赤泥基應(yīng)用于路基半剛性基層材料性能實驗研究

張 云 陳 偉 陳 瀟

(1.山西云泉巖土工程科技股份有限公司,山西 陽泉 045000; 2.武漢理工大學(xué),湖北 武漢 430070)

赤泥是一類排放量大、處置成本高、大規(guī)模資源化利用難度大、對環(huán)境影響嚴(yán)重的大宗工業(yè)固體廢棄物。赤泥的利用和處理方式：一是一些發(fā)達(dá)國家大批量將赤泥排入深海；二是絕大多數(shù)國家仍然采用建庫露天濕法堆存。赤泥中的堿含量大而且難以脫除，且赤泥中含有氟離子及放射性元素，因此對赤泥的安全、低耗和無害化利用一直舉步維艱。利用赤泥基混凝土作為公路路基填筑材料既能消納赤泥，又能減少二次污染的問題。

1 赤泥基路基半剛性基層材料的技術(shù)要求

赤泥基作為路基半剛性基層材料，其性能必須滿足強(qiáng)度與變形要求。參照J(rèn)TG D50—2006公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[1]、JTG/T F20—2015公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則[2]，對赤泥基半剛性基層材料技術(shù)指標(biāo)提出如下要求：

1)力學(xué)性能：參照高速公路和一級公路重交通道路進(jìn)行取值(見表1)，赤泥基半剛性基層(含碎石)的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在4.0 MPa～6.0 MPa之間[3]，赤泥基半剛性底基層(不含碎石)的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在2.0 MPa～4.0 MPa之間。

表1 JTG/T F20—2015中水泥穩(wěn)定材料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn) MPa

2)抗凍性能：殘留抗壓強(qiáng)度比(5次凍融循環(huán))不小于70%。

3)抗沖刷性能：具有較好的抗沖刷性能。

4)干縮特性：具有較低的干縮系數(shù)。

2 赤泥基用作路基半剛性基層材料的原理

赤泥基用作路基半剛性基層材料是基于堿激發(fā)、硫酸鹽激發(fā)原理及骨架密實原理等，采用大摻量赤泥、粉煤灰、脫硫石膏等工業(yè)固廢為主要原材料，通過不同配比制成赤泥基半剛性基層材料。用于路基半剛性填筑材料，其基本原理在于：

1)采用赤泥、粉煤灰、脫硫石膏等作為主要原材料，配合少量石粉等激發(fā)材料，制備半剛性基層材料，主要用于底基層施工；采用赤泥、水泥、石灰等作為無機(jī)結(jié)合料，用于穩(wěn)定級配碎石，主要用于基層施工。

2)水泥穩(wěn)定碎石類材料呈現(xiàn)出這樣的一種結(jié)構(gòu)形式：碎石集料中的大顆粒骨料相互搭接形成基本骨架，小顆粒骨料填充于骨架空隙之中，水泥等無機(jī)結(jié)合料的水化產(chǎn)物將這些集料膠結(jié)在一起從而形成強(qiáng)度。由于水泥及細(xì)集料體積不足以填滿骨架之間的空隙，因而水泥穩(wěn)定類材料通常是一種骨架空隙型結(jié)構(gòu)。在膠凝材料中引入赤泥后，材料結(jié)構(gòu)中的空隙被其填充，體系密實度上升，有利于材料強(qiáng)度的提高。但當(dāng)赤泥摻量進(jìn)一步增加時，粗顆粒搭接的骨架被撐開，材料結(jié)構(gòu)由骨架密實型向懸浮密實型轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致強(qiáng)度下降(見圖1)。

3)通過摻入脫硫石膏形成AFt膨脹，從而抑制半剛性基層材料的干縮，提高其抗裂性能。

4)充分利用赤泥中的堿性物質(zhì)堿激發(fā)粉煤灰、礦渣粉中的SiO2,Al2O3等活性物質(zhì)，從而形成強(qiáng)度；同時，利用堿激發(fā)材料所形成的水化產(chǎn)物化學(xué)固化Na+并物理固封重金屬離子；通過摻入自制外加劑，結(jié)構(gòu)重建進(jìn)一步穩(wěn)定/固化重金屬離子。

