養(yǎng)護(hù)條件對赤泥輕質(zhì)土的功效影響研究

摘要 某二級公路采用赤泥輕質(zhì)土路基，技術(shù)部門根據(jù)養(yǎng)護(hù)的溫度和濕度，設(shè)計了7種不同的養(yǎng)護(hù)方式，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、電鏡掃描和X射線衍射等手段，對赤泥輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)、表觀形貌和反應(yīng)產(chǎn)物等技術(shù)項(xiàng)開展了分析研究。結(jié)果表明，適當(dāng)提高養(yǎng)護(hù)溫度并保證濕度可加快赤泥輕質(zhì)土的反應(yīng)，生成更多相互黏結(jié)致密的三維網(wǎng)狀膠凝結(jié)構(gòu)，能提高赤泥輕質(zhì)土的強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞 路面工程；赤泥輕質(zhì)土；養(yǎng)護(hù)條件；功效影響；測試研究

中圖分類號 U414 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）08-0128-03

0 引言

赤泥輕質(zhì)土是一種新興的道路建設(shè)材料，其由赤泥和泡沫復(fù)合輕質(zhì)土復(fù)合而成。鑒于其成本低廉、路用功效強(qiáng)和低沉降性等優(yōu)勢，赤泥輕質(zhì)土已廣泛應(yīng)用于擴(kuò)改建工程。赤泥是氧化鋁生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，其粒度小，黏度大并且含水率很高。為了防止因溫度和濕度變化造成表面干縮裂隙的發(fā)生，施工后需要及時給予覆膜養(yǎng)護(hù)。赤泥輕質(zhì)土在水化反應(yīng)的過程中會發(fā)生一系列化學(xué)變化，過程中溫濕度對水化過程、產(chǎn)物生成速率以及硬化體功效產(chǎn)生一系列影響。覆膜養(yǎng)護(hù)是混凝土在初凝以后終凝之前，通過人工鋪貼養(yǎng)護(hù)膜，從而確保澆注體表層水分及溫度符合需要，以確保混凝土硬化體的質(zhì)量品質(zhì)。案例是一條采用赤泥輕質(zhì)土路基的二級公路，為保證赤泥輕質(zhì)土路基的質(zhì)量，在施工過程中通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、電鏡掃描和X射線衍射等手段，對赤泥輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)、表觀形貌和反應(yīng)產(chǎn)物等技術(shù)項(xiàng)開展分析研究。這里介紹該相關(guān)成果，以為同類工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 工程概況

某二級高速路，雙向兩車道，采取赤泥輕質(zhì)土路基。其制作工藝流程見圖1所示。

采用主次兩級混合方式集中攪拌漿料。采取分層跳區(qū)澆注防水，以確保赤泥輕質(zhì)土有充足的養(yǎng)護(hù)時間獲得需要的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)按時完工。澆注完成后，應(yīng)馬上用塑料薄膜進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。為防止泛堿現(xiàn)象發(fā)生，整個澆注面只可覆蓋1～2張塑料薄膜，不可用條狀薄膜蓋覆。薄膜之間的重疊至少為20 cm，以防止赤泥輕質(zhì)土的水分流失。在澆注體強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后才可繼續(xù)施工作業(yè)。覆膜養(yǎng)護(hù)具體見圖2所示[1]。

2 赤泥輕質(zhì)土養(yǎng)護(hù)條件

為探究養(yǎng)護(hù)條件對赤泥輕質(zhì)土的強(qiáng)度功效影響，工程技術(shù)部門圍繞養(yǎng)護(hù)條件對赤泥輕質(zhì)土的功效影響開展了試驗(yàn)分析研究。將材料調(diào)拌均勻，制成赤泥漿液備用，再將發(fā)泡劑與水以1∶60的比例復(fù)合制成發(fā)泡液，并用發(fā)泡機(jī)制成容重50 kg/m3的泡沫。將赤泥漿和泡沫按體積配比放入混合桶中，攪拌均勻，制成濕密度在1 000 kg/m3左右的赤泥輕質(zhì)土漿，然后倒入模具中成型，最后在表面蓋覆塑料薄膜養(yǎng)護(hù)。在20±1 ℃條件養(yǎng)護(hù)24 h，然后脫模，并置于7種養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，具體見表1所示。

