尾礦制備氣泡混合輕質(zhì)土的力學(xué)與抗凍性能研究

段龍飛，劉赫然，房澤志，于海洋，孔 寧，王聿梁，王 林，孫仁娟

(1.山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院，濟(jì)南 250000；2.三東筑工有限公司，德州 253000； 3.山東高速巖土科技有限公司，濟(jì)南 250000；4.煙臺(tái)市瑞凱環(huán)保材料有限公司，煙臺(tái) 264000)

0 引 言

氣泡混合輕質(zhì)土是用水泥基膠凝材料、水及其他摻合料、外加劑等按一定質(zhì)量比例并與發(fā)泡劑水溶液制備的泡沫攪拌混合均勻，經(jīng)硬化形成的一種新型輕質(zhì)多孔水泥基材料，具有輕質(zhì)性、強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性、良好的流動(dòng)性等特點(diǎn)[1]。將氣泡混合輕質(zhì)土用于路基填筑材料，不僅可以減輕填土自重、消除新舊路基的不均勻沉降[2]，還可以實(shí)現(xiàn)軟管泵送，便于澆筑施工[3]。研究[4]表明，水泥行業(yè)能源消耗占我國(guó)能源消耗總量的5%左右，顆粒排放量占工業(yè)排放總量的32%，CO2排放量占總量的15%。目前國(guó)內(nèi)外研究中為減少水泥用量，多采用粉煤灰、礦渣、硅灰等工業(yè)固廢物取代部分水泥制備氣泡混合輕質(zhì)土[5-7]。

尾礦是工業(yè)固廢物的一種，大部分尾礦含有80%以上的硅鋁氧化物等成分，其組分與許多工業(yè)建筑材料相似[8]。尾礦的堆積會(huì)占用大量土地，有研究團(tuán)隊(duì)[9]曾對(duì)中國(guó)的5 189個(gè)尾礦庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)這些尾礦庫(kù)累計(jì)占用土地面積約為1 884 km2，平均海拔高達(dá)699 m。張肖艷等[10]研究發(fā)現(xiàn)適量鐵尾礦粉的摻入有助于改善C40混凝土的力學(xué)、抗凍和抗?jié)B性能；樸春愛(ài)等[11]研究發(fā)現(xiàn)鐵尾礦粉有助于提高混凝土的抗氯離子滲透性和抗凍性，但會(huì)對(duì)抗碳化能力產(chǎn)生不利影響；范定強(qiáng)等[12]研究發(fā)現(xiàn)超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度隨鉛鋅尾礦摻量的增加而降低，摻量小于30%時(shí)強(qiáng)度降幅較??；Esmaeili等[13]研究發(fā)現(xiàn)銅尾礦以15%的質(zhì)量比例取代水泥將對(duì)混凝土的力學(xué)及抗氯離子滲透性能改善效果最佳；Kathirvel等[14]研究發(fā)現(xiàn)石墨尾礦以40%的質(zhì)量比例取代河砂仍能提高砂漿和混凝土的強(qiáng)度及抗?jié)B透性。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于尾礦在混凝土中的應(yīng)用研究較多，而對(duì)于其在氣泡混合輕質(zhì)土中的應(yīng)用研究較少。

為了減少尾礦堆存和水泥工業(yè)帶來(lái)的能耗及污染問(wèn)題，降低制備成本，本文采用尾礦取代部分水泥制備氣泡混合輕質(zhì)土，研究濕密度和尾礦摻量對(duì)輕質(zhì)土力學(xué)和抗凍性能的影響，并分析尾礦對(duì)輕質(zhì)土內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)的影響，為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用山水水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3 100 kg/m3，主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)Table 1 Main properties of Portland cement

尾礦采用山東某金礦生產(chǎn)的尾礦砂，細(xì)度模數(shù)為1.9，表觀密度為2 680 kg/m3。主要化學(xué)組成如表2所示，級(jí)配曲線如圖1所示，XRD譜如圖2所示。

