穩(wěn)定赤泥路用可行性與耐久性試驗(yàn)研究*

石名磊 杜旭陽 余昌運(yùn) 張瑞坤 楊子豪 田新濤

(①東南大學(xué)， 南京 210096， 中國(guó)) (②江蘇華寧工程咨詢有限公司， 南京 210096， 中國(guó))

0 引 言

赤泥(Red mud)是以鋁土礦為原料拜耳法生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生的極細(xì)顆粒產(chǎn)物。我國(guó)每年產(chǎn)生赤泥數(shù)量快速增長(zhǎng)，且存量達(dá)到4億噸(Xue et al.，2016)。赤泥呈強(qiáng)堿性且含大量重金屬，堆積的赤泥不僅占用大量的土地面積，在顆粒遷移作用下還會(huì)對(duì)周圍土體及地下水造成污染，給人民的生產(chǎn)生活帶來不便(Li et al.，2018； 褚學(xué)偉等， 2019)。目前處理堆積赤泥的方法大多為微生物法(Liu et al.，2021)； 對(duì)于赤泥綜合利用的方式有生產(chǎn)材料(史國(guó)義， 2020)、回收稀土元素(Costa et al.，2021)、改良軟弱土(陳瑞鋒等， 2018)。受限于科學(xué)技術(shù)水平，上述措施與工藝并未在生產(chǎn)中大規(guī)模使用，堆積如山的赤泥對(duì)環(huán)境的危害依然存在且呈愈演愈烈的態(tài)勢(shì)。2021年政府工作報(bào)告提出扎實(shí)做好碳達(dá)峰、碳中和等工作的要求，傳統(tǒng)建筑材料水泥、砂石等產(chǎn)業(yè)作為高污染、高耗能產(chǎn)業(yè)勢(shì)必出現(xiàn)價(jià)格攀升、產(chǎn)量減小等現(xiàn)象，這將會(huì)對(duì)公路建設(shè)工程造成巨大影響?；谝陨媳尘?，使用穩(wěn)定赤泥代替?zhèn)鹘y(tǒng)碎石-水泥道路墊層，外加穩(wěn)定劑以降低赤泥的堿性、提高強(qiáng)度與耐久性，以將穩(wěn)定赤泥作為道路基層填料，從而實(shí)現(xiàn)變廢為寶不失為一個(gè)良好的方案。

許多學(xué)者對(duì)赤泥路用的可行性進(jìn)行了研究。部分學(xué)者基于赤泥的工程性質(zhì)研究了赤泥作為道路基層和底基層的可行性，結(jié)果表明純赤泥作為路基填料存在風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)根據(jù)赤泥特性添加劑以提高強(qiáng)度和耐久性(Sutar et al.，2014; Deelwal et al.，2014)，同時(shí)赤泥用作道路原材料具有良好的UCS、抗凍和耐用性能(Zhang et al.，2021)。在改良赤泥性質(zhì)研究方面，脫堿劑、磷石膏、硅灰的摻入能夠降低赤泥堿性，有效地解決了赤泥污染土地的問題(王輝等， 2016； 李義偉等， 2019)； 純石灰摻量由2%、4%增加至12%時(shí)，赤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值(下文簡(jiǎn)稱UCS)與CBR(單位壓力對(duì)標(biāo)準(zhǔn)土樣壓入相同貫入量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)荷載強(qiáng)度的比值)均增大(Satyanayarana et al.，2012)； GGBS(?；郀t礦渣)用于固化赤泥具有可行性(Rao et al.，2012)； 以粉煤灰作為固化劑，聚合物CBR最大達(dá)到12%，UCS最大達(dá)到2.7MPa，使用赤泥粉煤灰聚合物路用是可行的(Chandra et al.，2021)。石灰、?；郀t礦渣、煅燒石灰粉、粉煤灰分別固化赤泥后，石灰穩(wěn)定赤泥的效果最好，其次是煅燒石灰粉、GGBS，最后是粉煤灰穩(wěn)定赤泥(Mukiza et al.，2019)； 以不同比例CKD(窯灰)作為固化劑固化赤泥，表明添加8% CKD的聚合物在道路工程中使用時(shí)有效的(Singh et al.，2014)； 以粉煤灰、脫硫石膏作為固化劑改良赤泥，研究結(jié)果表明赤泥聚合物7d的UCS達(dá)到最大，且滿足高速公路強(qiáng)度要求(Li et al.，2021)； 以石灰、粉煤灰作為固化劑改良赤泥，養(yǎng)護(hù)7d后測(cè)試了試樣的飽水抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明改良后的赤泥強(qiáng)度滿足規(guī)范0.8～1.1MPa的要求(齊建召， 2005)； 以水泥、石灰、磷石膏和高分子聚合材料作為固化劑改良赤泥，強(qiáng)度大幅提高，且優(yōu)于單獨(dú)添加水泥、石灰或磷石膏，改性后赤泥pH與毒物浸出降低，未對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響(孫兆云， 2017)； 以水泥、石灰、磷石膏作為主要固化劑改良赤泥，室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明改良劑摻量、壓實(shí)度是控制改良赤泥的兩個(gè)重要指標(biāo)，且混合穩(wěn)定劑優(yōu)于單獨(dú)添加水泥作為固化劑(李辰， 2018)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合實(shí)際條件，使用各種固化劑加固赤泥，主要考慮了UCS、CBR、液塑限等指標(biāo)，證明了改良后的赤泥作為路面基層的可行性。然而改良赤泥受到不同區(qū)域的水文地質(zhì)條件、氣候條件及公路標(biāo)準(zhǔn)等諸多因素影響，已有研究對(duì)赤泥路面基層在不同穩(wěn)定劑比例時(shí)干濕循環(huán)作用、凍融循環(huán)作用的耐久性研究較少，同時(shí)微觀上對(duì)于固化劑加固赤泥機(jī)制討論較少，導(dǎo)致了赤泥大規(guī)模路用技術(shù)推進(jìn)停滯不前。

