粉煤灰在膨胀土修复改良中的应用研究

Study on the Application of Fly Ash in the Restoration and Improvement of Expansive Soil

摘要: 燃煤发电一直是我国能源供给的主体，粉煤灰是煤炭燃烧过程中最常见的一种废渣，不仅占用土地资源，还易引起扬尘污染环境。在当前大力倡导绿色发展新时代的背景下，废渣资源化利用与土体改良发展模式相结合，不仅能应对粉煤灰资源过剩及缓解污染问题，还能为土体改良提供掺加剂的来源。文章基于膨胀土改良，详述粉煤灰分类与现状，综合分析粉煤灰的掺入方式对膨胀土体积变形、承载力和裂隙性改善等的影响，并对改良效果与改良机理进行全面地总结，为工程建设中采用粉煤灰改良膨胀土提供参考。

Abstract: Coal-fired power generation has always been the main body of energy supply in China, fly ash is the most common waste slag in the process of coal combustion, which not only occupies land resources, but also easily causes dust to pollute the environment. Under the background of vigorously advocating the new era of green development, the combination of waste slag resource utilization and soil improvement development model can not only deal with the surplus of fly ash resources and alleviate pollution problems, but also provide a source of additives for soil improvement. Based on the improvement of expansive soil, this paper details the classification and current situation of fly ash, comprehensively analyzes the effects of the incorporation method of fly ash on the improvement of expansive soil volume deformation, bearing capacity, and fissure, and comprehensively summarizes the improvement effect and improvement mechanism, so as to provide references for the improvement of expansive soil by fly ash in engineering construction.

1. 引言

目前，我国正面临粉煤灰产量日益累积、历史堆积无法消纳的棘手情境[1]。大量的粉煤灰缺乏合理的利用被就地堆放或随意丢弃，造成土地滥用、重金属污染、环境污染等严重问题，直接威害人们的身心健康[2]。“十四五”规划要求，统筹推出环境与资源高质、高量、高效发展模式，积极推进煤矿废渣行业绿色生产与创新，全面推动废料管理和资源化综合利用的可持续发展[3]。如何高效消纳粉煤灰，是当前不可再生资源充分利用和环境保护背景下所面临的时代难题。

我国许多地区发现大量红、黄、褐、灰绿等颜色的膨胀土[4] [5]。由于膨胀土中含有大量亲水性粘土矿物，土体会反复发生吸水膨胀、失水收缩[6]，频繁引起工程结构变形、边坡失稳破坏等诸多安全问题，造成经济损失、人员伤亡等严重后果[7]，如何从根源解决膨胀土灾害问题已成为当今热点课题。

国内外大量专家、学者利用粉煤灰处理膨胀土，从其化学成分与潜在的综合性能出发，对粉煤灰改良膨胀土及其适用性方面进行了大量的相关研究[8]。然而粉煤灰作为土体改良剂也存在一些问题，例如煤种选择不佳[9]、改良方式不当[10]、掺量拿捏不准[11]等。在修复土体之前，首先应当对粉煤灰分类与现状进行分析，这是实现粉煤灰资源化综合利用的关键。本文详细综述粉煤灰改良膨胀土的方法，并阐述粉煤灰在膨胀土改良过程中的宏观效果与微观机理。

2. 粉煤灰的分类与现状

2.1. 粉煤灰的分类

目前，粉煤灰作为我国的一种新型“城市矿产”[12]，为加快粉煤灰的综合利用，对其燃烧工艺、煤炭品质、化学成分、物理性质等不同指标进行整理分类[13] [14]。由于粉煤灰具有的特殊理化性质和复杂矿物组分赋予了其增值利用的可能性[15]，依据其矿物及成分判断粉煤灰资源化利用途径，同时还需要综合考虑其加工技术与经济成本。粉煤灰分类标准见下图1。

2.2. 粉煤灰现状

2.2.1. 粉煤灰理化性质

由于粉煤灰燃烧工艺与原煤种类的不同，导致其成分差异较大，但主要组成元素都为SiO₂、Al₂O₃、

Figure 1. Classification of fly ash

图1. 粉煤灰分类

Fe₂O₃、CaO、金属氧化物、硫酸盐等，主要矿物成分为石英、莫来石等[16]-[18]。粉煤灰又名飞灰，其外观与水泥相似，颜色容易受碳含量的影响从乳白色到灰黑色，形状大多数为圆球状，平均粒径小于20 μm，密度大致在2300~2600 kg/m³ [19]，质地较为疏松，比表面积在0.2~0.4 m²/g之间，孔隙率达到50%~80%，由于较大的比表面积与孔隙率使其具有较强的吸附性与渗透性[13] [20]。

