一种用于筑坝的固化粉煤灰及其制备方法
技术领域
本发明属于筑坝材料领域，具体为一种用于筑坝的固化粉煤灰及其制备方法。
背景技术
粉煤灰是火电厂燃煤锅炉排出的工业废渣，目前国内大部分电厂都是用水力将粉煤灰输送到固定灰库贮存。粉煤灰的化学成分与粘土相似，应用比较广泛，既可以用来生产粉煤灰水泥、粉煤灰砖、粉煤灰硅酸盐砌块等建筑材料，还能作为外加剂掺入混凝土中，代替部分水泥和细骨料，从而提高混凝土的和易性。利用粉煤灰建造灰坝既能废物利用，又可以节约材料和运输成本，已成为近年来贮灰场灰坝建设的发展趋势。但是通过水力运输排入灰场的原状粉煤灰，近似于水相沉积的粉细砂粒，无凝聚性和粘结力，透水性较大，因此直接用原状粉煤灰筑坝或者加坝，在坝坡稳定和抗渗性上均难以满足要求，必须对粉煤灰进行固化处理，粉煤灰固化剂的种类很多，如粘土、石灰、水泥以及各种化学固化剂等，粘土价格低，强度也低，使用较少；石灰固化粘土的强度高，但掺量大，成本过高。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种增强固化粉煤灰的密实性以及内部摩擦力的用于筑坝的固化粉煤灰，本发明的另一目的是提供一种简单方便的用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法。
技术方案：本发明所述的一种用于筑坝的固化粉煤灰，包含以下重量份数的物质：50～90份粉煤灰，0～25份水泥，0～40份粘土，17～26份水，5～10份速凝剂，4～12份早强剂。
其中，粉煤灰为F类II级，呈灰色、灰黑色，化学成分主要为硅、铝、钙、硫等，其中SiO2H和Al2O3含量为70％～85％，与火山灰类似，具有粘土、粉土的部分特性。水泥为P.O42.5型普通硅酸盐水泥。粘土为原生粘土。速凝剂的型号为SR313，作用是加速水泥的水化硬化，在很短的时间内形成足够的强度，以保证特殊施工的要求。早强剂的型号BT-2003，作用是加速水泥水化速度，具有一定减水增强功能。
优选地，固化粉煤灰包含以下重量份数的物质：50～90份粉煤灰，15～25份水泥，15～25份粘土，17～26份水，5～10份速凝剂，4～12份早强剂。
上述用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥、粘土烘干之后过0.1～0.5mm筛子；
(2)按照化学计量比将原料进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动3～5min，然后加入17～25份水并搅拌均匀。
工作原理：粉煤灰颗粒在固化剂作用下发生水化反应，生成胶凝状水化产物，将粉煤灰颗粒包裹起来，随着养护龄期延长，粉煤灰继续水化，胶凝材料越来越多，最终形成完整的包裹层，增强了固化粉煤灰的密实性以及内部摩擦力，从而改善了固化粉煤灰的抗渗性能、抗剪切性能以及抗压强度。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、能够增强固化粉煤灰的密实性以及内部摩擦力，有利于改善固化粉煤灰的抗渗性能、抗剪切性能以及抗压强度；
2、本发明的制备方法简单方便环保；
3、本发明利用粉煤灰进行筑坝，粉煤灰和粘土代替部分水泥，提高经济效益，还可以用作道路路基材料；
4、BT-2003型早强剂能够加速水泥水化速度，具有一定减水增强功能；
5、SR313型速凝剂能够加速水泥的水化硬化，在短时间内形成足够的强度，以保证特殊施工的要求。
附图说明
图1是本发明不同固化剂掺量下的固化粉煤灰渗透系数的变化图；
图2是本发明不同固化剂掺量下的固化粉煤灰粘聚力随养护龄期的变化图；
图3是本发明不同固化剂掺量下的固化粉煤灰内摩擦角随养护龄期的变化图；
图4是本发明不同固化剂掺量下的固化粉煤灰抗压强度随养护龄期的变化图。
具体实施方式
以下各实施例中，早强剂的型号BT-2003，规格25kg/袋，速凝剂的型号SR313。
实施例1
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥、粘土烘干之后过0.1mm筛子；
(2)按照化学计量比将50份粉煤灰、1份水泥、2份粘土、5份速凝剂、4份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动3min，然后加入17份水并搅拌均匀。
实施例2
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥、粘土烘干之后过0.5mm筛子；
