復(fù)摻改性拜耳法赤泥填筑路基力學(xué)特性試驗(yàn)研究

王亞奇，饒軍應(yīng)，彭 浩，趙昌杰，孔德禹

(貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

隨著我國(guó)工業(yè)體系的發(fā)展和完善，各領(lǐng)域?qū)ρ趸X的需求量與日俱增，伴隨著制鋁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，赤泥的排放、處理問(wèn)題日益突出。赤泥是在制備氧化鋁時(shí)從鋁土礦中產(chǎn)生的一種工業(yè)固廢[1]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生的工業(yè)廢棄赤泥約1億t，并且逐年增長(zhǎng)，然而每制造1t的氧化鋁就要產(chǎn)出1～1.5t廢棄赤泥[2]。目前，赤泥的利用已有較多研究[3-4]，但我國(guó)采用的赤泥處置方式仍以露天堆積、深基坑填埋及修筑赤泥壩等為主，利用率僅為4%左右，遠(yuǎn)低于世界平均利用率15%。一方面，露天堆積不僅擠占土地，而且后期的維護(hù)成本昂貴。另一方面過(guò)多的赤泥堆積，容易在極端天氣下引發(fā)坍塌事故，造成不可挽回的損失[5]。顯然，前述赤泥處理方式與可持續(xù)發(fā)展理念相駁，亟需探尋一種新的處理方式。改性赤泥用作公路路基填料不僅消耗量大，還能解決部分地區(qū)土源緊張的問(wèn)題[6]。目前已有研究表明，拜耳法赤泥的液限、塑限較高、塑性指數(shù)低、水穩(wěn)定性差，其路用性能不能滿足路基填筑材料的技術(shù)要求，必須對(duì)其物理、力學(xué)性能進(jìn)行改良后才可用于路基填筑[7]。申建立用石灰改性赤泥發(fā)現(xiàn)在一定摻量范圍內(nèi)，改性赤泥的抗壓、抗折強(qiáng)度隨石灰摻量增加而增大[8]；楊偉剛等發(fā)現(xiàn)水泥、石灰以及綜合的化學(xué)改良能提高拜耳法赤泥的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性[9]；梁康等利用拜耳法赤泥的堿性對(duì)鋼渣活性進(jìn)行激發(fā)，發(fā)現(xiàn)赤泥的摻入能讓激發(fā)后的鋼渣具有水硬膠凝性，有利于鋼渣膠凝材料后期強(qiáng)度的提高，為鋼渣和赤泥的資源化利用提供了一種新思路[9]。彭浩分別以水泥、石灰、鋼渣為改性劑探究改性赤泥的物理、力學(xué)指標(biāo)，提出不同改性劑下推薦摻量[11]。綜上，石灰、水泥、鋼渣作為改性劑均能提升原材料的強(qiáng)度[12-15]。

因此，本研究工作以拜耳法赤泥為原材料，以鋼渣、水泥、石灰為改性材料，基于正交試驗(yàn)研究赤泥在鋼渣、水泥、石灰復(fù)合摻量改性下的路用力學(xué)性能。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用赤泥為拜耳法赤泥，材料源于貴州省清鎮(zhèn)市某赤泥堆放場(chǎng)，經(jīng)水洗后小于0.035mm的顆粒占85%以上，泡水后崩解，其它物理指標(biāo)見表1。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

基于正交試驗(yàn)方法，以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、泡水后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量為考核指標(biāo)，將鋼渣、水泥、石灰以一定比例摻入赤泥中，研究不同摻量條件下綜合改良后的赤泥路用力學(xué)特性，正交試驗(yàn)水平表及方案見表2—3。

表1 拜耳法赤泥物理指標(biāo)

表2 正交試驗(yàn)水平表

表3 正交試驗(yàn)方案表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)實(shí)驗(yàn)

擊實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼_定赤泥的最佳含水率與最大干密度，為路基提供壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。本次實(shí)驗(yàn)依據(jù)JTG 3040—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定對(duì)每組試樣進(jìn)行擊實(shí)驗(yàn)，各組實(shí)驗(yàn)擊實(shí)曲線如圖1所示，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 正交試驗(yàn)擊實(shí)結(jié)果

圖1 正交試驗(yàn)組合擊實(shí)曲線圖

由表4可知，在9組試驗(yàn)方案中，最大干密度ρmax范圍為1.567～1.603g/cm3，最優(yōu)含水率ωopt變化范圍為25.20%～27.50%。最佳含水率相較于原狀赤泥的最佳含水率32.40%均有一定的降低，而最大干密度相較于原狀赤泥1.448g/cm3有所增加。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過(guò)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)，對(duì)各組試樣按其對(duì)應(yīng)的最佳含水率進(jìn)行試樣制備，分別對(duì)每組試樣進(jìn)行28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、28d泡水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表5。

2.3 單指標(biāo)結(jié)果分析

2.3.1無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果采用極差分析法，確定各指標(biāo)及水平因素的影響主次順序，結(jié)果見表6，并繪制各因素走勢(shì)趨向圖如圖2。