2.2.2. 粉煤灰危害

粉煤灰是在煤炭燃烧过程中产生的一种工业型废渣，据统计，每燃烧1吨煤炭就会生成250~300千克的粉煤灰，由此计算每年产生的粉煤灰量高达8~9亿吨，截至2021年我国粉煤灰累积总堆存量已达到31亿吨[21] [22]，大量堆积的粉煤灰已严重危害生态环境与人类健康[23]。粉煤灰的主要危害有：1) 土地滥用：过量的粉煤灰采用堆积或回填的方式进行消纳，但这一操作不仅浪费大量土地资源，还会破坏土体的酸碱平衡导致土壤退化[24]。2) 重金属污染：粉煤灰中重金属具有钝化作用，适量使用粉煤灰虽然不会造成重金属污染，但过量使用粉煤灰很容易出现重金属污染水、土资源的危险[25] [26]。3) 环境污染：粉煤灰颗粒较小且质量较轻，悬浮空气中的扬尘还容易引起雾霾、烟雾等恶劣天气，较差的空气质量对人类健康会构成一定的威胁[27]。

Figure 2. Utilization and disposal of fly ash from 2011 to 2021

图2. 粉煤灰2011~2021年利用处置总体情况

Figure 3. Ways of resource utilization of fly ash

图3. 粉煤灰资源化利用途径

2.2.3. 粉煤灰利用前景

当前，粉煤灰的全国平均综合利用率虽然能达到70%左右，但是对于产煤大省来说利用率却只有15% [28]，利用途径主要是集中在水泥、混凝土、建材生产、回填路基、高附加值利用、土体改良等小规模应用[29] [30]。如图2为粉煤灰2011~2021年利用处置总体情况[31]，如图3为粉煤灰资源化利用途径。

从消耗废料程度来看，粉煤灰的综合利用方式正在向多元化转变，水泥和混凝土及建材的生产仍是消纳粉煤灰的主要途径，但由于粉煤灰的水化反应较慢，早期建筑结构的强度无法达到应用要求[32] [33]；在路基、矿井等粉煤灰填充方面的应用虽然有着非常大的优势，但是由于粉煤灰自身特性对填充体有一定影响，直接使用粉煤灰容易造成环境恶劣、工期长、耐久性差等问题[34]；利用粉煤灰提取硅、铝资源等高附加值产品是资源化循环利用的有效途径之一[35]，但提取过程中容易出现元素有限、回收工艺难度大、成本高、造成二次废渣等问题，不论对资源化生产还是对经济化效益都不是固废利用的最佳途径[36]；国外学者率先发现煤炭废渣可以缓解特殊土体的不良性质，利用先进技术提高固废在土体修复的利用率，但由于我国粉煤灰资源化利用起步较晚，技术、设备等严重落后，固废综合利用率较低[37]。目前，技术水平限制与较低的附加值已成为制约粉煤灰综合利用的突出短板，我国需要突破大规模利用的技术瓶颈，着重解决处理废料经济成本高、效益低、利用规模小等重难点问题。

3. 粉煤灰改良膨胀土方式及宏观表现

目前，对于粉煤灰改良膨胀土主要集中在单掺、复掺两种方式。对于性能要求不高的普通工程项目来说，粉煤灰单掺改良膨胀土配合比设计相对简单，成本花费较低，耐久性能等各项指标更容易预测与控制，但大量粉煤灰由于未能充分反应，导致土体各项性能的提升受到一定程度的限制；大多研究者通过加入碱性溶液充分激发出粉煤灰中大量的胶凝性物质，使粉煤灰基地质聚合物展现出较强的抗压、抗拉、抗变形等效果，在改良膨胀土方面具有更显著的优势。然而，要求严格的重点工程更倾向于加入传统材料进行复掺改良，利用多种掺合料的优势能短期内大幅度提升土体强度和耐久性，最大程度上保证了工程的质量与成本；但在传统材料复掺改良过程中，由于较多的粉煤灰仍未能充分反应，若在此基础上再加入激发材料可进一步提升土体的力学性能与稳定性能，有助于保证改良土体的长期性与可靠性。下图4展示了粉煤灰改良膨胀土的2种改良方法。

