復摻改性拜耳法赤泥填筑路基力學特性試驗研究

王亞奇，饒軍應，彭 浩，趙昌杰，孔德禹

(貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

隨著我國工業(yè)體系的發(fā)展和完善，各領域?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、處理問題日益突出。赤泥是在制備氧化鋁時從鋁土礦中產(chǎn)生的一種工業(yè)固廢[1]，據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生的工業(yè)廢棄赤泥約1億t，并且逐年增長，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，而且后期的維護成本昂貴。另一方面過多的赤泥堆積，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要求，必須對其物理、力學性能進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改良能提高拜耳法赤泥的強度和水穩(wěn)定性[9]；梁康等利用拜耳法赤泥的堿性對鋼渣活性進行激發(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、力學指標，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，基于正交試驗研究赤泥在鋼渣、水泥、石灰復合摻量改性下的路用力學性能。

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗材料

本次試驗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，經(jīng)水洗后小于0.035mm的顆粒占85%以上，泡水后崩解，其它物理指標見表1。

1.2 試驗內(nèi)容

基于正交試驗方法，以無側(cè)限抗壓強度、泡水后無側(cè)限抗壓強度、回彈模量為考核指標，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特性，正交試驗水平表及方案見表2—3。

表1 拜耳法赤泥物理指標

表2 正交試驗水平表

表3 正交試驗方案表

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 擊實實驗

擊實實驗能夠確定赤泥的最佳含水率與最大干密度，為路基提供壓實標準。本次實驗依據(jù)JTG 3040—2020《公路土工試驗規(guī)程》相關規(guī)定對每組試樣進行擊實驗，各組實驗擊實曲線如圖1所示，其實驗結(jié)果見表4。

表4 正交試驗擊實結(jié)果

圖1 正交試驗組合擊實曲線圖

由表4可知，在9組試驗方案中，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 實驗結(jié)果統(tǒng)計

通過擊實實驗，對各組試樣按其對應的最佳含水率進行試樣制備，分別對每組試樣進行28d無側(cè)限抗壓強度試驗、28d泡水無側(cè)限抗壓強度試驗、回彈模量試驗，其試驗結(jié)果見表5。

2.3 單指標結(jié)果分析

2.3.1無側(cè)限抗壓強度結(jié)果分析

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

由表6極差分析結(jié)果可以看出，影響無側(cè)限抗壓強度的因素順序為石灰摻量、水泥摻量、鋼渣摻量。通過圖2可知，水泥摻量和石灰摻量對無側(cè)限抗壓強度均有促進作用，而鋼渣摻量對強度影響并不明顯。所以，當鋼渣摻量為2%、水泥摻量為4%、石灰摻量為3%時，無側(cè)限抗壓強度值最大，其最優(yōu)水平組合為A1B3C3。

表5 正交試驗結(jié)果統(tǒng)計

表6 無側(cè)限抗壓強度極差分析結(jié)果

圖2 各因素無側(cè)限抗壓強度趨勢圖

2.3.2泡水無側(cè)限抗壓強度

將養(yǎng)護成形的試件，浸水28d后測試各組試件的抗壓強度，其極差分析見表7。

從表7可以看出，影響泡水抗壓強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度最優(yōu)組合一致。

表7 泡水無側(cè)限抗壓強度極差分析結(jié)果

圖3 各因素泡水無側(cè)限抗壓強度趨勢圖

2.3.3回彈模量結(jié)果分析

回彈模量是反應材料抵抗變形的能力，常作為路基的剛度指標。實驗按照JTG 3040—2020，采用杠桿壓力法進行測試，改性赤泥的回彈模量根據(jù)平行試驗取平均值，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，對回彈模量影響性分析，當鋼渣摻量為3%、水泥摻量為4%、石灰摻量為3%時，回彈模量最大，其最優(yōu)的水平組合為A2B3C3。

2.4 方差分析

對各指標進行方差分析，其結(jié)果見表9。

表9 方差分析

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

2.5 綜合分析

由正交試驗的結(jié)果可知，赤泥在經(jīng)改性后，抗壓強度與回彈模量相較于原狀赤泥提升顯著，通過對各項指標的正交試驗結(jié)果進行分析，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，抗壓強度與泡水抗壓強度最優(yōu)水平組合一致，而鋼渣摻量對回彈模量影響較抗壓強度顯著，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反應生成穩(wěn)定的CaCO3，極大的提高了赤泥的密實度，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，說明未完全水化的鋼渣并沒有充分填充孔隙，并不能有效黏結(jié)赤泥顆粒，無法發(fā)揮鋼骨架支撐作用，從而導致改性赤泥的水穩(wěn)定性較差。

3 結(jié)論

(1)通過擊實試驗發(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)石灰摻量對改性赤泥的抗壓強度影響顯著，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，在用作路基填料時可適當增加石灰摻量，并布設合理防水措施，可有效延長路基赤泥基填料的耐久性。

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