養護齡期對赤泥基泡沫輕質土性能的影響研究

中圖分類號：U418.5 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.002文章編號：1673-4874（2025）04-0005-04

0 引言

赤泥是鋁工業生產過程中產生的固體廢棄物，其堆存不僅占用土地，還可能對周邊環境造成危害。因此，赤泥的資源化利用已成為當前研究的熱點領域之一。

泡沫輕質土作為一種新型輕質材料，由膠凝材料和泡沫組成，因在工程領域具有顯著的輕質性、易流動性、自硬性等優勢，廣泛應用于高速公路等基礎設施建設中[1]。成浩等[2]利用拜耳法赤泥替代水泥制赤泥基泡沫輕質土，研究表明赤泥基泡沫輕質土作為一種新型固廢基輕質路基填料，其流動性和無側限抗壓強度均滿足設計要求。高玉慧3的研究發現赤泥基泡沫輕質土道路在基建中能有效降低建設成本。劉雪雨等4基于強度需求與經濟效益設計了多組赤泥基泡沫輕質土配合比，研究發現赤泥摻量為 40% ，且赤泥：熟石灰為 3：1 時性能最佳。

綜上所述，利用赤泥可以制備出性能優良的泡沫輕質土，并且有助于解決赤泥的處置難題，實現資源的循環利用。但目前在赤泥基泡沫輕質土研究方面，養護條件對其性能影響的探究仍相對較少。因此，本文分析了不同養護齡期對赤泥基泡沫輕質土抗壓強度、吸水率和干濕循環性能的影響規律，詳細分析其抗壓強度的變化趨勢、體積吸水率的變化特征以及在不同干濕循環條件下的耐久性能表現，研究成果可為赤泥基泡沫輕質土在相關工程中的應用提供參考依據。

1原材料及試驗方法

1.1 原材料

赤泥為廣西信發鋁電有限公司靖西堆場的拜耳法赤泥。水泥為市售P.O42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為338m2/kg，比重為3100 kg/m³ 。礦粉為S95級礦粉，密度為2.89 kg/m³ ，比表面積為447 m²/kg₀ 鋼渣微粉選自廣西源盛礦渣綜合利用有限公司，其比表面積為4 50m²?kg^-1 。脫硫石膏購自靈壽博恒礦產品公司，外觀為微黃色，密度為 2.329/cm³ 。發泡劑選用高分子復合型發泡劑，最佳稀釋倍數為 1：80 ，采用物理發泡法制備氣泡群。

1.2 試驗方法

1.2.1試件制備和養護

按照設計配合比稱取所需的赤泥、水泥和水；將膠凝材料和水加入攪拌機中攪拌均勻，制成混合漿體；隨后按最佳稀釋倍數制備發泡液，并采用發泡機制得泡沫；接著根據設計配合比向攪拌機中加入相應體積的泡沫，攪拌均勻后即制備得到赤泥基泡沫輕質土拌和物，同時測量拌和物的濕密度，滿足設計濕密度要求后，即可將混合漿體倒入 100mm×100mm×100mm 的三聯立方試模中，用薄膜覆蓋保水養護1d后再脫模；最后用塑料袋對試樣進行密封，存放于標準養護室內養護至對應齡期。

1.2.2無側限抗壓強度試驗

本研究選用WAW-60O微機控制電液伺服萬能試驗機，測量各配合比、齡期下的試樣無側限抗壓強度，加載速率設為 21×N/s ，每組取3個平行試樣，取其平均值作為該組別泡沫輕質土的無側限抗壓強度。

1.2.3體積吸水率試驗

歐孝奪等5研究表明，泡沫輕質土泡水前4d的含水率增長較快，后續增長緩慢，到30d時基本達到穩定值。因此，本研究各組試樣完全浸沒于去離子水 （20° ）中30d，測試結束后記錄各試樣的質量。各試樣體積吸水率按式（1）計算，測重前需用濕抹布快速擦拭試樣表面，去除表面水分，每組試樣的體積吸水率取3個試樣體積吸水率的平均值，最后根據測得數據繪制不同養護齡期赤泥基泡沫輕質土的體積吸水率變化圖。

式中： VA ——試件體積吸水率/ % ：

V₀ -試驗前試件體積/ m³ ：m_i 業 浸泡30d后試件質量/kg；m₀ 試驗前試件質量/ ^′kg ρ_w 水密度，取 1000kg/m³ 。

1.2.4干濕循環試驗

干濕循環試驗主要評價試樣的水穩定性，即測試試件經過水的侵蝕后性能的劣化程度。在本研究中，干濕循環試驗包括大溫差干濕循環和小溫差干濕循環，以模擬試樣在極端條件和常規條件下的水穩定性。大溫差干濕循環試驗參考《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》（GB一T11969）方法進行，每次大溫差干濕循環試驗包括48h干循環 （60±5° 和24h濕循環 （20±5° ）條件，每組取3個試樣，每個試樣均進行5次干濕循環試驗，并取3個試樣的平均值作為試驗結果。根據周然等研究，路基的溫度最高通常 ?30% ，故在小溫差干濕循環試驗中，干循環階段烘箱溫度設置在 30^°C 左右。干濕循環試驗的折減系數為經歷干濕循環后試樣的抗壓強度與試樣相應齡期的抗壓強度的比值。