(2)按照化学计量比将90份粉煤灰、25份水泥、40份粘土、10份速凝剂、12份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动5min，然后加入25份水并搅拌均匀。
实施例3
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥、粘土烘干之后过0.3mm筛子；
(2)按照化学计量比将70份粉煤灰、15份水泥、15份粘土、7份速凝剂、8份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动4min，然后加入21份水并搅拌均匀。
实施例4
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥、粘土烘干之后过0.2mm筛子；
(2)按照化学计量比将60份粉煤灰、10份水泥、25份粘土、6份速凝剂、6份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动3min，然后加入19份水并搅拌均匀。
实施例5
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥、粘土烘干之后过0.4mm筛子；
(2)按照化学计量比将80份粉煤灰、23份水泥、30份粘土、9份速凝剂、10份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动5min，然后加入23份水并搅拌均匀。
实施例6
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥烘干之后过0.5mm筛子；
(2)按照化学计量比将90份粉煤灰、10份水泥、7份速凝剂、8份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动4min，然后加入20份水并搅拌均匀。
实施例7
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥烘干之后过0.5mm筛子；
(2)按照化学计量比将85份粉煤灰、15份水泥、7份速凝剂、8份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动4min，然后加入20份水并搅拌均匀。
实施例8
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥烘干之后过0.5mm筛子；
(2)按照化学计量比将80份粉煤灰、20份水泥、7份速凝剂、8份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动4min，然后加入20份水并搅拌均匀。
实施例9
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥烘干之后过0.5mm筛子；
(2)按照化学计量比将75份粉煤灰、25份水泥、7份速凝剂、8份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动4min，然后加入20份水并搅拌均匀。
实施例10
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥烘干之后过0.5mm筛子；
(2)按照化学计量比将80份粉煤灰、20份粘土、7份速凝剂、8份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动4min，然后加入20份水并搅拌均匀。
实施例11
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、粘土烘干之后过0.5mm筛子；
(2)按照化学计量比将70份粉煤灰、30份粘土、7份速凝剂、8份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动4min，然后加入20份水并搅拌均匀。
实施例12
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、粘土烘干之后过0.5mm筛子；
(2)按照化学计量比将60份粉煤灰、40份粘土、7份速凝剂、8份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动4min，然后加入20份水并搅拌均匀。
实施例13
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥、粘土烘干之后过0.5mm筛子；
