固废粉煤灰基碳化光伏桩模型试验研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1072

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (5): 1615-1625.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1072

固废粉煤灰基碳化光伏桩模型试验研究

朱希彤¹(), 李驰¹^,²^,³, 刘洋¹, 王晓荣¹^,²^,³()

^1.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051
^2.内蒙古工业大学沙旱区地质灾害与岩土工程防御自治区高等学校重点实验室，呼和浩特 010051
^3.内蒙古工业大学地质技术与岩土工程内蒙古自治区工程研究中心，呼和浩特 010051

收稿日期:2025-11-04 修订日期:2025-12-18 出版日期:2026-05-15 发布日期:2026-06-10
通信作者: 王晓荣，博士，副教授。E-mail： wangxiaorong@imut.edu.cn
作者简介:朱希彤（1996—），男，硕士研究生。主要从事固废混凝土及其应用的研究。E-mail：751326546@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金(12262031);国家自然科学基金(52378348);内蒙古自治区自然科学基金(2024LHMS05020)

Model Test of Carbonized Photovoltaic Piles Based on Solid Waste Fly Ash

ZHU Xitong¹(), LI Chi¹^,²^,³, LIU Yang¹, WANG Xiaorong¹^,²^,³()

^1.College of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China
^2.Key Laboratory of Geological Hazards and Geotechnical Engineering Defense in Sandy and Drought Regions at Universities of Inner Mongolia Autonomous Region，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China
^3.Inner Mongolia Engineering Research Center of Geological Technology and Geotechnical Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China

Received:2025-11-04 Revised:2025-12-18 Published:2026-05-15 Online:2026-06-10

摘要/Abstract

摘要：

在集中式光伏项目中，基础建设需大量使用水泥，不仅消耗自然资源，还对环境产生负面影响。探索和应用替代水泥的固化材料成为光伏产业实现绿色低碳发展的重要方向。本文从水泥减量化入手，以循环流化床粉煤灰（CFBFA）和脱硫石膏（FGD）为矿物掺合料，联合碳化养护技术制备光伏桩基础，进行了碳化试验、混凝土强度试验和室内模型试验，并分析了固废消纳能力。结果表明，碳化养护可通过优化混凝土孔结构提升力学性能：28 d碳化养护后，CFBFA掺量30%（质量分数）、FGD掺量3%（质量分数）的固废混凝土，抗压强度达45.2 MPa、劈裂抗拉强度达5.5 MPa，相较于标准养护固废组分别提升55.3%和89.7%。此外，固废光伏桩的抗拔极限承载力较传统桩基提高了6.7%，并且桩侧摩阻力表现更优。应用该固废基光伏桩碳化养护技术制备每1 000块光伏板基础，可减少标准煤耗42.2 kg/t，降低电量与资源消耗33.0%，同时消纳29.4 t CFBFA和2.9 t FGD。综上，固废基光伏桩碳化养护技术能够显著减少光伏项目中水泥的用量，达到固废资源化利用和碳减排的双重目标。

关键词: 光伏桩, 碳化养护, 固废消纳, 模型试验, 粉煤灰, 节能减排

Abstract:

In centralized photovoltaic projects， a large amount of cement is consumed in foundation construction， which not only depletes natural resources but also exerts negative impacts on the environment. Therefore， exploring and applying alternative curing materials to replace cement has become a crucial direction for the photovoltaic industry to achieve green and low-carbon development. Focusing on the core goal of cement reduction， this study used circulating fluidized bed fly ash （CFBFA） and flue gas desulfurization gypsum （FGD） as mineral admixtures， and prepared photovoltaic pile foundations by combining carbonation curing technology. Carbonation tests， concrete strength tests， and indoor model tests were carried out to systematically analyze the solid waste absorption capacity and engineering performance of this technology. The results show that carbonation curing can improve the mechanical properties of concrete by optimizing its pore structure： after 28 d carbonation curing， the solid waste concrete with 30% CFBFA and 3% FGD （mass fraction） achieves a compressive strength of 45.2 MPa and a splitting tensile strength of 5.5 MPa， which are 55.3% and 89.7% higher than those of the solid waste group under standard curing， respectively. In addition， the ultimate uplift bearing capacity of the solid waste-based photovoltaic pile is 6.7% higher than that of the traditional pile foundation， and its pile side friction resistance performs better. When the carbonation curing technology for solid waste-based photovoltaic piles is applied to prepare foundations for every 1 000 photovoltaic panels， it can reduce standard coal consumption by 42.2 kg/t， decrease electricity and resource consumption by 33.0%， and absorb 29.4 t of CFBFA and 2.9 t of FGD simultaneously. In conclusion， the carbonation curing technology for solid waste-based photovoltaic piles can significantly reduce cement usage in photovoltaic projects and achieve the dual goals of solid waste resource utilization and carbon emission reduction.