基于以上背景，本文在其他學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，選用水泥、石灰作為堿激發(fā)料，輔以磷石膏作為硫激發(fā)料以降低堿性，三者與赤泥進(jìn)行耦合作用形成水泥系結(jié)合料穩(wěn)定赤泥。首先進(jìn)行了三者配比的篩選工作，選定3組滿足規(guī)范中UCS要求的配比制備穩(wěn)定赤泥試樣，在宏觀上開展了干濕與凍融循環(huán)條件下承載性能與耐久性研究，然后對(duì)試樣進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，在微觀上揭示了穩(wěn)定赤泥的孔隙演化發(fā)展規(guī)律，最后分析了孔隙占比對(duì)于UCS的影響，以期為穩(wěn)定赤泥大規(guī)模利用提供技術(shù)支撐和實(shí)踐指導(dǎo)。

表 1 赤泥基本物理指標(biāo)Table1 Basic physical indicators of Red Mud

表 2 赤泥主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table2 Main ingredients and content of Red Mud

表 3 穩(wěn)定劑主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table3 Main ingredients and content of stabilizer

1 試驗(yàn)方案與方法

試驗(yàn)赤泥選自山東濱州赤泥堆場(chǎng)，pH值為10.29，其主要物理指標(biāo)見表 1，其擊實(shí)曲線圖 1所示。磷石膏外觀呈淺灰色粉末狀，pH為3.57，其中SO3占比為52.3%。水泥標(biāo)號(hào)為42.5，外觀為深灰色粉末。熟石灰外觀呈白色狀粉末，其中CaO 含量占比達(dá)93%。通過X熒光光譜儀測(cè)得赤泥、磷石膏、水泥、石灰的主要化學(xué)成分及含量分別如表 2和表 3所示。

圖 1 赤泥干密度與含水率的變化關(guān)系Fig. 1 Relationships between dry density and moisture content of Red Mud

1.1 穩(wěn)定劑配比篩選

配比篩選試驗(yàn)共分兩組，第1組試驗(yàn)為水泥摻量?jī)?yōu)選試驗(yàn)，通過改變水泥的摻量，優(yōu)選出滿足道路基層材料強(qiáng)度的最優(yōu)水泥摻量。以一定量的石灰代替水泥，隨后進(jìn)行第2組試驗(yàn)，保持穩(wěn)定劑配比(水泥、石灰比例)不變，改變磷石膏摻量，優(yōu)選出最優(yōu)磷石膏摻量。

1.2 試樣制備養(yǎng)護(hù)

根據(jù)試樣的最大干密度、最佳含水率，取壓實(shí)度為96%，計(jì)算每個(gè)試樣所需赤泥和外摻劑的質(zhì)量，采取千斤頂靜壓法成型，利用訂制的模具制成Φ50mm×50mm的圓柱體。脫模稱重、量高后，放入塑封袋中，移入恒溫恒濕的養(yǎng)護(hù)室(溫度20±2℃，濕度≥95%)，試樣養(yǎng)護(hù)7d、14d、28d后，取出試樣并浸泡水中24h，保證水的深度高出試樣頂面2.5cm左右。

