干濕循環作用下固廢復合路基材料應用性能研究

覃莉

摘要：我國是一個資源和工業大國，工業生產過程中會產生大量的工業固體廢棄物：目前處理措施主要是將其作為路基材料應用在道路工程之中，而干濕循環作用對路基材料的耐久性有不利影響。文章通過室內試驗研究四種固體廢棄物（赤泥、煤矸石、粉煤灰和爐渣）混合而成的復合材料工程特性，通過無側限抗壓強度得到各原材料質量分數的最佳比例，并對最優比例試樣進行干濕循環試驗。結果表明：礦渣摻量為5%的試樣經歷20次干濕循環后強度仍能滿足規范要求;經過離子濃度檢測證明復合材料的環境無害性。

關鍵詞：固體廢棄物;強度;路基材料;最佳比例;環境無害性

0 引言

我國是一個資源和工業大國，各種資源如氧化鋁、生鐵和煤炭等生產量很大。但是這些資源的生產過程都有一個共同的特點，即會產生很多的有害物質，如固體廢棄物：采用拜耳法生產氧化鋁過程中會直接產生大量的赤泥[1-2];采煤和洗煤過程中會產生煤矸石;煤炭燃燒過程中會產生微小粒徑的粉煤灰以及生鐵制造過程中產生爐渣等。這些廢棄物目前并沒有得到很好的利用，不斷的堆積不僅會造成生態環境的破壞，也會給人們的生活帶來巨大的困擾[3-4]。根據相關統計發現在2016年我國的赤泥和煤矸石的生產量就已經達到了3.5億t和6.8億t[5-7]。

國外對于這些固體廢棄物的應用研究相對較早，因此利用率相對較高。從以往的研究發現[8-9]，以上固體廢棄物主要的用途集中在路基材料，這樣不僅能夠節約大量的成本，還能保護生態環境。但是路基材料需要滿足規范制定的相關要求，如強度、耐久性和環境無害性等[10-11]。

本文將赤泥和煤矸石作為主要原材料，加入少量其余固體廢棄物，按照一定的比例混合，通過室內試驗研究得到最佳的混合比例。為了研究復合材料能否滿足路基材料規范要求，通過對材料的無側限抗壓強度、干濕循環后強度和質量損失率以及離子濃度等進行研究。

1 試驗設計及原材料

1.1 原材料

試驗所用原材料以及化學成分如下頁表1所示。從表中可以看出各原材料的主要化學成分，且均滿足路基規范中對原材料的相關要求。

1.2 試驗設計

根據以往的研究經驗，在試驗過程中，首先將顆粒粒徑較小的赤泥和粉煤灰混合并磨碎，然后將顆粒粒徑較大的煤矸石搗碎，并按照三個不同的粒徑將其分開，根據相應的規范按照一定的級配和含水率將三者和水混合在一起，為了便于成型，加入少量的水泥。其中赤泥和粉煤灰質量分數為75%，粉煤灰和爐渣總的質量分數為18%～24%，水泥的質量分數為1%～7%。

為了綜合考慮材料的性能和經濟效益，需要對水泥和爐渣的摻量進行研究。固定爐渣摻量為5%，水泥摻量分別選取1%、3%、5%和7%，將試樣養護7 d后進行無側限抗壓強度試驗。根據試驗結果選取最優的水泥摻量，再將爐渣的摻量設置為2%、5%和8%，分別測量在養護時間為7 d時，不同爐渣摻量試樣的無側限抗壓強度，以及在經歷不同干濕循環時間后，不同爐渣摻量試樣的質量強度損失率。最后通過對最優配比下復合材料離子濃度檢測，得到各離子濃度，驗證復合材料是否滿足路基材料規范要求。

2 試驗結果分析

2.1 水泥摻量對強度的影響

通過對含有不同水泥質量分數的試樣進行抗壓強度試驗，得到的結果如圖1所示。從圖中可以看出，隨著水泥摻量的增加，復合材料的強度逐漸升高，當水泥摻量達到3%時，強度為6.38 MPa，能達到規范要求，且強度增長的速率明顯降低，因此考慮到經濟效益，將水泥的最優摻量定為3%。

2.2 礦渣摻量對強度的影響

根據上述試驗結果，將水泥摻量定為3%，對含有不同礦渣質量分數的試樣進行抗壓強度試驗，結果如圖2所示。從圖中可以看出，隨著齡期的增加，三組試樣的強度均是逐漸增加的，且強度增長最快時是在早期，當齡期達到一定時間后，強度表現為平穩增長，養護時間達到28 d時，礦渣摻量為2%、5%和8%的復合材料無側限抗壓強度分別為7.05 MPa、9.97 MPa和10.48 MPa，可見2%摻量時強度明顯低于其余兩組摻量，但是其余兩組摻量的強度相差較小，說明隨著礦渣摻量的繼續增加，復合材料強度上升并不明顯。因此從強度和經濟上分析，認為礦渣的最優摻量為5%。

2.3 干濕循環下礦渣摻量對材料的影響

由于降雨和晝夜溫差等眾多因素，路面材料經常會處于干濕循環作用下，路面在經歷干濕循環時，內部水分的散失和成分及結構的變化會嚴重影響材料的耐久性，主要表現為水分散失材料出現干縮裂紋，材料內部成分和結構改變直接影響材料的承載能力。因此研究在干濕循環作用下復合材料的強度和質量變化對于研究復合材料的耐久性具有重要意義。

