赤泥基膠凝材料改良粉砂土性能研究及應(yīng)用

張曉果，楊博，褚付克，常迅夫，侯坤

（1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 451450；2.河南省固廢材料道路工程循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 451450）

0 引言

豫東黃河泛濫地區(qū)的土以粉砂土為主，該土粉粒含量高，級(jí)配較差，塑性指數(shù)低，抗剪強(qiáng)度低，毛細(xì)作用強(qiáng)烈，水穩(wěn)定性較差，為欠固結(jié)堆積土，直接用于高等級(jí)公路的路基填土材料時(shí)，在動(dòng)荷載的作用下，路基容易產(chǎn)生變形、沉陷、失穩(wěn)等破壞[1]。根據(jù)JTG/T 3610—2019《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，粉砂土作為一種特殊的填土材料不宜直接用于填筑路基，需要采取必要的技術(shù)措施進(jìn)行處理，并得到驗(yàn)證后才可以使用，通常采用水泥進(jìn)行土質(zhì)改良，用于路基工作區(qū)的填料。

赤泥是制鋁過(guò)程中排出的污染性工業(yè)廢渣，我國(guó)每年排放量高達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸。由于赤泥堿含量高，雜質(zhì)多且難以脫除，限制了其規(guī)?；肹2]。然而，燒結(jié)法赤泥含有大量的硅酸二鈣等活性成分，具有一定的水化活性，如果進(jìn)行深加工，制備赤泥基膠凝材料，用于改良黃泛區(qū)粉砂土土質(zhì)，實(shí)現(xiàn)路基填土的規(guī)?；?，具有較大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境效益。

本文以燒結(jié)法赤泥、礦渣粉、電石渣、鈦石膏等工業(yè)廢渣為原材料制備赤泥基凝膠材料。以水泥改良粉砂土為對(duì)照組，研究赤泥基膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度、水化速率以及改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及路用性能，全面了解赤泥基膠凝材料及其改良粉砂土的性能，并進(jìn)行實(shí)體工程應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

（1）素土

本試驗(yàn)用粉砂土取自某高速路基取土場(chǎng)，土質(zhì)松散，含砂量大，沒(méi)有粘聚性，液限為31.5%、塑限為25.2%、塑性指數(shù)為6.3%，屬于低液限粉土，土的顆粒分布如表1所示。

表1 素土的顆粒分布

由表1可知，素土中＞0.075 mm顆粒含量只有7.86%。

（2）無(wú)機(jī)結(jié)合料

將燒結(jié)法赤泥、礦渣粉、電石渣、鈦石膏等工業(yè)固廢，經(jīng)過(guò)烘干，混合研磨至比表面積大于450 m2/kg，即得到赤泥基膠凝材料。其中m（燒結(jié)法赤泥）∶m（礦渣粉）∶m（電石渣）∶m（鈦石膏）=40∶30∶15∶15。燒結(jié)法赤泥來(lái)源于中鋁中州鋁業(yè)有限公司，電石渣來(lái)源于平頂山中悅環(huán)?？萍加邢薰?，鈦石膏來(lái)源于龍蟒佰利聯(lián)集團(tuán)股份有限公司，礦渣粉為市售S95級(jí)?；郀t礦渣，各原材料的主要化學(xué)成分如表2所示。水泥采用天瑞水泥P·F32.5水泥。

表2 原材料的主要化學(xué)成分 %

1.2 測(cè)試方法

（1）凝結(jié)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度：按照GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢測(cè)方法》中試驗(yàn)方法測(cè)試初凝與終凝時(shí)間；按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》測(cè)試7、28 d抗壓強(qiáng)度。

（2）土的密度、液限、塑限和CBR：按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試。

（3）赤泥基膠凝材料與水泥改良土的水穩(wěn)系數(shù)和4 h凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)：按照CJ/T 486—2015《土壤固化外加劑》進(jìn)行測(cè)試。

（4）改良土7、28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度：7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照J(rèn)TGE 51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，由于標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，本試驗(yàn)按照以下方法進(jìn)行：改良土試件成型后，在相對(duì)濕度為95%條件下養(yǎng)護(hù)6 d，在清水中浸泡22 d后，測(cè)試其28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土的物理、力學(xué)性質(zhì)