1.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干密度測(cè)定

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度UCS與干密度是穩(wěn)定赤泥材料能否路用的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，也是體現(xiàn)其力學(xué)特征的基本指標(biāo)。參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG3430-2020)進(jìn)行UCS與干密度試驗(yàn)。

1.4 凍融循環(huán)試驗(yàn)

試樣制備方法見1.2。凍融進(jìn)行5級(jí)循環(huán)，每次循環(huán)3個(gè)平行樣本； 試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至 28d，考慮到道路基層不可能處于飽水狀態(tài)，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，采用干凍的方式直接進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)參照《公路土工無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)： ①試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行稱重、編號(hào)以及量尺寸，將試樣分為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)組和凍融循環(huán)組； 把第5級(jí)凍融循環(huán)的試樣標(biāo)注為質(zhì)量變化測(cè)試樣，同時(shí)試驗(yàn)前先對(duì)一組試樣進(jìn)行UCS試驗(yàn)，把測(cè)得的強(qiáng)度作為基準(zhǔn)值。②設(shè)置冰箱溫度為-23℃，放入凍融循環(huán)試樣凍結(jié)16h，然后取出試樣稱重、編號(hào)以及量尺寸并將試樣移入20℃水槽中進(jìn)行融化8h。取出試樣，對(duì)之前標(biāo)注的質(zhì)量變化測(cè)試樣進(jìn)行質(zhì)量測(cè)試，此為完成一次凍融循環(huán)。③每次凍融循環(huán)結(jié)束后，觀察試樣表面有無起皮、散粒、開裂、泥化等現(xiàn)象發(fā)生。取出相應(yīng)測(cè)試組測(cè)試尺寸、質(zhì)量和UCS。同時(shí)取出一組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣同樣測(cè)試其質(zhì)量及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。④重復(fù)②和③，當(dāng)達(dá)到凍融所需的循環(huán)次數(shù)時(shí)，試驗(yàn)即可停止。

強(qiáng)度損失指標(biāo)BDR按下式計(jì)算：

BDR(%)=(Rn/R0)×100

(1)

式中：BDR(%)為n次凍融循環(huán)后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失指標(biāo)；R0為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(對(duì)照組)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)；Rn為n次凍融循環(huán)后凍融試樣抗壓強(qiáng)度(MPa)；R0、Rn均為一組(3個(gè))試樣抗壓強(qiáng)度的平均值。

質(zhì)量損失按下式計(jì)算：

Dn(%)=(M0-Mn)/M0×100

(2)

式中：Dn(%)為n次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失百分率；M0為試樣初始質(zhì)量(g)；Mn為n次凍融循環(huán)后凍融試樣質(zhì)量(g)。

1.5 干濕循環(huán)試驗(yàn)

本文干濕循環(huán)和凍融循環(huán)處理時(shí)間相同。設(shè)置低溫烘箱溫度為40℃，進(jìn)行5級(jí)循環(huán)，每次循環(huán)3個(gè)平行樣，試驗(yàn)步驟如下： ①試樣養(yǎng)護(hù)28d后，對(duì)試樣稱重，量尺寸，編號(hào)，設(shè)置經(jīng)歷5次干濕循環(huán)的試樣為質(zhì)量變化測(cè)試樣，預(yù)先取出一組進(jìn)行UCS試驗(yàn)，并將此強(qiáng)度作為開始的基準(zhǔn)值。②將試樣移入溫度為40℃的烘箱中烘16h，然后取出并對(duì)之前標(biāo)注好的質(zhì)量變化測(cè)試樣進(jìn)行拍照和質(zhì)量測(cè)試，將試樣放入收納盒中，在常溫下冷卻30min，往收納盒中緩緩加入自來水，直至試樣被淹沒頂部2.5cm，泡水8h，此為完成一次干濕循環(huán)。③濕循環(huán)結(jié)束后，取出一組試樣測(cè)試質(zhì)量、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，同時(shí)取出一組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣同樣測(cè)試其質(zhì)量、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。④重復(fù)②和③，直到5級(jí)干濕循環(huán)結(jié)束。強(qiáng)度損失指標(biāo)BDR與質(zhì)量損失計(jì)算見式(1)、式(2)。

1.6 掃描電鏡試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)

掃描電鏡試驗(yàn)時(shí)，破碎試樣后，選取試樣中心部位，挑選大小約5mm×5mm×3mm斷面，放置于凍干機(jī)中凍干24h，然后在土樣表面噴金，放入儀器觀察，選取適宜角度拍照即可。壓汞試驗(yàn)時(shí)，選取目標(biāo)土樣，烘干破碎，制成尺寸約5mm×5mm×5mm的試樣，將制好試樣凍干24h，然后進(jìn)行壓汞試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 配比篩選結(jié)果