2 配合比設計

參考文獻[7-9中的協同互補利用理念，本研究采用高爐礦渣、鋼渣和脫硫石膏對赤泥進行協同利用，并以少量水泥作為固化劑，用于制備多固廢協同激發赤泥的泡沫輕質土材料。本次研究赤泥基泡沫輕質土選用的設計濕密度為 1000kg/m³ ，配合比為水泥 15% 、礦渣 18% 、脫硫石膏 3% 、鋼渣粉 6% 和赤泥 58% 。

3試驗結果及分析

3.1 抗壓強度

圖1顯示了不同齡期赤泥基泡沫輕質土的抗壓強度試驗結果。

圖1不同齡期赤泥基泡沫輕質土的抗壓強度柱狀圖

由圖1可知，赤泥基泡沫輕質土的無側限抗壓強度隨著養護齡期的增加而增加。在養護28d前，赤泥基泡沫輕質土的無側限抗壓強度增長較快，7d無側限抗壓強度可達28d的76. 2% ，14d無側限抗壓強度可達28d的91.4% ，表明赤泥基泡沫輕質土具有較高的早期強度。這主要得益于赤泥和脫硫石膏在溶解后提高了赤泥基泡沫輕質土中拌和物中 A1O₂^- 和 SO₄^2- 的濃度，促進了材料水化過程中鈣礬石快速且持續地生成[1]，而鈣礬石通常有助于促進材料早期強度的發展[11]。值得注意的是，在養護28d后，赤泥基泡沫輕質土的無側限抗壓強度依舊呈緩慢增長態勢，在60d時，其無側限抗壓強度比28d提高了0.18 MPa ，90d時僅提高了0.15 MPa_c ，這是因為赤泥能夠持續釋放堿性物質[12]，為赤泥基泡沫輕質土中的礦渣、鋼渣提供堿性環境，在長期養護過程中，其活性不斷地被激發，持續進行水化反應，生成水化凝膠，最終促進了赤泥基泡沫輕質土強度增長。

為了進一步分析赤泥基泡沫輕質土的齡期和無側限抗壓強度之間的關系，本研究采用Origin軟件對不同齡期赤泥基泡沫輕質土的無側限抗壓強度測試結果進行了數據擬合，結果如圖2所示。

圖2不同齡期赤泥基泡沫輕質土的抗壓強度擬合曲線圖

由圖2可知，通過Origin數據擬合發現兩者呈現對數型增長趨勢，擬合關系式為 y=0.286In（x）+0.889 ，決定系數 R² 達到了 0.984 。在工程實踐中，采用該擬合關系可以很好地預測赤泥基泡沫輕質土在90d內無側限抗壓強度增長值。

3.2 體積吸水率

如圖3所示為不同齡期赤泥基泡沫輕質土的體積吸水率試驗結果。

圖3不同齡期赤泥基泡沫輕質土的體積吸水率柱狀圖

由圖3可知，隨著養護齡期的增長，赤泥基泡沫輕質土的體積吸水率呈現下降趨勢，其體積吸水率由6. 13% 下降到 5.89% 。在養護28d之前，赤泥基泡沫輕質土體積吸水率受齡期的影響較大，從7d齡期到28d齡期，其體積吸水率下降了 0.21% ；而在養護齡期達到28d之后，赤泥基泡沫輕質土體積吸水率變化較小，從28d齡期到90d齡期，其體積吸水率僅下降了 0.03% 。這可能是因為在養護的初期，赤泥基泡沫輕質土的水化反應不完全，形成的氣泡孔壁完整性和密實性不足，導致氣泡容易被水滲透。而在養護齡期達到28d時，赤泥基泡沫輕質土的水化反應已較為充分，其氣泡孔壁的完整性和密實性可能有明顯的提高，不易被水滲透，故延遲養護齡期無法再有效地降低赤泥基泡沫輕質土體積吸水率。總體而言，延長赤泥基泡沫輕質土的養護齡期在降低體積吸水率方面具有一定的有益效果，但這種增益是不明顯的。

3.3 干濕循環性能

3.3.1小溫差干濕循環

如圖4所示為28d和90d齡期的赤泥基泡沫輕質土在小溫差干濕循環條件下的試驗結果。

由圖4可知，在小溫差干濕循環條件下，經歷5次、10次、15次干濕循環后，28d和90d齡期的赤泥基泡沫輕質土的無側限抗壓強度分別為 1.81MPa，1.79MPa 1.75MPa和1.99MPa、1.96MPa、1.92MPa，對應的干濕循環折減系數分別0.978、0.968、0.946和0.990、0.975、0.955。這表明即使在經歷了15次干濕循環作用，赤泥基泡沫輕質土強度折減系數仍然大于0.9，意味著其具有良好的水穩定性能。此外，赤泥基泡沫輕質土越遲受到干濕循環作用的影響，其耐水穩定性能越好，這是因為隨著齡期的增長，赤泥基泡沫輕質土的摻合料能夠持續進行水化反應，不斷提高材料骨架結構的密實性，從而減少水分的滲透。總體而言，小溫差干濕循環反映的赤泥基輕質土在路用中受到溫度影響的性能變化情況，表明赤泥基輕質土在實際應用時將具有良好的耐久性能。