赤泥輕質(zhì)土漿在澆注成型之前，需按規(guī)范測量其濕密度，并且記錄其流動值。待到達(dá)適當(dāng)齡期以后，用萬能試驗(yàn)機(jī)測定赤泥輕質(zhì)土在各種養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度，并以1 kN/s的加載速度進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試樣的抗壓強(qiáng)度，獲得強(qiáng)度特征值[2]。

3 養(yǎng)護(hù)條件對赤泥輕質(zhì)土的功效影響分析

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

由圖3可知，增強(qiáng)養(yǎng)護(hù)溫度對試件的初期強(qiáng)度發(fā)展有顯著的效果。比如40T和60T（先標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d，再高溫養(yǎng)護(hù)2 d）的3 d抗壓強(qiáng)度高于1.60 MPa，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的強(qiáng)度。當(dāng)齡期延長至28 d時（先標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d，再高溫養(yǎng)護(hù)27 d），40T的抗壓強(qiáng)度超出2.00 MPa，所以，適宜的養(yǎng)護(hù)溫度有利于增強(qiáng)赤泥輕質(zhì)土的早期強(qiáng)度。

但養(yǎng)護(hù)時間過長或溫度過高不利于后期赤泥輕質(zhì)土的強(qiáng)度形成，例如40T+的抗壓強(qiáng)度在14 d達(dá)到最大值（1.86 MPa），強(qiáng)度超過了60T。如果高溫養(yǎng)護(hù)時間太長，盡管初期強(qiáng)度會有提高，但對材料后期強(qiáng)度不利。由于高溫下長時間的養(yǎng)護(hù)堿激發(fā)膠凝料的強(qiáng)度發(fā)育不良，甚至降低的情況很多，如用水玻璃和粉煤灰制作的試件，在75 ℃與95 ℃密封養(yǎng)護(hù)24 h，然后在20 ℃進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，7 d后強(qiáng)度逐漸降低；用水玻璃堿激發(fā)偏高嶺土，然后在80 ℃養(yǎng)護(hù)4 h，再在20 ℃自然培養(yǎng)護(hù)，該材料的28 d強(qiáng)度反而低于1 d強(qiáng)度。由粉煤灰和偏高嶺土能成的復(fù)合材料，在80 ℃水浴和蒸汽中連續(xù)養(yǎng)護(hù)7 d，其在7 d內(nèi)強(qiáng)度都出現(xiàn)降低。凝膠在高溫下結(jié)晶。鈣礬石晶體隨時間變大，但材料的凝膠跟不上晶體的生長，使材料疏松多孔，最后導(dǎo)致試件的強(qiáng)度降低[3]。

20T和WC的強(qiáng)度一直在穩(wěn)步發(fā)展。如20T的抗壓強(qiáng)度從3 d的0.42 MPa逐步增加到28 d的1.65 MPa，這是因?yàn)閴A激發(fā)反應(yīng)隨著齡期延長繼續(xù)開展。因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)濕度和溫度適宜，赤泥輕質(zhì)土的強(qiáng)度穩(wěn)定持續(xù)增長。所以，如果施工工期較短，可考慮采取高溫養(yǎng)護(hù)一段時間，然后常溫下進(jìn)行塑料薄膜養(yǎng)護(hù)，例如高溫養(yǎng)護(hù)24 h，然后在常溫水浴中養(yǎng)護(hù)或標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期，可獲得很高的初期強(qiáng)度，進(jìn)而加快施工進(jìn)度。

?20T和NC的抗壓強(qiáng)度都相對較低（28 d的抗壓強(qiáng)度分別是0.95 MPa與0.75 MPa），甚至NC的試件在56 d時就已經(jīng)破損斷裂，不能繼續(xù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，這是因?yàn)镹C養(yǎng)護(hù)環(huán)境的濕度只有40%～60%，所以，養(yǎng)護(hù)過程中NC的水分不斷流失，造成水化過程中的水分不足。在硬化過程中，膠凝料反應(yīng)涉及的溶化分解、聚合和縮聚反應(yīng)都一定要有溶液的參與，水分損失必然影響前述化學(xué)反應(yīng)，因此試件的強(qiáng)度較低。缺水不但影響反應(yīng)進(jìn)程，還會導(dǎo)致試件出現(xiàn)大量微小裂紋。這也是為什么除NC外，其他試件在28 d后，水化反應(yīng)仍然緩慢，而在養(yǎng)護(hù)56 d內(nèi)強(qiáng)度仍能穩(wěn)定保持增長的原因。然而部分NC試件在24～30 d內(nèi)斷裂，不能測量其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，可見適宜環(huán)境濕度是保證赤泥輕質(zhì)土獲得高強(qiáng)度的重要條件。