圖 2 PC摻量與強(qiáng)度關(guān)系Fig. 2 Relationship between UCS and percentages of PC

圖 3 PG摻量與強(qiáng)度關(guān)系Fig. 3 Relationship between UCS and percentages of PG

圖2是水泥(下文簡(jiǎn)稱PC)摻量對(duì)穩(wěn)定赤泥UCS影響圖，PC極大地增加了改良赤泥的強(qiáng)度。純赤泥(RM)在養(yǎng)護(hù)7d時(shí)UCS為0.65MPa，隨著PC摻量提升到3%、5%、7%、10%(純赤泥質(zhì)量的10%，下文類同)，養(yǎng)護(hù)7d穩(wěn)定赤泥的UCS分別增長(zhǎng)了126%、208%、338%和401%，養(yǎng)護(hù)14d、28d的穩(wěn)定赤泥也具有相同的規(guī)律。養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)穩(wěn)定赤泥強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在養(yǎng)護(hù)7d和14d的UCS差異，這主要與PC的早強(qiáng)性有關(guān)?！豆窞r青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ014—97)要求道路基層材料最低強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為3MPa，因此PC摻量至少要達(dá)到10%才能滿足規(guī)范要求?？紤]到石灰(下文簡(jiǎn)稱LM)能夠與磷石膏(下文簡(jiǎn)稱PG)反應(yīng)促進(jìn)生成較多鈣礬石(Aft)，且LM中較多的Ca+離子與赤泥發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)黏膜，對(duì)赤泥強(qiáng)度和變形特征起到顯著改善作用，本文選取2%的LM代替PC以提升穩(wěn)定赤泥強(qiáng)度(周士瓊， 1999)。圖 3為PG摻量時(shí)穩(wěn)定赤泥UCS的分布圖。在穩(wěn)定劑作用下，穩(wěn)定赤泥的7dUCS最大值為5.07MPa， 14dUCS最大值為5.27MPa， 28dUCS最大值為5.2MPa。穩(wěn)定赤泥的強(qiáng)度隨著PG的摻量先增加后降低， 5% PG摻量下7dUCS的強(qiáng)度增長(zhǎng)最多，與10% PC組、8% PC+2% LM雙摻組7d相比UCS分別提升35%、38%。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下， 2% PG、5% PG、8% PG摻量的PG表現(xiàn)優(yōu)異，選取以上3組摻量的試樣進(jìn)行干濕循環(huán)、凍融循環(huán)試驗(yàn)分析穩(wěn)定赤泥的耐久性。

2.2 XRD分析及SEM分析

圖4是RM、穩(wěn)定劑分別為PG、PC-PG、LM-PC-PG的X射線衍射圖。從圖中可以明確得到，水泥與石灰的摻入產(chǎn)生水化硅酸鈣(CSH)與鈣礬石(Aft)，同時(shí)磷石膏與石灰的摻入使得鈣礬石(Aft)的波峰增多，表明穩(wěn)定赤泥在穩(wěn)定劑作用下強(qiáng)度增加的主要原因是鈣礬石的產(chǎn)生，這與之前學(xué)者的研究結(jié)果相同(陳宇等， 2021； 何俊等， 2021； 時(shí)松等， 2021)。

圖 4 試樣X射線衍射圖Fig. 4 X-ray diffraction pattern of sample a. LM-PC-PG； b. PC-PG； c. PG； d. RM

根據(jù)XRD試驗(yàn)，結(jié)合試樣的SEM掃描電鏡分析，如圖 5所示。具體作用效果為赤泥中加入PC之后赤泥顆粒膠結(jié)形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)PC與赤泥水化反應(yīng)形成板狀礦物單硫型水化硫鋁酸鈣(Afm)、鈣礬石(Aft)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)水化硅酸鈣(C-S-H)； 在加入PG之后，穩(wěn)定赤泥中蜂窩狀結(jié)構(gòu)反應(yīng)形成塊狀體，PC與PG水化反應(yīng)形成大量鈣礬石(Aft)，在Aft的連接下，孔隙數(shù)目變少，各結(jié)構(gòu)逐漸連成一個(gè)致密的整體。這說明PG有利于改善穩(wěn)定赤泥的孔隙結(jié)構(gòu)，使穩(wěn)定赤泥結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。PG的添加產(chǎn)生的鈣礬石將組織間緊密地連接成為一個(gè)整體，使得試樣變得密實(shí)。在加入LM后，進(jìn)一步形成塊狀體結(jié)構(gòu)，孔隙數(shù)目減少，與前人的掃描電鏡照片結(jié)果相同，證明了LM摻入后化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的鈣礬石將試樣顆粒緊密地連接成為一個(gè)整體，變得更為密實(shí)(劉子銘， 2017； 潘浩， 2020)。