3.3.2大溫差干濕循環

如圖5所示為28d和90d齡期的赤泥基泡沫輕質土在大溫差干濕循環條件下的試驗結果。

圖5赤泥基泡沫輕質土的大溫差干濕循環性能試驗結果柱狀圖

圖4赤泥基泡沫輕質土的小溫差干濕循環性能試驗結果曲線圖

由圖5可知，在大溫差干濕循環條件下，經歷5次干濕循環后，赤泥基泡沫輕質土的無側限抗壓強度明顯下降，對應養護齡期為28d和90d的赤泥基泡沫輕質土的抗壓強度分別由1.85MPa和2.01MPa下降至1.33 MPa 和1.38 MPa ，對應的強度折減系數分別為0.72和0.69。這表明大溫差干濕循環作用對赤泥基泡沫輕質土的性能有顯著影響。對比不同齡期的赤泥基泡沫輕質土可以看出，齡期更大的赤泥基泡沫輕質土強度下降更明顯，這是由于齡期更高的赤泥基泡沫輕質土的骨架結構更密實，在干濕循環作用下骨架內部未參與水化反應的部分水分受熱氣化，產生熱膨脹作用，使得原本密實的骨架產生微裂縫。相比之下，28d齡期的赤泥基泡沫輕質土的骨架結構密實程度較低，內部的水分受熱后通過骨架中的孔隙向外蒸發。總體而言，盡管赤泥基泡沫輕質土受大溫差干濕循環作用的影響較大，但其無側限抗壓強度仍然可以滿足高等級公路輕質路基強度要求。此外，已有研究表明，路基的溫度最高通常 ?30? ，因此在實際應用過程中很難出現大溫差干濕循環這種極端條件。

4結語

本文分析了不同養護齡期對赤泥基泡沫輕質土抗壓強度、吸水率和干濕循環性能的影響規律，主要得出以下結論：

（1）隨著養護齡期增長，赤泥基泡沫輕質土的力學性能呈現線性趨勢增加，其強度由7d時的1.41MPa增長至28d時的1.85 MPa， 。在28d后，赤泥基泡沫輕質土的無側限抗壓強度仍在緩慢地增長，至90d時強度增長至2.18 MPa。

（2）赤泥基泡沫輕質土體積吸水率隨著養護齡期增加呈下降趨勢，養護28d前受齡期影響大，7d到28d下降0.21% ；28d后變化較小，28d到90d僅下降 0.03% 。故延長赤泥基泡沫輕質土的養護齡期在降低體積吸水率方面具有一定的有益效果。

（3）在小溫差干濕循環條件下，延長養護齡期有助于提高赤泥基泡沫輕質土的抗干濕循環性能，即養護齡期越大耐水穩定性能越好。在極端的大溫差干濕循環條件下，其性能雖顯著下降，但仍滿足高等級公路輕質路基強度要求。

參考文獻

[1]曹越.泡沫輕質土在高速公路路基施工中的研究與應用[J].上海公路，2024（3）：135-139，208

[2]成浩，楊騰宇，丁思尹.拜耳法赤泥基泡沫輕質土的力學性能及應用研究[J].新型建筑材料，2022，49（12）：51-56.

[3]高玉慧.赤泥基泡沫輕質土在道路基建中的應用實踐[J].四川水泥，2024（12）：230-232.

[4]劉雪雨，周國印，孔曉光，等.新型赤泥基泡沫輕質土材料性能及應用LJ].鐵道建筑，2023，63（10）：118-123.

[5]歐孝奪，彭遠勝，莫鵬，等.摻鋁土尾礦泡沫輕質土的物理力學及水力特性研究[J].材料導報2020，34（增刊1）：241-245

[6]周然，周力強.基于實測溫濕度場的路基頂面回彈模量研究[J]湖南交通科技，2025，51（1）：11-16.

[7]張健，王川，李召峰，等.赤泥基綠色高性能注漿材料工程特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2022，41（增刊2）：3339-3352

[8]張健.赤泥協同多源固廢制備注漿材料組成設計、水化機理與性能調控[D].濟南：山東大學，2021.

[9]林嘉昇.拜耳法赤泥基泡沫輕質土配合比設計及在路基工程的應用研究[D].廣州：廣州大學，2021.

[10]彭家惠，樓宗漢.鈣釩石形成機理的研究[J].硅酸鹽學報，2000，28（6）：511-515.

[11]Ma F，Chen L，Lin Z，et al.Microstructureand Key Properties ofPhosphogypsum- Red Mud- Slag Composite CementitiousMaterials[J].Materials，2022，15（17） ：6096.

[12]Lyu Z，LiY，FanM，etal.Analysisof calcined redmud propertiesandrelatedmortarperformances_JJ.FluidDynamicsamp;MaterialsPro-cessing，2024，20（5）：901-913.