Figure 4. Two ways to improve expansive soil with fly ash

图4. 粉煤灰改良膨胀土2种方式

3.1. 粉煤灰单掺改良膨胀土

3.1.1. 粉煤灰改良

单掺改良土体在土体改良中是最为直接且简便的方法，粉煤灰作为改良剂能够有效改善膨胀土的各项不良特殊性能。郝建斌[38]等使用粉煤灰改良膨胀土，与素土相比无侧限抗压强度明显提高，在经历5次干湿循环试验后，发现土样的裂隙数分布比较均匀，且无大的裂隙形成，进而增强了土体抵抗变形的能力。Saride [39]等尝试用C类粉煤灰对膨胀土进行稳定化处理，根据土体质量将粉煤灰的比例设置在5%~20%之间，研究发现，随着粉煤灰掺量的增加，土样的剪切模量、液限和塑性极限、刚度、抗变形能力均明显增大，塑性指数、阻尼比、自由膨胀指数均明显减小，这些变化主要是受粉煤灰减少了土体中的易膨胀等成分的影响。庄心善[40]等研究含水率和粉煤灰含量对膨胀土裂隙发育过程的影响，由实验结果得出脱湿过程中膨胀土的裂隙度与初始含水率呈正相关、与粉煤灰掺量呈负相关的结论。随着对粉煤灰研究的发现，不仅在工程中对提升土体的强度与稳定性方面具有重要意义，同样也为粉煤灰资源化利用提供了有效的解决方案。

3.1.2. 粉煤灰基地聚物改良

粉煤灰由于富含大量的铝硅酸盐(SiO₂, Al₂O₃)，其中硅氧四面体分布紧密，致使粉煤灰的胶凝活性无法在修复土体的过程中充分发挥作用[41]，粉煤灰可以通过碱催发剂激发制备地聚合物，有效形成三维铝酸硅聚合物网络[42]使土颗粒间的胶结作用增强，土体强度与整体性均得到提升。Vamsi [43]等采用原位深层搅拌技术研究碱激发F类粉煤灰对膨胀土的影响，在地质聚合物凝胶结合作用增强的过程中，可以有效消除土样的胀缩行为，且使得复合地基的固结沉降量大幅度降低。王欢[44]等为了探究不同掺量的NaOH激发F类粉煤灰对膨胀土改良的作用效果，研究发现NaOH高效激发出粉煤灰的活性，微观显示大量的高分子凝胶聚合物填充在土体孔隙中，进一步增强了膨胀土的整体稳定性。Wang [45]等发现碱活化粉煤灰稳定膨胀土比素膨胀土相比胀缩变化影响较大，经过碱激发粉煤灰改良后的膨胀土体积胀缩变化明显降低，能够有效防止因土体胀缩变化引起的工程损害问题。粉煤灰基地质聚合物凭借其优良的物理化学特性能够有效改善膨胀土胀缩性与稳定性，同时，地质聚合物的形成过程具有较高的环保性和可持续性，这使其在土体改良中的应用非常值得推广。

3.2. 粉煤灰复掺改良膨胀土

3.2.1. 粉煤灰–传统材料复掺改良

粉煤灰单独改良过程中存在析水率高、强度低、压碎值大、水稳性差等限制因素，对于土体改良效果并不是很理想，大多数研究人员发现将粉煤灰与其它材料联合能有效提升土体强度与稳定性要求。传统材料一般选择常规的改良剂，如水泥、石灰、纤维等。周大卫[46]等人在粉煤灰改良膨胀土的过程中加入石灰后，发现土体由分散的片状结构转变为块状的整体结构，土体密实性和稳定性得到提高，此时膨胀土的强度增长系数和抗压强度达到最大。向俊宇[47]等探究了聚丙烯纤维和粉煤灰共同改良膨胀土强度改善的耦合效应，在粉煤灰改良的基础上加入纤维，能进一步增加土体的抗拉强度的同时，膨胀土对于抵抗干湿循环的能力也有所增大。Zumrawi [48]研究了粉煤灰–水泥对膨胀土变形及强度影响规律，由试验结果中可以清楚地了解到，粉煤灰–水泥复掺比粉煤灰单掺处理膨胀土时无侧限抗压强度有明显的提升，并在长期养护中表现出良好的稳定性。粉煤灰与传统材料的结合使用不仅可以提高土体的性能要求，而且还为煤炭废渣提供了更加绿色、环保的发展方向。