3.2 反應(yīng)生成產(chǎn)物分析

根據(jù)XRD圖譜（見如圖4所示），赤泥輕質(zhì)土的XRD衍射峰顯示新的反應(yīng)產(chǎn)物為沸石、方解石、鈣礬石和水化硫鋁酸鈣。主要產(chǎn)物有沸石、碳酸鈣和鈣礬石。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)展，赤泥輕質(zhì)土內(nèi)的針狀鈣礬石和氫氧化鈣將在絨毛狀的C-S-H凝膠和C-A-H凝膠的黏合作用下錯綜交錯，形成了強(qiáng)度骨架。赤泥輕質(zhì)土內(nèi)部呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其主要強(qiáng)度源于膠凝材料連接形成的氣孔。添加更多的赤泥會導(dǎo)致未反應(yīng)的顆粒搭載在赤泥輕質(zhì)土的孔壁結(jié)構(gòu)中，這不利于材料強(qiáng)度骨架的形成。

赤鐵礦的衍射峰與原料赤泥的衍射峰相似，可推斷赤鐵礦基本不參加水化反應(yīng)。通過比較68 ℃鈣礬石可發(fā)現(xiàn)，溫度的升高有助于鈣礬石的形成，而溫度太高時，鈣礬石轉(zhuǎn)化為水化硫鋁酸鈣，所以60T強(qiáng)度明顯比40T高。對比發(fā)現(xiàn)，鈣礬石的形成量與抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)，鈣礬石是構(gòu)成該材料強(qiáng)度骨架的主要產(chǎn)物。

赤泥輕質(zhì)土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)蜂窩狀，其主要強(qiáng)度來源于氣孔之間的膠凝材料所形成的骨架。然而，隨著赤泥摻量的增加，未反應(yīng)的赤泥顆粒夾雜在孔壁結(jié)構(gòu)中，影響了材料強(qiáng)度骨架的形成。此外，若水固比過大，膠凝性將變差，導(dǎo)致鈣礬石生成量不足，進(jìn)而導(dǎo)致赤泥輕質(zhì)土孔壁更為疏松。同時，隨著濕密度的增加，赤泥輕質(zhì)土的孔壁也會變得更脆弱，進(jìn)而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。

從水化硫鋁酸鈣41℃的衍射峰得知，堿度抑制水化硫鋁酸鈣的生成，并且40T大量生成鈣礬石，造成合成水化硫鋁酸鈣的材料不足，產(chǎn)物劑量降低。赤泥輕質(zhì)土屬于強(qiáng)堿性、鈣充足的物質(zhì)體系。鈣礬石作為強(qiáng)度骨架，需要濃度較高的Ca（OH）2溶液，但鈣礬石在過高堿度環(huán)境中不穩(wěn)定，易轉(zhuǎn)化為水化硫鋁酸鈣[4]。

環(huán)境濕度對沸石的形成有顯著影響，沸石9 ℃衍射峰低于WC，表明過高的養(yǎng)護(hù)濕度會抑制沸石的形成。但是，大量研究顯示，沸石可以提高材料的粘度，且具有填充作用，可提高材料的強(qiáng)度，所以降低沸石生成量對赤泥輕質(zhì)土增長強(qiáng)度不利。

在水分充足的狀態(tài)下，因?yàn)槌嗄噍p質(zhì)土是強(qiáng)堿性體系，除了材料中的Ca2+參與反應(yīng)外，大多以Ca（OH）2的形式存在，而不是以CaCO3的形式存在，所以WC在28 ℃的峰值比較低，而NC跟空氣反應(yīng)產(chǎn)生碳化并且容易流失水分，峰值略有升高，套膜條件下，方解石的峰值差異不大。因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)濕度比較低，NC有顯著的砂化現(xiàn)象，二氧化硅在26 ℃的衍射峰顯著大于其他試件。但NC反應(yīng)中，水溶劑不足，?20T的水化反應(yīng)慢，所以鈣礬石含量相對較少。