為能夠直觀反映土體顆粒情況，采用熒光顯微鏡對(duì)土樣進(jìn)行100倍放大觀察，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，粉土顆粒均勻集中，砂粒磨圓度較高，黏粒成分較少。顆粒間隙較大，顆粒間的粘聚力就小，難以壓密實(shí)，將其應(yīng)用于工程中易產(chǎn)生滑移，且受雨水沖刷易發(fā)生表面顆粒流失，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

土體的擊實(shí)曲線如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，擊實(shí)曲線大致為開(kāi)口向下的拋物線，隨含水率的增加，干密度先增大后減小，在含水率為11.86%時(shí)達(dá)到最大，為1.82 g/cm3。

依據(jù)JTG E40—2007中承載比試驗(yàn)（CBR）方法，按擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度和最佳含水率配料，按重型擊實(shí)試驗(yàn)方法制樣，結(jié)果如表3所示。

表3 土樣的CBR

由表3可見(jiàn)，黃泛區(qū)粉砂土的CBR值較低，在3.5%左右，低于JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中路床路基填料CBR大于8%的要求，因此粉砂土不宜直接作為路基填料，需要對(duì)其進(jìn)行改良處治。

2.2 膠凝材料性能研究

P·F32.5水泥及赤泥基膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間及抗壓強(qiáng)度如表4所示。

表4 膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度

由表4可見(jiàn)，赤泥基膠凝材料28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到32.8 MPa。表明工業(yè)廢渣的礦物成分可以產(chǎn)生協(xié)同水化作用，表現(xiàn)出一定的水化活性。與P·F32.5水泥相比，赤泥基膠凝材料前期水化活性較低，致使其凝結(jié)時(shí)間是水泥的2倍多，但凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)便于赤泥基膠凝材料處治土施工控制。

為了研究赤泥基膠凝材料的水化效應(yīng)，采用掃描電鏡（SEM）對(duì)比研究了7 d齡期水泥與赤泥基膠凝材料凈漿微觀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

由圖3（a）可以觀察到，硬化水泥漿體中有大量針狀水化產(chǎn)物，這是水泥中的C3A、C2A水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠。由圖3（b）可觀察到，硬化赤泥基膠凝材料漿體中也同樣存在針狀水化產(chǎn)物C-S-H凝膠，但C-S-H凝膠分布密度明顯低于水泥漿體，表明赤泥基膠凝材料具有一定水化活性，但與水泥相比，水化活性要差一些。這也是赤泥基膠凝材料早期膠砂強(qiáng)度比水泥低的原因。

采用TAM Air水泥水化熱測(cè)量?jī)x，在水膠比均為0.5情況下，對(duì)比研究了水泥與赤泥基膠凝材料的水化放熱情況，如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，赤泥基膠凝材料的初始放熱量大于水泥，可能是由于在膠凝材料生產(chǎn)過(guò)程中二水石膏脫水成了半水石膏，赤泥基膠凝材料遇水后，半水石膏快速反應(yīng)，致使水化放

熱速率加快。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，赤泥基膠凝材料水化誘導(dǎo)期比水泥長(zhǎng)，表明赤泥基膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)于水泥。

2.3 膠凝材料穩(wěn)定粉土性能研究

根據(jù)路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對(duì)不同摻量赤泥基膠凝材料和水泥混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)及CBR試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 膠凝材料穩(wěn)定粉土的路用性能

由表5可知，相同摻量時(shí)，赤泥基膠凝材料改良土CBR是水泥土的1.28倍以上，且3%赤泥基膠凝材料改良土CBR高于4%水泥改良土，符合JTG D30—2015中路床路基填料CBR大于8%的要求。

對(duì)不同摻量赤泥基膠凝材料和水泥改良土進(jìn)行了7、28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)系數(shù)和4 h凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

由表6可知：（1）摻量均為3%時(shí)，赤泥基膠凝材料改良土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥土的1.32倍；28 d時(shí)，增長(zhǎng)到1.44倍，表明從7 d到28 d齡期，改良土泡水強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)，表明赤泥基膠凝材料改良土具有良好的水穩(wěn)定性。（2）赤泥基膠凝材料改良土的4 h凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)均大于水泥改良土，這是由于赤泥基膠凝材料初凝時(shí)間已超過(guò)9 h，4 h凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)對(duì)其改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較小。

