板结并丧失流动性，可泵性较差。掺用改性火山灰后，拌合物引气能力有所削弱，降低至6%以下，且坍落度≤80mm时，拌合物无离析、泌水，气泡稳定，但坍落度较高时，拌合物仍泌水严重，坍落度无法测试。而掺用20%粉煤灰后，拌合物含气量降低至4.6%，气泡稳定性良好，但坍落度较高时，仍存在少许离析与泌水，拌合物易板结。

图3 混凝土拌合物外观

表4 拌合物性能测试结果

石屑对拌合物离析与泌水改善非常明显，掺入石屑后气泡也较为稳定，且石屑中粒径≤0.15mm的粉体含量越高，拌合物含气量损失越小，当石屑中0.15mm以下颗粒物含量≥15%或0.075mm以下颗粒物含量≥10%时，流动性甚至达到自密实混凝土的水平，扩展度达550mm（图3b），且无离析与泌水。这些可能与石屑连续级配及粉体悬浮作用有关，由于CPG桩基混凝土中胶凝材料仅320kg/m3左右，其有效粉体含量不足，较大坍落度时拌合物易离析、泌水，而石屑中0.15mm以下颗粒物可充当粉体材料，因此采用石屑后拌合物和易性大为改善。

2.2 火山灰对硬化混凝土强度与电通量的影响

火山灰、粉煤灰对硬化混凝土强度与电通量的影响如表5所示。火山灰对混凝土强度降低的影响较明显，掺50%天然火山灰时，3d强度甚至降低至基准值的50%以下，28d强度也仅有基准值的60%左右，这反映了当地天然火山灰活性较弱[9]，如不加以改性将严重降低混凝土的强度。对火山灰进行改性后，混凝土强度增长明显，掺50%改性火山灰，28d抗压强度为基准值的80%以上，且高于同掺量粉煤灰强度，满足设计所要求的强度等级。石屑对混凝土的强度增加也比较明显，在各组配比中，掺入石屑后混凝土强度均有所增加，这可能与石屑中含有大量的石灰石粉有关，石灰石粉在早期可加速水泥水化[10]，其后期填充效应可使混凝土更加密实[11]，因此有一定的增强效果。采用石屑+改性火山灰方案，即使改性火山灰掺量达50%，混凝土28d抗压强度仍可达30.7MPa，远高于设计所要求的强度。

表5 硬化混凝土强度与电通量

火山灰与粉煤灰均可降低硬化混凝土的电通量。由于混凝土水灰比较大，因此基准组的电通量达2795C，掺入50%火山灰后混凝土电通量降低至2102C，而掺入50%粉煤灰后电通量降低至1643C，这可能与掺合料的火山灰效应有关，通过与水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次水化反应，形成的C-S-H凝胶使混凝土更加密实，因此混凝土电通量降低明显[12]。石屑也显著降低了混凝土的电通量，这可能与石屑中石灰石粉的密实效应有关[11]。对火山灰进行改性后，混凝土电通量降低尤为明显，掺入50%改性火山灰，并掺入石屑，混凝土的电通量降低至626C。

2.3 火山灰对胶凝材料耐蚀系数的影响

图4 胶凝材料耐蚀系数试验

环境水侵蚀综合防护技术是铁路、公路、地下工程设计的重要内容之一。由于水泥基材料的组成与结构特点，当自然环境中含有酸、盐等侵蚀性介质时，这些环境介质会对水泥基材料产生侵蚀作用，引起组成、结构的变化和使用性能的劣化，严重影响工程结构物的服役寿命和线路运营的安全性。CPG桩的服役环境特点决定了必须注意其抗水侵蚀能力，如图4所示，本文对比分析了掺火山灰胶凝体系的耐蚀系数，结果如表6所示。粉煤灰掺量过高使得胶凝体系耐蚀系数下降，而火山灰可使胶凝体系的耐蚀系数在较高水平，满足规范所要求≥80%。

表6 复合胶凝体系耐蚀系数

3 结论

本文针对滇西地区粉煤灰资源匮乏而火山灰资源丰富的现状，研究了采用石屑制备水泥火山灰碎石（CPG）桩材料，获得结论如下：

1）天然火山灰使拌合物引气能力大大增强，拌合物易离析与泌水，气泡上浮，和易性变差，且使混凝土强度大为降低，满足不了工程需要；而对火山灰进行改性，可改善混凝土和易性，提高混凝土强度，大幅降低混凝土电通量。

2）使用河沙作为细骨料，拌合物粘聚性差，无法满足泵送的需要；而石屑能显著改善拌合物的和易性，其细颗粒物含量是影响拌合物流动性的关键因素，石屑0.15mm以下颗粒物含量≥15%或0.075mm以下颗粒物含量≥10%为宜。

3）基于改性火山灰与石屑技术，制备了性能优异的桩基材料，其胶凝材料用量为320kg，改性火山灰用量为160kg，拌合物坍落度为160～200mm，无分层、离析、浮泡，可泵性优良，成功用于大瑞铁路工程建造中，芯样28d抗压强度≥30.0MPa，56d电通量≤1000C。