新型赤泥基泡沫輕質土材料性能及應用

劉雪雨 周國印 孔曉光 陳國紅 李鵬 王凱 于海洋 徐程 王蕾

1.中國海洋大學 工程學院， 山東 青島 266404； 2.山東高速高新科技投資有限公司， 濟南 250013；3.山東百廿慧通工程科技有限公司， 濟南 250013； 4.山東高速巖土科技有限公司， 濟南 250014

泡沫輕質土是由泡沫、膠凝材料、水以及集料按照一定配合比混合并經過一系列物理、化學反應硬化形成的輕質材料［1-2］，以其輕質性、高流動性、抗沖擊性能好等優(yōu)點被廣泛應用于高速公路、鐵路等基礎設施建設中［3-4］。泡沫輕質土以水泥為主要膠凝材料時需要消耗大量的水泥，工程造價較高，選擇難以處理的固體廢棄物部分替代水泥制備泡沫輕質土具有顯著的科學意義與應用價值。

利用固體廢棄物作為原料對以水泥為主要膠凝材料的泡沫輕質土進行改良已取得較多進展。段龍飛等［5］利用尾礦和水泥制備氣泡混合輕質土，當尾礦摻量為30%時，密度為800 kg/m3泡沫輕質土的28 d無側限抗壓強度可達2.5 MPa。趙正峰等［6］利用燒結法赤泥、鋁土礦尾礦、鈦石膏等原料制成的工業(yè)廢渣復合再生膠凝材料泡沫土具有良好的抗干縮性能，在經過8次凍融循環(huán)后抗壓強度高于水泥泡沫土。蔣善國等［7］發(fā)現當燃煤爐渣∶水泥∶石灰石粉∶激發(fā)劑 = 5∶4∶1∶0.4 時，設計濕密度為650 kg/m3的燃煤爐渣基泡沫輕質土的28 d 無側限抗壓強度可達1.63 MPa。綜上，利用固體廢棄物制備泡沫輕質土具有較高可行性及廣闊應用前景，但是將我國大體量堆積的固體廢棄物摻入泡沫輕質土并探究其在實際工程中應用的可行性成為了亟待解決的問題。

赤泥是氧化鋁生產過程中產生的工業(yè)廢棄物，每生產1.0 t 氧化鋁將排放1.5 t 赤泥，目前全國累計堆積量已超8 億噸［8-10］。由于堿性較強且礦物成分組成復雜，導致赤泥大規(guī)模利用起來較為復雜。我國對于大部分赤泥的處理方式還是以堆積為主［11-12］。赤泥的堆積不僅占用了土地資源，其中的有害物質還會對環(huán)境造成不利影響［13-14］。我國排放的赤泥以拜耳法赤泥為主，利用大量堆積的拜耳法赤泥作為主要原料制備泡沫輕質土不僅可以減少赤泥的堆積，還可以降低工程造價。

本文旨在利用拜耳法赤泥作為主要原材料制備綠色路基材料RM-FLS，通過無側限抗壓強度等室內試驗優(yōu)選最佳配合比，測試建模參數，并以青島市某高速公路橋背回填工程為依托，利用有限差分軟件FLAC 3D 建立模型測試不同填筑方式下的位移、豎向應力和水平應力。分析不同填筑方式的沉降量，驗證RM-FLS應用于實際工程的可行性。

1 室內試驗

1.1 原材料

用于制備RM-FLS 的原材料包括赤泥、熟石灰、水泥、發(fā)泡劑等。選用山東某鋁業(yè)集團氧化鋁生產過程中產生的赤泥，利用XRF（X - Ray Fluorescence Spectrometer）測試赤泥的化學組成，測試結果見表1。試驗選用高分子復合水泥發(fā)泡劑，按照CJJ/ T 177—2012《氣泡混合輕質土填筑工程技術規(guī)范》要求對發(fā)泡劑性能進行測試，發(fā)泡劑性能見表2，測試結果滿足CJJ/ T 177—2012 要求。水泥選用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，成分及含量見表3。

表1 赤泥的化學組成 %

表2 發(fā)泡劑的性能

表3 水泥的成分及含量%

1.2 試件制備

按照CJJ/ T 177—2012要求，泡沫輕質土用于高速公路路基填筑時的最小密度為550 kg/m3，并從輕質、高強度等方面考慮，試驗設定RM-FLS 的密度為780 kg/m3，試件制備的流程見圖1。