(2)按照化学计量比将70份粉煤灰、20份水泥、10份粘土、7份速凝剂、8份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动4min，然后加入20份水并搅拌均匀。
实施例14
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥、粘土烘干之后过0.5mm筛子；
(2)按照化学计量比将60份粉煤灰、20份水泥、20份粘土、7份速凝剂、8份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动4min，然后加入20份水并搅拌均匀。
实施例15
一种用于筑坝的固化粉煤灰的制备方法，包含以下步骤：
(1)将粉煤灰、水泥、粘土烘干之后过0.5mm筛子；
(2)按照化学计量比将50份粉煤灰、20份水泥、30份粘土、7份速凝剂、8份早强剂进行混合；
(3)将混合物置于振动平台上振动4min，然后加入20份水并搅拌均匀。
对比性能测试
设置九组平行实验，分别为实施例6～15，在固化过程加水，保证材料含水率相同，具体配方详见表1。
表1固化粉煤灰的配合比(份)
以不同掺量的粉煤灰、水泥、粘土制成的固化粉煤灰试样养护到相应的龄期后，采用TST-55型渗透仪在变水头下的试验方法进行渗透试验，所得固化粉煤灰渗透系数试验结果如表2所示。试验主要探究了固化粉煤灰试样7d、14d、28d的渗透系数，为了寻求渗透系数变化的拐点，并对35d粉煤灰试样渗透系数进行探究，固化粉煤灰渗透系数见表2。
表2固化粉煤灰渗透系数
为更直观地反映不同掺量的固化剂对固化粉煤灰的渗透系数影响，根据表2的固化粉煤灰试样渗透试验结果，绘制固化粉煤灰渗透系数随养护龄期的变化图，如图1所示。由上述实验结果可知：粉煤灰掺入固化剂后，其渗透性有了一定降低，且随着养护龄期的增加，所有试样渗透系数整体均呈下降趋势。单掺水泥试样中，随着水泥掺入量的增加，渗透系数呈下降趋势，当加入水泥超过20份时，渗透系数变化不大；单掺粘土的试样渗透系数均比单掺水泥大，并且随龄期延长渗透系数变化不大；双掺试样渗透系数变化规律与单掺水泥一致，且双掺20份水泥和20份粘土试样渗透系数达到10-6级别。
为研究固化粉煤灰的抗剪强度指标，当试样达到相应的龄期后，对试样分别进行了直剪剪切试验和三轴试验，探究不同掺量的粉煤灰、水泥、粘土对固化粉煤灰试样内粘聚力(c)和内摩擦角(φ)的影响，力求得到满足工程需要的最优配合比，试验主要探究了固化粉煤灰试样7d、14d、28d的内粘聚力(c)和内摩擦角(φ)。
表3固化粉煤灰直剪
直剪试验依据内摩擦力和剪切面上的法相压力成正比的库伦定律，试验过程中在试样上施加不同的法相压力，从而试样剪坏时的剪应力即为抗剪强度，试样的内粘聚力(c)和内摩擦角(φ)根据剪切定律算出。垂直荷载分别按照50kPa、100kPa、150kPa、200kPa逐级加载，得出固化粉煤灰的抗剪强度指标内粘聚力(c)和内摩擦角(φ)，试验结果见表3。为更直观地反映不同掺量的固化剂对固化粉煤灰粘聚力和内摩擦角的影响，根据表3的固化粉煤灰试样直剪试验结果，绘制了固化粉煤灰粘聚力和内摩擦角随养护龄期的变化图，如图2所示。
本发明采用的试验方法是不固结不排水三轴剪切试验。试验结果见表4。
表4固化粉煤灰三轴试验
根据表4的固化粉煤灰试样三轴试验结果，绘制了固化粉煤灰粘聚力和内摩擦角随养护龄期的变化图，如图3所示。由上述两个实验结果可知：虽然直剪试验和三轴试验结果不同，但整体变化趋势一致，除单掺粘土效果一般外，固化后的粉煤灰抗剪强度较原状粉煤灰有了一定提升。单掺20份水泥效果最佳。
抗压强度是固化粉煤灰作为筑坝材料方案是否可行的一个重要参考指标，为研究固化粉煤灰的抗压强度指标，当试样达到相应的龄期后，对试样进行了无侧限抗压试验，探究不同掺量的粉煤灰、水泥、粘土对固化粉煤灰试样抗压强度的影响，力求得到满足工程需要的最优配合比，试验主要探究了固化粉煤灰试样7d、14d、28d的抗压强度。无侧限抗压试验结果见表5。
表5固化粉煤灰无侧限抗压试验
根据表5的固化粉煤灰试样无侧限抗压试验结果，绘制了固化粉煤灰抗压强度随养护龄期的变化图，如图4所示。由上述实验结果可知：经过固化后，粉煤灰无侧限抗压强度有了很大提升，单掺20份水泥效果最佳；虽然抗剪切能力和无侧限抗压强度都是单掺20份水泥试样效果最佳，但双掺20份水泥和20份粘土试样的渗透系数达到10-6级别。
综上所述，最优配合比应该是双掺20份水泥和20份粘土，该配比的固化粉煤灰适用于筑坝。