表2 尾礦的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of tailings

發(fā)泡劑采用煙臺(tái)某公司生產(chǎn)的復(fù)合型物理發(fā)泡劑，稀釋倍率為50倍，泡沫密度為30～40 kg/m3。

1.2 試驗(yàn)方法

參照CECS 249—2008《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程(附條文說(shuō)明)》規(guī)定的方法進(jìn)行試件制備和養(yǎng)護(hù)，試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm的立方體。參照GB/T 11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》規(guī)定的方法進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗凍性試驗(yàn)。其中抗凍性試驗(yàn)是先將養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的試件浸入(20±5) ℃恒溫水槽中,48 h后取出測(cè)定初始抗壓強(qiáng)度，再將試件置于(-20±2) ℃冰柜中凍6 h,放入(20±5) ℃恒溫水槽中融化5 h作為一次凍融循環(huán)，循環(huán)30次為止，其中每隔5次測(cè)定其抗壓強(qiáng)度。氣孔結(jié)構(gòu)觀測(cè)是先利用普通光學(xué)顯微鏡對(duì)試件截面進(jìn)行圖像采集，再利用Image-Pro-Plus圖像處理軟件計(jì)算孔徑、孔隙率和圓度值[15]。

圖1 尾礦的級(jí)配曲線Fig.1 Gradation curve of tailings

圖2 尾礦的XRD譜Fig.2 XRD pattern of tailings

1.3 試驗(yàn)配比

以輕質(zhì)土漿體流動(dòng)度達(dá)到160～200 mm為設(shè)計(jì)指標(biāo)，探討濕密度和尾礦摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響，共設(shè)計(jì)15組配合比如表3所示，各配比下的實(shí)測(cè)流動(dòng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。為便于工程應(yīng)用，濕密度取600 kg/m3(D600)、700 kg/m3(D700)、800 kg/m3(D800)；尾礦摻量(尾礦占水泥和尾礦總質(zhì)量的百分比)取0%、15%、30%、45%、60%。參照CJJ/T 177—2012《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的方法進(jìn)行配合比計(jì)算。

表3 氣泡混合輕質(zhì)土配合比Table 3 Mix proportion of foamed mixture lightweight soil

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

圖3為濕密度對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響曲線。隨著濕密度增加，輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，0%尾礦摻量下，濕密度為600 kg/m3和800 kg/m3的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度分別為2.30 MPa和4.10 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)78%；60%尾礦摻量下，二者抗壓強(qiáng)度分別為0.30 MPa和0.77 MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)157%。這是因?yàn)闈衩芏鹊脑黾右馕吨嘤昧吭龆?，隨著水泥水化的進(jìn)行，生成了更多的C-S-H凝膠和氫氧化鈣等水化產(chǎn)物，導(dǎo)致單位體積的漿體中固相體積增多、液相體積減少，原本被液相占據(jù)的空間逐步被固相取代，固相間相互搭接，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實(shí)，孔隙減少，強(qiáng)度也隨之增加。

圖4為尾礦摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響曲線。輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度隨尾礦摻量增加逐漸降低，且隨濕密度增加下降趨勢(shì)有所減緩。由CJJ/T 177—2012《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定可知，當(dāng)輕質(zhì)土強(qiáng)度等級(jí)大于0.80 MPa時(shí)，可用于不同等級(jí)公路下不同路基部位填筑材料。當(dāng)尾礦摻量達(dá)到30%時(shí)，600 kg/m3、700 kg/m3、800 kg/m3的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度分別為0.99 MPa、1.60 MPa、2.53 MPa，相比未摻尾礦的輕質(zhì)土強(qiáng)度分別下降約57%、48%、38%，但均滿足路基填筑強(qiáng)度要求，即28 d抗壓強(qiáng)度不低于0.80 MPa；當(dāng)尾礦摻量達(dá)到45%時(shí)，700 kg/m3和800 kg/m3濕密度的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度分別為0.97 MPa和1.40 MPa，相比未摻尾礦的輕質(zhì)土強(qiáng)度分別下降約69%和66%，仍能滿足路基填筑強(qiáng)度要求。這主要是因?yàn)槲驳V的摻入降低了水泥用量，導(dǎo)致水化產(chǎn)物減少，成品強(qiáng)度降低。同時(shí)，隨著尾礦摻量增加，泡沫用量亦呈增加趨勢(shì)，孔隙率呈增大趨勢(shì)，導(dǎo)致強(qiáng)度進(jìn)一步降低。根據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)用于路基填筑材料時(shí)，濕密度為700 kg/m3和800 kg/m3的輕質(zhì)土尾礦摻量不宜大于45%，濕密度為600 kg/m3的輕質(zhì)土尾礦摻量不宜大于30%。此外，氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度和尾礦摻量之間具有顯著的線性關(guān)系，且密度越大其線性相關(guān)系數(shù)越高。R2是回歸曲線的擬合優(yōu)度，三條曲線的R2均大于0.96，說(shuō)明回歸曲線對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好。