3.2.2. 粉煤灰基地质聚合物–传统材料复掺改良

虽然粉煤灰地聚物在提高膨胀土性能方面具有一定的优势，但通常表现出早期强度较低、脆性较高等严重等缺点[49]，因此将传统改良材料(水泥、石灰、纤维等)与粉煤灰地聚物联合应用能有效确保膨胀土强度和稳定性达到工程硬性要求。傅乃强[50]等通过三组对照试验，单独使用地聚物改良土体强度最大提高11%，单独加入纤维土样强度最大提高13%，使用Na₂SiO₃的碱溶液激粉煤灰联合玄武岩纤维共同提升土样23%的强度，证明出纤维增韧和粉煤灰固化复合改良法在增强膨胀土强度方面具有一定的可行性。付静[51]利用12%的NaOH活化超细粉煤灰水泥与膨胀土的相互作用进行了深入研究，结果表明，经过复合物处理过的膨胀土的强度和胀缩性有较大的改善，改性后的膨胀土与素土相比，自由膨胀率大幅度降低，无侧限抗剪强度峰值明显增大。Falayi [52]等将粉煤灰与NaOH溶液混合进行脱硅处理，在粉煤灰改良膨胀土的基础上再掺入石灰进行稳定处理，加入的复合材料能使膨胀土的MDD和塑性指数降低，土体的UCS和OMC升高，这些性质的变化有助于将高塑性土转变为中塑性土，从而提高稳定膨胀土的短期强度。使用碱激发粉煤灰与传统材料的协同作用，既增强了土体的固化效果，又对可持续建筑和环保工程起到了一定的积极促进作用。下表1为粉煤灰改良土效果汇总。

Table 1. Summary of improvement effect of fly ash on expansive soil

表1. 粉煤灰改良膨胀土效果汇总

方式	材料		结论	文献来源
单掺	粉煤灰9%		土样的无侧限抗压强度提高了37.4%。	[38]
	C类粉煤灰20%		自由膨胀率降低80%。	[39]
	粉煤灰7%		土样初始含水率设为45%时，裂隙为环状，裂隙度最小。	[40]
	碱激发粉煤灰基地质聚合物	NaOH:Na2SiO3 = 50:50 碱：F类粉煤灰 = 1:5	压缩指数和膨胀指数均降低了约83%，UCS改善了10倍。	[43]
		10%NaOH、 9%F类粉煤灰	养护7d后土样UCS提升75.9%,28 d的UCS最高提升约116%，改良膨胀土表现为无膨胀性。	[44]
		NaOH质量为粉煤灰质量的6%	膨胀率几乎为0，14d的UCS最高提升约71%。	[45]
复掺	粉煤灰–传统材料	10%或20%粉煤灰、 石灰5%	10%、20%粉煤灰+5%石灰分别在静、动态抗压强度最大提升293.39%、247.9%。	[46]
		20%粉煤灰、 0.5%聚丙烯纤维	土样湿式养护28后，经历10次干湿循环后，无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度最大。	[47]
		15%粉煤灰、5%水泥	MDD提高约7%，OMC降低约15%，CBR值约提高18倍。	[48]
	粉煤灰基地质聚合物–传统材料	5%Na2SiO3、6%粉煤灰、0.4%玄武岩纤维	土样无侧限抗压强度提高23%，抑制了土体裂隙的发育，土体由脆性破坏转变为塑性破坏。	[50]
		12%NaOH、 12%超细粉煤灰水泥	自由膨胀率降低83.06%，300Kpa下抗剪强度增加68.45%。	[51]
		碱处理后脱硅粉煤灰:石灰 = 70:30	液限降低50.1%，塑限相应降低50.7%，UCS约提升12倍。	[52]

4. 粉煤灰改良膨胀土机理研究

粉煤灰作为膨胀土的一种有效改良材料，通过物理和化学改良的综合作用，有效地改善膨胀土的膨胀性、稳定性以及承载力，这一研究不仅为粉煤灰改良膨胀土提供了理论基础，也为建筑行业和环境保护提供了有效的解决方案。下图5为粉煤灰改良膨胀土物理、化学机理图。

4.1. 物理改良机理

粉煤灰物理改良除了可以提升膨胀土的力学性能和整体强度外，还可以协调土水之间的相互作用机制。粉煤灰通过控制土颗粒级配、骨架排列以及结构层理等方式对土体进行改良[53]，外加剂的掺入使膨胀土中的粗颗粒含量增大，较好地填充并吸附在土骨架之间[54]，这是增强土体强度的主要因素之一；同时，粗颗粒的增多使土体吸附水的能力减弱，土中结合水含量降低，最终对膨胀土的宏观性质产生一定的影响[55]。

