赤泥基應用于路基半剛性基層材料性能實驗研究

張 云 陳 偉 陳 瀟

(1.山西云泉巖土工程科技股份有限公司,山西 陽泉 045000; 2.武漢理工大學,湖北 武漢 430070)

赤泥是一類排放量大、處置成本高、大規模資源化利用難度大、對環境影響嚴重的大宗工業固體廢棄物。赤泥的利用和處理方式：一是一些發達國家大批量將赤泥排入深海；二是絕大多數國家仍然采用建庫露天濕法堆存。赤泥中的堿含量大而且難以脫除，且赤泥中含有氟離子及放射性元素，因此對赤泥的安全、低耗和無害化利用一直舉步維艱。利用赤泥基混凝土作為公路路基填筑材料既能消納赤泥，又能減少二次污染的問題。

1 赤泥基路基半剛性基層材料的技術要求

赤泥基作為路基半剛性基層材料，其性能必須滿足強度與變形要求。參照JTG D50—2006公路瀝青路面設計規范[1]、JTG/T F20—2015公路路面基層施工技術細則[2]，對赤泥基半剛性基層材料技術指標提出如下要求：

1)力學性能：參照高速公路和一級公路重交通道路進行取值(見表1)，赤泥基半剛性基層(含碎石)的7 d無側限抗壓強度在4.0 MPa～6.0 MPa之間[3]，赤泥基半剛性底基層(不含碎石)的7 d無側限抗壓強度在2.0 MPa～4.0 MPa之間。

表1 JTG/T F20—2015中水泥穩定材料的7 d無側限抗壓強度標準 MPa

2)抗凍性能：殘留抗壓強度比(5次凍融循環)不小于70%。

3)抗沖刷性能：具有較好的抗沖刷性能。

4)干縮特性：具有較低的干縮系數。

2 赤泥基用作路基半剛性基層材料的原理

赤泥基用作路基半剛性基層材料是基于堿激發、硫酸鹽激發原理及骨架密實原理等，采用大摻量赤泥、粉煤灰、脫硫石膏等工業固廢為主要原材料，通過不同配比制成赤泥基半剛性基層材料。用于路基半剛性填筑材料，其基本原理在于：

1)采用赤泥、粉煤灰、脫硫石膏等作為主要原材料，配合少量石粉等激發材料，制備半剛性基層材料，主要用于底基層施工；采用赤泥、水泥、石灰等作為無機結合料，用于穩定級配碎石，主要用于基層施工。

2)水泥穩定碎石類材料呈現出這樣的一種結構形式：碎石集料中的大顆粒骨料相互搭接形成基本骨架，小顆粒骨料填充于骨架空隙之中，水泥等無機結合料的水化產物將這些集料膠結在一起從而形成強度。由于水泥及細集料體積不足以填滿骨架之間的空隙，因而水泥穩定類材料通常是一種骨架空隙型結構。在膠凝材料中引入赤泥后，材料結構中的空隙被其填充，體系密實度上升，有利于材料強度的提高。但當赤泥摻量進一步增加時，粗顆粒搭接的骨架被撐開，材料結構由骨架密實型向懸浮密實型轉變，導致強度下降(見圖1)。

3)通過摻入脫硫石膏形成AFt膨脹，從而抑制半剛性基層材料的干縮，提高其抗裂性能。

4)充分利用赤泥中的堿性物質堿激發粉煤灰、礦渣粉中的SiO2,Al2O3等活性物質，從而形成強度；同時，利用堿激發材料所形成的水化產物化學固化Na+并物理固封重金屬離子；通過摻入自制外加劑，結構重建進一步穩定/固化重金屬離子。

3 赤泥基半剛性基層材料的路用性能研究

根據以上原理，我們設計了基于大摻量赤泥、粉煤灰、脫硫石膏等工業固廢為主要原材料的赤泥基半剛性基層材料的優化配比，并對其力學性能、抗凍性能、抗沖刷性能以及干縮性能等路基性能進行了實驗研究。

3.1 赤泥基半剛性基層材料的力學性能

用于基層、底基層三大類赤泥基半剛性基層材料的28 d回彈模量、劈裂強度以及抗壓強度發展規律進行了實驗研究，試驗結果見表2。

表2 赤泥基半剛性基層材料的力學性能 MPa

從表2看出：用于底基層的赤泥基半剛性基層材料其28 d回彈模量為900 MPa,28 d劈裂強度為0.45 MPa，已經滿足其180 d的力學性能技術要求；用于基層的水泥赤泥穩定碎石基層材料其28 d回彈模量為1 612 MPa,28 d劈裂強度為0.65 MPa；用于基層的二灰赤泥穩定碎石基層材料其28 d回彈模量為1 700 MPa,28 d劈裂強度為0.70 MPa，均滿足了其180 d的力學性能技術要求；通過分析赤泥基半剛性基層材料的強度發展可以發現，該類材料具有很好的強度發展率，以底基層為例，28 d抗壓強度的增長率就達到40%左右。

3.2 赤泥基半剛性基層材料的抗凍與抗沖刷性能

對用于基層、底基層等三類赤泥基半剛性基層材料養生28 d后，抗凍(凍融循環5次)與抗沖刷性能進行了實驗研究，試驗結果見表3。

表3 赤泥基半剛性基層材料的力學性能 %

從表3可以看出：赤泥基半剛性基層材料具有優良的抗凍性能。無論是用于底基層，還是用于基層，其凍融循環5次后的強度均高于85%，顯著高于規范對重冰凍區域半剛性基層抗凍性要求。

從抗沖刷性能看，赤泥基半剛性基層材料的沖刷質量損失率僅為4.23%，而赤泥基穩定碎石的沖刷質量損失率僅為3.58%和3.71%。圖2與圖3分別為純赤泥壓實體與優化配比的赤泥基半剛性底基層材料浸泡水7 d后的狀態。

3.3 赤泥基半剛性基層材料的干縮性能

分別研究了用于基層、底基層等三類赤泥基半剛性基層材料干燥收縮性能，并同時對比了水泥穩定類、二灰穩定類基層材料的收縮性能，試驗結果見圖4(用于底基層)和圖5(用于基層)。

從圖4可發現：在任何齡期內，赤泥基半剛性基層材料(用于底基層)其收縮系數均小于石灰粉煤灰基層材料，這主要是由于其中的脫硫石膏產生了AFt晶體膨脹，補償了收縮，從而提高了赤泥基半剛性基層材料的抗裂性能。從圖5可以發現，在任何齡期內，赤泥基穩定碎石的收縮系數均小于水泥穩定碎石以及二灰穩定碎石。

4 結語

1)基于相關規范與標準，提出了赤泥基半剛性基層材料的技術要求；闡明了采用大摻量赤泥、粉煤灰、脫硫石膏等工業固廢為主要原材料配制赤泥基半剛性基層材料的基本原理：基于堿激發、硫酸鹽激發原理及骨架密實原理等；

2)赤泥基半剛性底基層材料、水泥赤泥穩定碎石基層材料以及二灰赤泥穩定碎石基層材料，其7 d無側限抗壓強度均達到水泥穩定類底基層、基層的技術要求；

3)赤泥基半剛性基層材料具有合適的回彈模量、較高的劈裂抗拉強度，強度發展潛力大、抗凍性與抗沖刷性優良、收縮系數小等技術優點。