表6 膠凝材料改良粉土的性能

2.4 改良土的微觀分析

2.4.1 XRD分析

經(jīng)過(guò)28 d養(yǎng)護(hù)的4%水泥改良土和4%赤泥基膠凝材料改良土的XRD圖譜如圖5所示。

由圖5可知，2種改良土均生成了鈣礬石和水化硅酸鈣。但水泥改良土中的水化硅酸鈣和鈣礬石的峰值均低于赤泥基膠凝材料改良土，表明赤泥基膠凝材料改良土中產(chǎn)生更多的水化硅酸鈣和鈣礬石等水化產(chǎn)物。這主要是由2個(gè)原因：（1）赤泥基膠凝材料改良土中電石渣提供大量的自由Ca2+參與黏土粒反應(yīng)，形成穩(wěn)定、高強(qiáng)度的水化硅酸鈣產(chǎn)物；（2）赤泥基膠凝材料中三氧化硫含量高于水泥，更有利于促進(jìn)大量鈣礬石生成。

2.4.2 熒光顯微鏡分析

為能夠更直觀反映改良土的微觀形貌，將經(jīng)過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)束后的28 d改良土試件磨細(xì)，粉末過(guò)325目篩，采用熒光顯微鏡對(duì)4%水泥改良土和4%赤泥基膠凝材料改良土樣放大100倍和400倍進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6可知，放大100倍時(shí)，2種改良土中砂粒明顯可見(jiàn)，黏粒成分較少，與無(wú)固化的粉砂土沒(méi)有明顯區(qū)別。

對(duì)比圖7（a）和（b）可以明顯看出，當(dāng)放大至400倍時(shí)，赤泥基膠凝材料改良土中存在大量10μm左右長(zhǎng)的針棒狀微粒，而水泥改良土沒(méi)有明顯見(jiàn)到這種形狀微粒，表明赤泥基膠凝材料在土中已生成明顯區(qū)別于水泥改良土的微觀結(jié)構(gòu)，而這種針棒狀或條形結(jié)構(gòu)可能就是C-S-H凝膠或者鈣礬石，驗(yàn)證了XRD圖譜中赤泥基膠凝材料改良土中鈣礬石和C-S-H凝膠的生成量或結(jié)晶度要高于水泥改良土。

2.5 工程應(yīng)用

赤泥基膠凝材料在某高速公路進(jìn)行了實(shí)體工程應(yīng)用（見(jiàn)圖8）。該高速經(jīng)過(guò)河南滑縣和衛(wèi)輝，屬于舊黃河故道的泛濫區(qū)，曾經(jīng)泛濫的黃河水留下了深厚的泥沙積層。這類土質(zhì)主要由砂粒和粉粒組成，且砂粒占比較大，黏性顆粒的含量較少，土顆粒間粘聚力較差，塑性指數(shù)低，松散易透水，難以壓實(shí)，填筑效果差。

赤泥基膠凝材料改良粉砂土施工工藝與水泥土一致。參考室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用4%赤泥基膠凝材料改良粉砂土進(jìn)行路床填筑，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度97.2%（上路床設(shè)計(jì)要求≥96%），現(xiàn)場(chǎng)取拌合土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，CBR值為57.5%（上路堤要求≥8%），7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.2 MPa，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足JTG/T 3610—2019《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)及驗(yàn)收要求，工程應(yīng)用效果良好。

3 結(jié)論

（1）赤泥基膠凝材料28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到32.8 MPa，與P·F32.5水泥相比，赤泥基膠凝材料前期水化活性較低，凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，便于處治土施工控制。

（2）摻量均為3%時(shí)，赤泥基膠凝材料改良土7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥土1.32倍，到28 d時(shí)，增長(zhǎng)到1.44倍；其CBR值是水泥土的1.28倍以上；4 h凝結(jié)時(shí)間影響系數(shù)均大于水泥改良土。

（3）微觀分析可知，赤泥基膠凝材料改良土中存在大量10 μm左右長(zhǎng)的針棒狀微粒，驗(yàn)證了XRD圖譜中赤泥基膠凝材料改良土中鈣礬石和C-S-H凝膠的生成量或結(jié)晶度要高于水泥改良土。

（4）采用4%赤泥基膠凝材料改良粉砂土進(jìn)行路床填筑，壓實(shí)度為97.2%，CBR為57.5%，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.2 MPa，性能均滿足設(shè)計(jì)及驗(yàn)收要求，工程應(yīng)用效果良好。