4.2. 化学改良机理

4.2.1. 火山灰作用

粉煤灰与许多火山灰材料成分与性质颇为相似，由于富含大量活性SiO₂和活性Al₂O₃等成分，容易触发火山灰反应，该反应是贯穿整个改良膨胀土过程中主要的化学反应[56]。当粉煤灰遇水产生Ca(OH)₂、NaOH、Mg(OH)₂等碱性物质，在碱性环境下大量的硅氧四面体和铝氧四面体发生溶解反应，断裂的Si-O、Al-O键与Ca⁺结合生成新的化合物水化硅酸钙(C-S-H)、水化硅铝酸钙(C-A-S-H)凝胶和钙矾石(Aft)晶体[57]。棱柱状的Aft晶体和纤维状的C-S-H、C-A-H凝胶在土体中相互嵌锁成致密的空间网络结构，填充并吸附在土壤颗粒空隙和表面，因此水硬性的Aft晶体与未硬化的C-S-H、C-A-S-H凝胶是提高改良土体强度的重要物质[58]。

Figure 5. Physical and chemical improvement mechanism of fly ash for expansive soil

图5. 粉煤灰改良膨胀土物理、化学改良机理

4.2.2. 离子交换

离子交换是粉煤灰电离产生(Ca²⁺、Al³⁺、Si⁴⁺等)高价阳离子吸附在粘土颗粒周围并替换土中(K⁺、Na⁺等)低价态金属阳离子的过程[59]。通过增加土颗粒表面离子浓度达到减薄土颗粒的双电层膜厚度的目的，使膨胀土的孔隙体积与孔隙率减小、结构更加简单[60]。土粒之间发生的离子交换作用也能使土体产生较大的粘聚力，促进土颗粒进一步凝聚，有效抑制土体的分散性，土体形成稳定结构的同时整体的各项性能也随之提高[61]。

4.2.3. 碳酸化作用

粉煤灰改良膨胀土进行离子交换时所产生的Ca²⁺与OH^-结合生成Ca(OH)₂，此时Ca(OH)₂不断与空气中的水和二氧化碳气体发生碳酸化反应，使土体表面形成大量强度较高、水稳定性较好的碳酸钙晶体[62]。当碳酸化反应产生的碳酸钙晶体嵌入土体时，通过不断增加颗粒之间的咬合力的方式来提高土体的粘聚力与内摩擦角，使得土粒间的联结进一步加强，土体的结构与强度均得到有效改善[63]。需要注意的是，进行碳酸化作用是要有水参与的前提下才能够进行反应，如果只有干燥的CO₂与Ca(OH)₂时，则该反应几乎是停止的状态[64]。

4.2.4. Ca(OH)₂固化作用

虽然粉煤灰改良土体能引发碳酸化反应，使得土颗粒表面会产生坚硬的碳酸钙晶体能与膨胀土的不良特性进行抵抗，但是存在空气中的CO₂无法进入土体内部，阻碍了矿物碳酸化反应。与此同时，粉煤灰中的CaO继续与H₂O发生反应生成Ca(OH)₂，当Ca(OH)₂浓度达到饱和状态时，开始逐步形成Ca(OH)₂结晶[65]。形成的Ca(OH)₂晶体与土颗粒相互粘接一起形成致密的整体，土体的内部结构完整密实，提高了膨胀土的承载力和稳定性[66]。

5. 结论与展望

1) 粉煤灰具有来源广、产量高等特点，通过对粉煤灰的各项指标进行分类与利用，减小粉煤灰堆积带来的危害，同时针对粉煤灰资源化利用，兼顾安全、环保、生态等多方面要求，共同提高粉煤灰的综合利用率。

2) 粉煤灰改良时采用单掺和复掺两种方法对膨胀进行物理、化学机理改良，不同的改良方式在改善土体的变形和强度上呈现出不同的规律。单掺改良相对简单但土体整体改良效果有限，而复掺改良通过组合互补性质的材料使土样各项性能达到最好状态。粉煤灰不同的改良方式及掺量需要根据材料性能、工程要求等实际情况合理调整，利用经济、高效的手段达到最佳的改良效果。

3) 由于粉煤灰基地质聚合物需要在碱性条件下才能激发出材料的最优性能，但碱激发剂种类繁多且掺量也没有确定的量化标准，这使得不同研究机构和生产厂家之间的产品性能差异较大，同一类型的碱激发材料还有可能展现出不同的力学性能和耐久性，造成实际应用中的不确定性。因此国际上既要对粉煤灰基地质聚合物调配出最适宜的碱激发剂配合比，同时还要针对碱激发剂分类、测试方法和评价体系推出统一化标准，这是煤炭废弃物能否大规模应用于工程施工的关键。