圖1 RM-FLS試件制備流程

由于赤泥粒徑較大，在制備過程中很難被堿性激發(fā)劑充分激發(fā)。因此，赤泥需要磨細處理，具體操作為：將赤泥置于105 ℃條件下烘干48 h，然后倒入球磨機中粉碎并過篩，過篩后赤泥最大粒徑不超過0.4 mm。將處理后的赤泥、熟石灰、水泥和水按照比例倒入攪拌機中攪拌3 min 至漿液均勻，然后加入泡沫繼續(xù)攪拌。由于密度會影響RM-FLS 的力學性能，因此，在攪拌過程中需對漿液進行密度測試，直至達到目標密度后停止攪拌。

將攪拌均勻的漿液制成100 mm × 100 mm ×100 mm 的試件用以測試RM-FLS 的無側限抗壓強度；制成50 mm（直徑） × 100 mm（高）的試件用以測試RM-FLS 的應力-應變曲線和泊松比。脫模后的試件按照規(guī)范CJJ/ T 177—2012 需進行套袋養(yǎng)護至養(yǎng)護齡期，見圖2。

圖2 RM-FLS試件養(yǎng)護

1.3 試驗儀器與設備

采用微機控制巖石單軸壓力試驗機測定RM-FLS試件的28 d無側限抗壓強度，按照CJJ/ T 177—2012要求，設置加載速度為0.2 MPa/s。按照CB/ T 11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》要求，采用萬能試驗機WDW-100和靜態(tài)應變采集儀測定RM-FLS試件的應力-應變關系，設置萬能試驗機的加載方式為位移控制，加載速度為2 mm/min，試驗結束條件為5 mm。

1.4 試驗方案

以保證材料性能、降低工程成本為目標，探究赤泥與堿性激發(fā)劑比例和赤泥摻量對RM-FLS 強度的影響，結合CJJ/ T 177—2012對氣泡混合輕質土的填筑要求，從無側限抗壓強度、經濟效益等方面出發(fā)設計多種材料配合比。赤泥與熟石灰的比例分別為2.5∶1、3.0∶1、3.5∶1，每種比例下的赤泥摻量分別為40%、45%、50%、55%、60%，具體試驗配合比見表4。

表4 赤泥基泡沫輕質土的配合比

具體優(yōu)選過程為：①按照表4 中的配合比，將RM-FLS 全部澆筑成100 mm × 100 mm × 100 mm 的立方體試件并養(yǎng)護至28 d，利用微機控制巖石單軸壓力試驗機對養(yǎng)護至齡期的試件進行無側限抗壓強度測試。②結合無側限抗壓強度數據，選取6 組試件配合比并澆筑成尺寸為50 mm（直徑） × 100 mm（高）的圓柱體試件，將應變片貼在試件中間并利用萬能試驗機與靜態(tài)應變采集儀測試試樣的應力-應變曲線。③通過應力-應變曲線優(yōu)選最佳配合比，用應變片分別測試圓柱體試件在單軸壓縮過程中的橫向、軸向正應變，并計算泊松比。

2 試驗結果及分析

2.1 無側限抗壓強度

不同赤泥與堿性激發(fā)劑比例、赤泥摻量下試件的無側限抗壓強度見圖3。可知：當赤泥∶熟石灰為3.5∶1、赤泥摻量分別為40%和45%時，兩組試件無側限抗壓強度相同，這表明赤泥在熟石灰的激發(fā)下可以表現出一定的強度。隨著水泥摻量的減小，試件的無側限抗壓強度呈下降趨勢，這表明RM-FLS 抵抗外部荷載的主要強度來源為水泥的水化產物。當赤泥與熟石灰比例為3.0∶1、赤泥摻量為40%時，RM-FLS 的強度區(qū)間為0.42～1.13 MPa，CJJ/ T 177—2012規(guī)定在路堤應用中其抗壓強度在0.3～1.0 MPa，RM-FLS 滿足規(guī)范要求；泡沫輕質土用于高速公路、一級公路、城市主干路等線路路基填筑時的最小抗壓強度為0.8 MPa，A40、A45、B40、B45、B50、C40、C45、C50 組試件滿足CJJ/ T 177—2012要求。

圖3 赤泥摻量與28 d無側限抗壓強度關系

隨著赤泥與熟石灰比例的增加，RM-FLS 的無側限抗壓強度呈現出先上升后下降的趨勢，赤泥與熟石灰的比例為3.0∶1時無側限抗壓強度最高。這表明熟石灰的摻入比例會直接影響RM-FLS 的力學性能，赤泥與熟石灰比例過小時會導致赤泥不能充分被激發(fā)，部分赤泥以細集料的形式存在于RM-FLS 內部，導致赤泥基泡沫輕質土的強度偏低；赤泥與熟石灰的比例過高時，過量的熟石灰會使水泥摻量降低，進而導致強度下降。值得注意的是，試驗中所有配合比的無側限抗壓強度均大于0.4 MPa，滿足CJJ/ T 177—2012 中規(guī)定的泡沫輕質土用于填筑其他等級公路路基時最小抗壓強度0.4 MPa的要求。