圖3 濕密度對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effects of wet density on compressive strength of foamed mixture lightweight soil

圖4 尾礦摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effects of tailings content on compressive strength of foamed mixture lightweight soil

圖5為尾礦摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土水化熱的影響曲線。隨著尾礦摻量的增加，輕質(zhì)土的水化放熱速率和累積放熱量逐漸下降，表示漿體里參與水化反應(yīng)的膠凝材料逐漸減少，最終導(dǎo)致強(qiáng)度逐漸降低。這與圖4抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步揭示了氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度隨尾礦摻量增加而降低的規(guī)律。

圖5 尾礦摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土水化熱的影響Fig.5 Effect of tailings content on hydration heat of foamed mixture lightweight soil

2.2 抗凍性能

為探究不同濕密度等級(jí)對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土抗凍性的影響，選取尾礦摻量為30%,濕密度分別為700 kg/m3和800 kg/m3的輕質(zhì)土進(jìn)行研究，即表3中08組和13組，結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可知，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，不同濕密度下輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，且下降趨勢(shì)隨濕密度增加而減緩。經(jīng)過(guò)30次凍融循環(huán)，700 kg/m3和800 kg/m3濕密度的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度分別為1.33 MPa和2.36 MPa，相比于初始抗壓強(qiáng)度分別下降9.9%和4.1%。由圖6(b)可知，在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，800 kg/m3濕密度的輕質(zhì)土強(qiáng)度比波動(dòng)較小，且均在94%以上，抗壓強(qiáng)度損失率最大值為5.3%，抗凍性能較好；而700 kg/m3濕密度下輕質(zhì)土強(qiáng)度比波動(dòng)較大，凍融10次后強(qiáng)度比達(dá)到最低，為85.9%，即強(qiáng)度損失率最大值為14.1%，但此時(shí)輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度為1.30 MPa，仍能滿足路基填筑強(qiáng)度要求。圖6表明隨著密度的降低，輕質(zhì)土的抗凍融循環(huán)性能下降，這主要是因?yàn)槊芏鹊慕档蛯?dǎo)致膠凝材料減少，水化產(chǎn)物減少，單位體積下固相減少、液相增多，輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙率增大、孔壁變薄，從而導(dǎo)致抗凍性能降低。

圖6 濕密度對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土抗凍性能的影響Fig.6 Effect of wet density on frost resistance of foamed mixture lightweight soil

為探究不同尾礦摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土抗凍性能的影響，選取濕密度為700 kg/m3，尾礦摻量分別為0%、15%、30%、45%的輕質(zhì)土進(jìn)行研究，即表3中06～09組，結(jié)果如圖7所示。由圖7(a)可知，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，未摻尾礦的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度整體上呈下降趨勢(shì)，摻入尾礦的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度整體上呈先下降后上升的趨勢(shì)，在10次循環(huán)后抗壓強(qiáng)度到達(dá)最低值，此時(shí)尾礦摻量0%、15%、30%、45%的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度分別為2.63 MPa、1.89 MPa、1.16 MPa、0.93 MPa，相比初始強(qiáng)度分別降低8.4%、14.1%、14.1%、10.6%，表明在凍融循環(huán)前期尾礦對(duì)輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響較大。這主要是因?yàn)殡S著浸水和齡期的增長(zhǎng)，水泥繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，而尾礦摻入后水泥用量減少，泡沫用量增加，孔隙率增大，吸水率增大，內(nèi)部水分結(jié)冰后體積膨脹破壞孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致強(qiáng)度損失，當(dāng)水泥水化所帶來(lái)的強(qiáng)度增長(zhǎng)小于凍脹水壓力導(dǎo)致的強(qiáng)度損失時(shí)，輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度整體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。隨著水泥水化進(jìn)行，以及尾礦中可能存在活性物質(zhì)在堿性環(huán)境下發(fā)生火山灰反應(yīng)，二者共同促進(jìn)輕質(zhì)土強(qiáng)度增長(zhǎng)，甚至在10～15次凍融循環(huán)中抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。同時(shí)由圖7(b)可知，不同尾礦摻量下輕質(zhì)土強(qiáng)度比均在85%以上，即強(qiáng)度損失率均在15%以內(nèi)，這表明氣泡混合輕質(zhì)土具有良好的抗凍性能，且不同凍融循環(huán)次數(shù)下抗壓強(qiáng)度均大于0.80 MPa，滿足路基填筑強(qiáng)度要求。