對赤泥輕質(zhì)土EDS分析發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)產(chǎn)物中包含著大量的Ca、O元素，而C、S、Si、Al元素含量較高，針狀物質(zhì)是鈣礬石，周圍有大量的C-A-H和C-S-H凝膠給予包裹。但在自然養(yǎng)護(hù)下，除針狀的凝膠和鈣礬石外，還有更多的鈣礬石和晶體通過凝膠粘在一起。該物質(zhì)含有較多的Al、Si、Ca和O元素，因此，斷定該物質(zhì)為沸石。氣孔中都有鈣礬石和六邊形片狀物交錯生長，其中O、C、Ca劑量很高，EDS分析顯示，該物質(zhì)的主要成分為Ca（20.0%）、O（54.8%）、C（12.3%）。結(jié)合影像形態(tài)，可以判定為碳酸氫鈣或碳酸鈣[5]。

3.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

選擇強(qiáng)度較大的五個試件作為代表進(jìn)行對比分析。分別是?20T、NC、WC、40T和20T。觀察表明，在28 d齡期內(nèi)，強(qiáng)度相對較高的40T與20T外觀完整連續(xù)，孔洞光滑清晰，而WC的微角處有脫落空洞和少量裂紋。強(qiáng)度較低的?20T和NC表面有顯著的裂紋，在強(qiáng)度最低的NC中甚至出現(xiàn)缺口，而在?20T的孔洞中可看到少量還未反應(yīng)的粒狀物，這顯示只有孔洞結(jié)構(gòu)完整才能達(dá)到較高的強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)條件不合適則不利于輕質(zhì)土完整孔洞結(jié)構(gòu)的構(gòu)成。

升高溫度加速了凝膠和鈣礬石的構(gòu)成。鈣礬石40 ℃的反應(yīng)形貌最復(fù)雜，其長寬比顯著大于60 ℃和20 ℃的反應(yīng)。但在0 ℃與?20 ℃時，低溫造成赤泥輕質(zhì)土的水化速度較慢，鈣礬石的生長速度也較慢，不能迅速構(gòu)成堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)骨架，從而造成強(qiáng)度不足；在溫度達(dá)到60 ℃時，因在這一溫度鈣礬石不如在40 ℃時穩(wěn)定，且構(gòu)成片狀結(jié)構(gòu)。研究可知，70 ℃時，生成鈣礬石的過程受到抑制，并會分解轉(zhuǎn)化成非晶體態(tài)鈣礬石。氫氧化鈣在60℃時的生成速度比鈣礬石快，且生成大量片狀結(jié)構(gòu)，鈣礬石的生長受到阻礙。C-S-H凝膠對大片狀氫氧化鈣的黏結(jié)功效不如鈣礬石，所以60T的強(qiáng)度比較低。

4 結(jié)語

綜上所述，探討了不同養(yǎng)護(hù)方式對赤泥輕質(zhì)土的水化反應(yīng)及強(qiáng)度影響。基于不同的養(yǎng)護(hù)溫度、濕度，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、電鏡掃描、X射線衍射檢測分析發(fā)現(xiàn)，溫度太高或濕度不足對凝膠和鈣礬石的生成帶來不利影響，繼而會對赤泥輕質(zhì)土的硬化強(qiáng)度造成不良影響。研究顯示，赤泥輕質(zhì)土以塑料膜包裹，在40 ℃下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，能夠有效地促進(jìn)赤泥輕質(zhì)土中鈣礬石和凝膠的形成，并且對赤泥輕質(zhì)土的后期強(qiáng)度提升起到關(guān)鍵作用。

參考文獻(xiàn)

[1]卓瑞鋒. 赤泥制備CBC道路基材料的研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)， 2009.

[2]林嘉昇. 拜耳法赤泥基泡沫輕質(zhì)土配合比設(shè)計及在路基工程的應(yīng)用研究[D]. 廣州：廣州大學(xué)， 2021.

[3]劉曉明， 唐彬文， 尹海峰. 赤泥—煤矸石基公路路面基層材料的耐久與環(huán)境性能[J]. 工程科學(xué)學(xué)報， 2018（4）： 438-445.

[4]譚波， 劉琦， 陳平. 鋼渣、赤泥、電解錳渣協(xié)同制備路基水穩(wěn)材料及性能研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報， 2021（8）： 51-56.

[5]孫賽煒， 劉勇， 陳偉， 等. 偏高嶺土對路基填料泡沫輕質(zhì)土性能的影響研究[J]. 混凝土， 2020（1）： 95-99.