選擇三種不同礦渣摻量的復合材料，養護時間為28 d，對其進行干濕循環試驗，將試樣放置在水中完全浸泡，稱為一次濕過程，隨后將試樣放置在烘箱中烘干42 h，烘干溫度設置為70 ℃，將烘干后的試樣放置在空氣中冷卻1 h，烘干和冷卻稱為一次干過程，一次濕過程和干過程為一次干濕循環。測試不同干濕循環次數下試樣的無側限抗壓強度和質量，以此研究干濕循環對復合材料的影響。

不同干濕循環次數下含有不同礦渣質量分數的試樣的抗壓強度和質量變化結果如圖3～4所示。從圖3中可以看出，隨著干濕循環次數的增加，不同礦渣摻量試樣的無側限抗壓強度均表現為先增加后減小，轉折點為干濕循環次數為3時;在相同的干濕循環次數下，試樣的強度隨著礦渣摻量的增加而增加，當摻量為2%時，強度較低，摻量為5%和8%時，強度十分接近，當干濕循環次數達到20次時，礦渣摻量為5%的試樣強度仍然在6 MPa左右，滿足路基材料規范的要求。強度前期出現增加的原因主要是在水中能促進水化反應的進行，而在干燥過程時，溫度的升高也能促進水化反應的快速發展，因此表現為強度逐漸增加。隨著干濕循環次數的繼續增加，試樣在干濕循環作用下，結構也被破壞，后期結構破壞程度較大，綜合表現為強度逐漸下降。

從圖4可以看出，隨著干濕循環次數的增加，不同礦渣摻量試樣的質量損失率整體上表現為逐漸增大的過程，干濕循環次數從1到3時，質量出現增大，這主要與前期干濕循環促進水化反應有關，后期結構破壞，內部水分散失等導致試樣質量不斷降低，但是當干濕循環次數達到15次時，質量逐漸趨于穩定。在相同的干濕循環次數下，礦渣摻量越大，質量損失越小，但是彼此相差不大。

綜合上述分析可知，礦渣摻量>5%時，對于復合材料抵抗干濕循環有較好的效果，但是隨著摻量的繼續增加，效果并不是特別好，因此綜合考慮，選取礦渣摻量為5%，與未經歷干濕循環時試樣無側限抗壓強度試驗結果相吻合。

2.4 復合材料環境無害性

選取以上各原材料的最優摻量重新制備試樣進行離子濃度檢測，將試樣浸泡在蒸餾水中一段時間，然后對溶液中的離子濃度進行檢測，主要包括鈉離子和部分有害重金屬離子。經過檢測發現，浸泡90 d后，溶液中鈉離子濃度為49.8 mg/L，符合國家相關標準，且溶液中未檢測出Zn、Hg、Cu、Pb和Ni等離子，說明復合材料對環境并無害。

3 結語

通過室內試驗對固廢復合材料進行工程特性研究，得到如下結論：（1）各原材料質量分數比例為赤泥∶煤矸石∶粉煤灰∶爐渣∶水泥=30∶45∶17∶5∶3;（2）在最優比例下，養護7 d和經歷20次干濕循環后試樣強度均能滿足規范要求;（3）經過離子濃度檢測發現復合材料對環境并無害。固廢復合材料具有環保、經濟的特殊優勢，有著良好的應用前景。

參考文獻：

[1]劉子高，楊昌適，程宗浩，等.拜耳法赤泥的處理和利用[J].中國有色金屬學報，1997（1）：40-44.

[2]趙福輝，蘆 東.拜耳法外排赤泥鋁硅比升高原因及抑制措施的探討[J].世界有色金屬，2002（2）：25-29，22.

[3]許文強，嫣 艷，潘曉林，等.中國氧化鋁生產技術大型化發展現狀與趨勢[J].礦產保護與利用，2017（1）：108-112，118.

[4]張 迪，于海燕，潘曉林，等.氧化鋁賦存形式對低鈣燒結熟料礦相轉化的影響[J].中國有色金屬學報，2015，25（12）：3 497-3 504.

[5]Guo Y X，Zhao Q，Yan K Z，et al. Novel process for alumina extraction via the coupling treatment of coal gangue and bauxite red mud.Ind Eng Chem Res，2014，53（11）：4 518.

[6]Ji H P，Fang M H，Huang Z H，et al. Phase transformation of coal gangue by aluminothermic reduction nitridation：influence of sintering temperature and aluminum content[J].Appl Clay Sci，2014（101）：94.

[7]Liu X M，Li Y，Sun H H，et al. Effect of oil shale on Na + solidi-fication of red mud-fly ash cementitious material[J].Shanghai Jiaotong Univ Sci，2012，17（6）：723.

[8]張 云，陳 偉，陳 瀟.赤泥基應用于路基半剛性基層材料性能實驗研究[J].山西建筑，2018，44（35）：111-112.

[9]李 辰.拜耳法赤泥應用于路基填筑基本性能與工程應用研究[D].濟南：山東建筑大學，2018.

[10]蘇建明，孫兆云，章清濤，等.拜耳法赤泥路基對地下水水質的影響研究[J].環境科學與管理，2019，44（12）：147-151.

[11]孫兆云，吳 昊，侯佳林.改性拜耳法赤泥路基填料施工與質量評價研究[J].路基工程，2018（3）：69-72.