3 赤泥基半剛性基層材料的路用性能研究

根據(jù)以上原理，我們設(shè)計了基于大摻量赤泥、粉煤灰、脫硫石膏等工業(yè)固廢為主要原材料的赤泥基半剛性基層材料的優(yōu)化配比，并對其力學(xué)性能、抗凍性能、抗沖刷性能以及干縮性能等路基性能進(jìn)行了實驗研究。

3.1 赤泥基半剛性基層材料的力學(xué)性能

用于基層、底基層三大類赤泥基半剛性基層材料的28 d回彈模量、劈裂強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了實驗研究，試驗結(jié)果見表2。

表2 赤泥基半剛性基層材料的力學(xué)性能 MPa

從表2看出：用于底基層的赤泥基半剛性基層材料其28 d回彈模量為900 MPa,28 d劈裂強(qiáng)度為0.45 MPa，已經(jīng)滿足其180 d的力學(xué)性能技術(shù)要求；用于基層的水泥赤泥穩(wěn)定碎石基層材料其28 d回彈模量為1 612 MPa,28 d劈裂強(qiáng)度為0.65 MPa；用于基層的二灰赤泥穩(wěn)定碎石基層材料其28 d回彈模量為1 700 MPa,28 d劈裂強(qiáng)度為0.70 MPa，均滿足了其180 d的力學(xué)性能技術(shù)要求；通過分析赤泥基半剛性基層材料的強(qiáng)度發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，該類材料具有很好的強(qiáng)度發(fā)展率，以底基層為例，28 d抗壓強(qiáng)度的增長率就達(dá)到40%左右。

3.2 赤泥基半剛性基層材料的抗凍與抗沖刷性能

對用于基層、底基層等三類赤泥基半剛性基層材料養(yǎng)生28 d后，抗凍(凍融循環(huán)5次)與抗沖刷性能進(jìn)行了實驗研究，試驗結(jié)果見表3。

表3 赤泥基半剛性基層材料的力學(xué)性能 %

從表3可以看出：赤泥基半剛性基層材料具有優(yōu)良的抗凍性能。無論是用于底基層，還是用于基層，其凍融循環(huán)5次后的強(qiáng)度均高于85%，顯著高于規(guī)范對重冰凍區(qū)域半剛性基層抗凍性要求。

從抗沖刷性能看，赤泥基半剛性基層材料的沖刷質(zhì)量損失率僅為4.23%，而赤泥基穩(wěn)定碎石的沖刷質(zhì)量損失率僅為3.58%和3.71%。圖2與圖3分別為純赤泥壓實體與優(yōu)化配比的赤泥基半剛性底基層材料浸泡水7 d后的狀態(tài)。

3.3 赤泥基半剛性基層材料的干縮性能

分別研究了用于基層、底基層等三類赤泥基半剛性基層材料干燥收縮性能，并同時對比了水泥穩(wěn)定類、二灰穩(wěn)定類基層材料的收縮性能，試驗結(jié)果見圖4(用于底基層)和圖5(用于基層)。

從圖4可發(fā)現(xiàn)：在任何齡期內(nèi)，赤泥基半剛性基層材料(用于底基層)其收縮系數(shù)均小于石灰粉煤灰基層材料，這主要是由于其中的脫硫石膏產(chǎn)生了AFt晶體膨脹，補(bǔ)償了收縮，從而提高了赤泥基半剛性基層材料的抗裂性能。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在任何齡期內(nèi)，赤泥基穩(wěn)定碎石的收縮系數(shù)均小于水泥穩(wěn)定碎石以及二灰穩(wěn)定碎石。

4 結(jié)語

1)基于相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，提出了赤泥基半剛性基層材料的技術(shù)要求；闡明了采用大摻量赤泥、粉煤灰、脫硫石膏等工業(yè)固廢為主要原材料配制赤泥基半剛性基層材料的基本原理：基于堿激發(fā)、硫酸鹽激發(fā)原理及骨架密實原理等；

2)赤泥基半剛性底基層材料、水泥赤泥穩(wěn)定碎石基層材料以及二灰赤泥穩(wěn)定碎石基層材料，其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均達(dá)到水泥穩(wěn)定類底基層、基層的技術(shù)要求；

3)赤泥基半剛性基層材料具有合適的回彈模量、較高的劈裂抗拉強(qiáng)度，強(qiáng)度發(fā)展?jié)摿Υ蟆⒖箖鲂耘c抗沖刷性優(yōu)良、收縮系數(shù)小等技術(shù)優(yōu)點。