Key words: photovoltaic pile, carbonization curing, solid waste absorption, model test, fly ash, energy saving and emission reduction

中图分类号:

TU473.1

朱希彤, 李驰, 刘洋, 王晓荣. 固废粉煤灰基碳化光伏桩模型试验研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(5): 1615-1625.

ZHU Xitong, LI Chi, LIU Yang, WANG Xiaorong. Model Test of Carbonized Photovoltaic Piles Based on Solid Waste Fly Ash[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(5): 1615-1625.

图/表 16

图1 原材料的XRD谱

Fig.1 XRD patterns of raw materials

表1 原材料的主要化学组成

Table 1 Main chemical composition of raw materials

Raw material	Mass fraction/%
Raw material	SiO₂	Al₂O₃	CaO	SO₃	Fe₂O₃	MgO	K₂O	Other	Loss on ignition
Cement	22.23	4.75	63.41	2.54	2.62	1.38	0.82	2.25	3.13
CFBFA	40.32	37.02	12.10	4.76	2.83	0.34	0.31	2.32	1.71
FGD	5.94	1.43	43.01	46.35	1.21	0.43	1.11	0.52	17.29

表2 混凝土的配合比

Table 2 Mix proportion of concrete

Sample	Mix proportion/（kg·m^-3）							Water-to-binder ratio
Sample	Cement	CFBFA	FGD	Sand	Stone	Water	Water-reducing agent	Water-to-binder ratio
PC-S	380	0	0	732	1 098	190	0	0.5
FG-S	255	114	11	732	1 098	190	7.6	0.5
FG-C	255	114	11	732	1 098	190	7.6	0.5

图2 模型箱

Fig.2 Test model box

表3 风积沙土的物理指标

Table 3 Physical indexes of aeolian sand soil

Dry density/（g·cm^-3）	Moisture content/%	Compression modulus/MPa	Internal friction angle/（°）	Cohesion/kPa
1.6	9.0	12.4	30.2	12.8

表4 土的颗粒级配

Table 4 Particle size distribution of aeolian sand soil

Particle size/mm	>0.3	0.15~0.3	0.075~<0.05	<0.075
Mass fraction/%	0	1.6	95.0	3.4

图3 模型桩及应变片布置示意图

Fig.3 Schematic diagram of distribution of model piles and strain gauges

图4 碳化养护和标准养护条件下固废混凝土力学性能

Fig.4 Mechanical properties of solid waste concrete under carbonation curing and standard curing

图5 固废混凝土碳化养护前后微观形貌

Fig.5 Microstructure of solid waste concrete before and after carbonation curing

图6 固废混凝土碳化养护前后XRD谱

Fig.6 XRD patterns of solid waste concrete before and after carbonation curing

图7 U- δ曲线

Fig.7 U- δ curves

图8 单桩抗拔试验

Fig.8 Test for pullout resistance of single pile

图9 单桩抗拔轴力分布图

Fig.9 Distribution of pullout axial force of single pile

图10 单桩抗拔桩侧摩阻力分布图

Fig.10 Distribution of lateral friction resistance of single pile with pullout resistance

图11 碳化固废桩桩侧摩阻力作用机理

Fig.11 Mechanism of side friction resistance of carbonized solid waste pile

表5 自然资源、能源影响清单

Table 5 Natural resource and energy impact list

Raw material	Standard coal consumption/kg		Battery level/（kW·h）		Resource consumption/kg
Raw material	Per ton	1 000 photovoltaic panels	Per ton	1 000 photovoltaic panels	Per ton	1 000 photovoltaic panels
Cement	128.0	12 518.0	21.4	2 089.9	1 600	156 474.4
Solid waste from power plants	85.8	8 387.3	14.3	1 401.7	1 072	104 837.8

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Model Test of Carbonized Photovoltaic Piles Based on Solid Waste Fly Ash

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