由表6極差分析結(jié)果可以看出，影響無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素順序?yàn)槭覔搅俊⑺鄵搅俊撛鼡搅俊Ｍㄟ^(guò)圖2可知，水泥摻量和石灰摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有促進(jìn)作用，而鋼渣摻量對(duì)強(qiáng)度影響并不明顯。所以，當(dāng)鋼渣摻量為2%、水泥摻量為4%、石灰摻量為3%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值最大，其最優(yōu)水平組合為A1B3C3。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表6 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果

圖2 各因素?zé)o側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)圖

2.3.2泡水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

將養(yǎng)護(hù)成形的試件，浸水28d后測(cè)試各組試件的抗壓強(qiáng)度，其極差分析見表7。

從表7可以看出，影響泡水抗壓強(qiáng)度的主要因素順序分別為石灰摻量、水泥摻量、鋼渣摻量。從圖3可知各因素最優(yōu)水平組合為A1B3C3，與未泡水試件的抗壓強(qiáng)度最優(yōu)組合一致。

表7 泡水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果

圖3 各因素泡水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)圖

2.3.3回彈模量結(jié)果分析

回彈模量是反應(yīng)材料抵抗變形的能力，常作為路基的剛度指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)按照J(rèn)TG 3040—2020，采用杠桿壓力法進(jìn)行測(cè)試，改性赤泥的回彈模量根據(jù)平行試驗(yàn)取平均值，其極差分析結(jié)果見表8。

表8 回彈模量極差分析結(jié)果

從表8可以看出影響回彈模量最主要的因素是石灰的摻量，其次為水泥摻量、鋼渣摻量。從圖4可知，對(duì)回彈模量影響性分析，當(dāng)鋼渣摻量為3%、水泥摻量為4%、石灰摻量為3%時(shí)，回彈模量最大，其最優(yōu)的水平組合為A2B3C3。

2.4 方差分析

對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行方差分析，其結(jié)果見表9。

表9 方差分析

由表9可知，石灰摻量對(duì)改性赤泥的抗壓強(qiáng)度具有顯著影響，其中各因素的構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量即F值為其對(duì)應(yīng)的平均差方和與誤差的平均差方和之比，F(xiàn)值的大小與其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響成正比，各因素的F值對(duì)其指標(biāo)的影響與極差分析結(jié)果一致。

2.5 綜合分析

由正交試驗(yàn)的結(jié)果可知，赤泥在經(jīng)改性后，抗壓強(qiáng)度與回彈模量相較于原狀赤泥提升顯著，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，現(xiàn)將各結(jié)果最優(yōu)水平組合列于表10。

表10 最優(yōu)水平組合匯總

由表10知，抗壓強(qiáng)度與泡水抗壓強(qiáng)度最優(yōu)水平組合一致，而鋼渣摻量對(duì)回彈模量影響較抗壓強(qiáng)度顯著，因此，選擇最優(yōu)配比為A2B3C3，即：鋼渣摻量3%、水泥摻量4%、石灰摻量3%。

2.6 微觀分析

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)最優(yōu)配比改性后的赤泥試樣，其微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 改性赤泥微觀形貌

由圖5(a)可以看出改性后的赤泥在形貌上存在較多片狀、層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為緊湊，其原因是摻入的石灰和水泥與水反應(yīng)后生成Ca(OH)2，而鋼渣在堿性環(huán)境下能發(fā)生水化硬化產(chǎn)生硅酸鈣、氯酸鈣凝膠，將鋼渣與赤泥顆粒很好的膠結(jié)在一起。此外，生成的部分Ca(OH)2又能與空氣中的CO2反應(yīng)生成穩(wěn)定的CaCO3，極大的提高了赤泥的密實(shí)度，宏觀表現(xiàn)為改性后赤泥的承載能力提高。而由圖5(b)可知，改性后赤泥中含有少量棒狀物質(zhì)和較多孔隙，說(shuō)明未完全水化的鋼渣并沒(méi)有充分填充孔隙，并不能有效黏結(jié)赤泥顆粒，無(wú)法發(fā)揮鋼骨架支撐作用，從而導(dǎo)致改性赤泥的水穩(wěn)定性較差。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)9種配比組合改性后的赤泥最佳含水率下降、最大干密度上升，最大干密度ρmax范圍為1.567～1.603g/cm3，最佳含水率ωopt變化范圍為25.20%～27.50%。

(2)石灰摻量對(duì)改性赤泥的抗壓強(qiáng)度影響顯著，改性赤泥最佳制備摻量為鋼渣摻量3%，水泥摻量4%，石灰摻量2%。

(3)改性赤泥泡水后抗壓強(qiáng)度有一定程度的降低，但相較于原狀赤泥仍有較大的改善，在用作路基填料時(shí)可適當(dāng)增加石灰摻量，并布設(shè)合理防水措施，可有效延長(zhǎng)路基赤泥基填料的耐久性。

(4)赤泥經(jīng)改性后，抗壓強(qiáng)度與回彈模量都有較大提升，滿足JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》和JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》的要求，可作為路基填筑材料。