2.2 應力-應變曲線

應力-應變曲線可以反映材料的彈性模量及變化特征，根據試件的無側限抗壓強度，選取A40、A45、B40、B45、C40、C45 的配合比，利用萬能試驗機靜態(tài)應變采集儀測得圓柱體試件的應力-應變曲線，結果見圖4。可知：在相同赤泥與熟石灰的比例下，赤泥摻量越少，曲線在破壞階段的應變硬化特征越明顯，同時，曲線在達到應力峰值后下降幅度越大，這表明赤泥的添加可以提高試件的韌性。

圖4 不同配比試件的應力-應變曲線

按照CB/ T 11969—2020 取應力為40%時的加荷割線模量為試件彈性模量，結合圖4計算可得：在相同赤泥摻量下，赤泥與熟石灰的比例越高，試件彈性模量越小，A40、B40 和C40 試件的彈性模量分別為15.08、8.56、7.30 MPa。這表明赤泥在熟石灰激發(fā)下生成的聚合物凝膠彈性模量較大。

由于RM-FLS 常用于橋背回填、道路改擴建等工程，要求材料具有較大剛度。因此，綜合無側限抗壓強度、彈性模量、韌性等因素考慮，選取B40 組試件配合比為最優(yōu)配合比。

2.3 掃描電子顯微鏡觀察與能譜分析

為從微觀角度分析RM-FLS 破壞機制，采用電子顯微鏡TESCAN MIRA LMS 對B40 試件樣本分別放大50 倍和200 倍進行微觀測定，B40 試件微觀表現見圖5。

圖5 B40試件微觀表現

由圖5（a）可知：漿液在加入氣泡攪拌時并未產生明顯的消泡現象，試件內部氣泡分布較均勻，且氣泡之間無較厚的氣泡壁，較大氣泡之間的縫隙由較小氣泡填充，這樣可以避免試件在荷載作用下發(fā)生應力分布不均勻的情況。

由圖5（b）可知：試件在受到荷載作用時，較大氣泡的氣泡壁會首先發(fā)生破裂，這些細微裂縫會逐漸擴展貫通形成宏觀裂縫，最終導致試件失效。

對試樣進行能譜分析，能譜分析結果見圖6。可知：RM-FLS 主要由O、Ca、Si、Al等元素組成，表明赤泥中Al2O3和SiO2中的—Al—O—鍵和—Si—O—鍵在堿性條件下會發(fā)生斷裂形成游離的Al3+和Si4+。游離的Al3+和Si4+和H2O 及熟石灰提供的Ca2+反應生成C—A—S—H 凝膠，C—A—S—H 凝膠為RM-FLS 的主要強度來源。

圖6 能譜分析結果

3 數值分析

3.1 模型建立及參數

為使數值模擬結果更加準確，為RM-FLS 應用橋背回填實際工程提供理論依據，參照青島市某高速公路路段建立模型，施工現場見圖7。公路路基的沉降變形屬于平面應變的范疇，因此，為提高軟件運算速度，取實際路基寬度的1/2 進行計算。模型尺寸為54.0 m（長） × 36.0 m（寬） × 53.6 m（高），其中，高速公路段全長34 m，寬12 m，路基在前16 m 采用填土填充，在后18 m采用填土和RM-FLS混合分層填充。

圖7 施工現場

分層混合填充是指利用填土搭建7 層臺階，臺階高度均為2 m，第1 層臺階長度為4 m，第2 — 第7 層臺階長度為2 m，在此基礎上填筑RM-FLS。模型設置路肩和斜坡，路肩的寬度為4 m，斜坡坡高為14 m，坡面角為45°，路肩和斜坡均采用填土填充。現場勘察報告顯示地基共分為3 層，第1 層、第2 層均為淤泥層，高度分別為12.1、17.5 m，第3 層為黏土層，高度為10.1 m。數值模型網格劃分見圖8。

圖8 模型網格劃分

為探究RM-FLS 作為填筑材料對沉降、豎向應力和橫向應力的影響，本次數值模擬采用RM-FLS 填筑和填土回填兩種填筑方式，研究兩種方式在自重作用及荷載作用下的沉降量、豎向應力分布及橫向應力分布。