2.3 氣孔結(jié)構(gòu)

氣孔是氣泡混合輕質(zhì)土的主要構(gòu)成部分，除基體材料屬性外氣孔結(jié)構(gòu)對(duì)輕質(zhì)土各方面性能均有較大影響。為探究尾礦對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)的影響，選取濕密度為700 kg/m3，尾礦摻量分別為0%、15%、30%的輕質(zhì)土進(jìn)行觀測(cè)，相同放大倍率下利用普通光學(xué)顯微鏡采集的氣孔結(jié)構(gòu)圖像如圖8所示，利用圖像處理軟件分析的氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖9所示。由圖8可以直觀地看出未摻尾礦的輕質(zhì)土內(nèi)部氣孔分布均勻，大孔和連通孔較少，而尾礦的摻入增加了大孔和連通孔數(shù)量，孔圓度有所下降。由圖9可知，氣泡混合輕質(zhì)土孔隙率、平均孔徑和圓度值均隨尾礦摻量成正相關(guān)，其中圓度值越接近1表明圓度越好。相比于未摻尾礦的輕質(zhì)土，當(dāng)尾礦摻量達(dá)到30%時(shí)，輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙率增大3.58%、平均孔徑增大16.7%、圓度值增加7.4%，表明尾礦會(huì)對(duì)輕質(zhì)土內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。這主要是因?yàn)橥幻芏鹊燃?jí)的氣泡混合輕質(zhì)土，膠凝材料和水用量隨著尾礦摻量增加而減少，泡沫用量則隨之增多，直接導(dǎo)致孔隙率增大。同時(shí)，相比于膠凝材料，尾礦顆粒表面較粗糙，增大了水泥漿體內(nèi)的摩擦力，在機(jī)械攪拌作用下，會(huì)改變泡沫液膜的表面張力，使其發(fā)生破裂和合并，不僅增大了輕質(zhì)土的平均孔徑，也容易生成更多的連通孔，降低孔的圓度，故而會(huì)對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度和凍融循環(huán)前期產(chǎn)生不利影響。

圖7 尾礦摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土抗凍性能的影響Fig.7 Effect of tailings content on frost resistance of foamed mixture lightweight soil

圖8 不同尾礦摻量下氣泡混合輕質(zhì)土氣孔結(jié)構(gòu)圖像Fig.8 Pore structure images of foamed mixture lightweight soil with different tailings content

圖9 尾礦摻量對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響Fig.9 Effect of tailings content on pore structure parameters of foamed mixture lightweight soil

3 結(jié) 論

(1)氣泡混合輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度隨濕密度增加而升高，隨尾礦摻量增加而降低，且抗壓強(qiáng)度與尾礦摻量呈線性相關(guān)。當(dāng)尾礦摻量達(dá)到45%時(shí)，濕密度為700 kg/m3和800 kg/m3，的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度分別為0.97 MPa和1.40 MPa，相比未摻尾礦的輕質(zhì)土強(qiáng)度分別下降約69%和66%，仍能滿足路基填筑強(qiáng)度要求。

(2)提高濕密度等級(jí)有助于改善氣泡混合輕質(zhì)土的抗凍性能，減少凍融強(qiáng)度損失。經(jīng)過(guò)30次凍融循環(huán)，30%尾礦摻量下濕密度為700 kg/m3和800 kg/m3的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度損失率分別為14.1%和5.3%。

(3)尾礦制備氣泡混合輕質(zhì)土具有良好的抗凍性能。濕密度為700 kg/m3，尾礦摻量為0%～45%的輕質(zhì)土在30次凍融循環(huán)中的抗壓強(qiáng)度損失率均在15%以內(nèi)，且抗壓強(qiáng)度均大于0.80 MPa。

(4)尾礦的摻入導(dǎo)致輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙率和平均孔徑增大，孔圓度降低。相比于未摻尾礦的輕質(zhì)土，當(dāng)尾礦摻量達(dá)到30%時(shí)，孔隙率增大3.58%,平均孔徑增大16.7%,圓度值增加7.4%。