設置邊界條件時考慮在每層泡沫輕質土填筑前均采用混凝土板進行固定，因此，除模型整體的邊界條件外，還需對混合填筑的每層臺階設置水平方向的位移約束。填土、淤泥、黏土采用Mohr-Coulomb 模型，RM-FLS 采用Elastic 模型，建立相應的三維實體單元。具體模型力學參數按照勘測結果及物理模型試驗結果選取，力學參數見表5。

表5 數值模型力學參數

3.2 模擬結果及分析

將材料參數賦予模型并施加重力場，得出兩種填筑方式填筑完成后在自重作用下路基和地基的位移與應力，見圖9。

圖9 自然沉降下位移與豎向應力云圖

由圖9（a）、圖9（b）可知：兩種填筑方式在自重下路基頂面的最大沉降量分別為0.30、0.20mm，沉降量相差不大。由圖9（c）、圖9（d）可知：填土回填路基頂面豎向壓力分布較為均勻，RM-FLS 填筑路基頂面出現了應力分布不均勻現象，這種現象很容易導致路基頂面沉陷，在施工過程中可以通過適當加長第7 層填筑長度予以避免。

在自然沉降完成后，設置初始位移、初始速度為0，并向路基頂面施加35 kPa 的均布荷載，模擬兩種填筑方式下的路基頂面在使用過程中的沉降量及應力分布，見圖10。

圖10 荷載作用下位移與豎向應力云圖

由圖10（a）、圖10（b）可知：在豎向荷載作用下，兩種填筑方式的最大沉降量分別為22.4、16.8 cm，均產生于橋頭部位，采用RM-FLS 填筑的路基頂面最大沉降量減少了25%，表明新型路基填筑在使用過程中可以有效減少橋頭沉降，改善橋頭跳車的現象。同時，填土回填路基頂面橋頭處在使用過程中出現了豎向位移集中現象，這有可能導致橋頭在使用過程中以最大豎向位移為基礎向周圍不斷發(fā)生連續(xù)性沉陷，增大路基與橋梁的豎向位移差，RM-FLS 填筑路基頂面整體性較好，并未出現沉降集中現象。

由圖10（c）、圖10（d）可知：填土回填路基內部豎向應力分布不均勻，這種現象容易導致路基頂面的不均勻沉降。RM-FLS 填筑體內應力分布較為均勻，最大豎向應力為45 kPa，集中于第1 層填筑處，在施工過程中可以通過增大第1層填筑體密度以抵抗使用過程中產生的較大豎向應力。

為探究兩種填筑方式在使用過程中對周圍土體的擠壓作用，計算兩種填筑方式在豎向荷載作用下的水平應力，結果見圖11。

圖11 荷載作用下水平應力云圖（單位：Pa）

由圖11可知：兩種填筑方式的最大水平應力分別為29.3、20.7 kPa，均集中于路基頂面邊緣處，在施工過程中可以加強兩車道中間填土的夯實度以限制填充體的橫向變形。RM-FLS 填筑體在第7 層填筑體邊緣處對周圍填土的水平應力較大，出現了應力集中現象，施工過程中可通過增大邊坡長度等措施抑制填筑體的水平位移。

4 結論

1）RM-FLS 試件的主要強度來源是水泥水化反應的產物，試件的無側限抗壓強度隨著赤泥摻量的增大呈現下降趨勢。無側限抗壓強度隨著赤泥與熟石灰比例的增加呈現先增大后減小的趨勢，赤泥與熟石灰的比例為3.0∶1 時，熟石灰的激發(fā)效果最好。RM-FLS的強度區(qū)間為0.42 ～ 1.13 MPa，滿足規(guī)范要求。

2）在相同赤泥摻量下，試件的彈性模量會隨著赤泥與熟石灰比例的增加而減小，試件彈性模量最高可達15.08 MPa。在相同赤泥與熟石灰的比例下，赤泥摻量越少，曲線在破壞階段的應變硬化特征越明顯，且曲線在達到峰值應力后的下降幅度越大。

3）氣泡在RM-FLS 試件內部分布較為均勻，氣泡壁厚度均勻。試件內部的開裂發(fā)生在較大氣泡的氣泡壁。

4）兩種填筑方式在重力作用下路基的沉降量差別不大。RM-FLS 填筑體路基頂面在重力作用下出現了豎向應力分布不均勻的現象。在35 kPa 均布荷載作用下，兩種填筑方式的最大沉降量分別為22.4、16.8 cm，RM-FLS 填筑路基頂面的整體性較好，未出現豎向位移集中現象。RM-FLS 填筑體內部豎向應力分布較為均勻。RM-FLS 填筑體在第7 層填筑體邊緣處對周圍填土的水平應力較大，出現了應力集中現象。