圖 5 穩(wěn)定赤泥微結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig. 5 SEM Photos of improved red mud a. 水泥穩(wěn)定赤泥(28d); b. 水泥-石灰穩(wěn)定赤泥(28d); c. 磷石膏改性水泥-石灰穩(wěn)定赤泥(28d)

2.3 干濕與凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 試樣質(zhì)量和干密度

因試樣較多且試驗(yàn)條件繁雜，為方便起見，每組試樣以簡(jiǎn)單代號(hào)表示，如B2表示為2% PG摻量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，W5表示5% PG摻量進(jìn)行干濕循環(huán)，F(xiàn)8表示為8% PG摻量進(jìn)行凍融循環(huán)。

5級(jí)干濕與凍融循環(huán)后的試樣如圖 6所示，試樣裂隙增大增多，且伴隨著碎塊散落。試樣的質(zhì)量損失率是反應(yīng)耐久性的主要指標(biāo)之一，不同條件下不同配比試樣的質(zhì)量損失見圖 7。2% PG摻量組穩(wěn)定赤泥試樣隨干濕循環(huán)或凍融循環(huán)級(jí)數(shù)增加，質(zhì)量損失具有5級(jí)循環(huán)趨于穩(wěn)定的演化特征。干濕與凍融循環(huán)條件下，試樣的質(zhì)量損失率隨干濕循環(huán)級(jí)數(shù)增加，相同循環(huán)級(jí)數(shù)下PG摻量越多質(zhì)量損失越多，W8組試樣5級(jí)循環(huán)下質(zhì)量損失率達(dá)到4.9%，F(xiàn)8組試樣5級(jí)循環(huán)下質(zhì)量損失率達(dá)到5.1%。結(jié)果表明，試樣在1級(jí)循環(huán)作用后質(zhì)量損失變化幅度最大，最多增大了3%，隨后變化幅度減小。

圖 6 干濕與凍融循環(huán)后試樣圖Fig. 6 The sample under W-D circulation and F-T circulation a. 5級(jí)干濕循環(huán); b. 5級(jí)凍融循環(huán)

圖 7 試樣質(zhì)量損失隨循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律Fig. 7 Mass loss of sample varying with the number of circulation a. 干濕循環(huán)； b. 凍融循環(huán)

圖8為干濕循環(huán)、凍融循環(huán)下不同PG摻量組干密度對(duì)比圖。為了使干密度規(guī)律變化清晰明了，取干濕循環(huán)、凍融循環(huán)1級(jí)、3級(jí)、5級(jí)的結(jié)果分析。干濕循環(huán)的影響比凍融循環(huán)的影響大，凍融循環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比， 2% PG摻量組、5% PG摻量組、8% PG摻量組干密度平均減少1.1%、1.6%、2.2%； 干濕循環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比， 2% PG摻量組、5% PG摻量組、8% PG摻量組干密度平均減少0.8%、1.9%、2.7%。PG的摻量對(duì)試樣干密度影響較大，不同摻量間干密度差值最大達(dá)到3%，對(duì)于2% PG摻量時(shí)，試樣干密度隨干濕、凍融循環(huán)級(jí)數(shù)增加而增大，且隨著循環(huán)級(jí)數(shù)增加干密度趨于穩(wěn)定，對(duì)于5% PG、8% PG摻量時(shí)，試樣干密度隨干濕、凍融循環(huán)級(jí)數(shù)增加而減小。

圖 8 干濕與凍融條件下干密度變化分布Fig. 8 Distribution of dry density changes under W-D circulation and F-T circulation

2.3.2UCS變化規(guī)律

表 4為干濕循環(huán)作用、凍融循環(huán)作用與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的無側(cè)限壓強(qiáng)度UCS試驗(yàn)結(jié)果。由表 4可知，干濕循環(huán)對(duì)于穩(wěn)定赤泥強(qiáng)度的影響要大于凍融循環(huán)。干濕循環(huán)條件下，試樣強(qiáng)度均在1.69～4.53MPa，在8% PG摻量下5級(jí)干濕循環(huán)后達(dá)到最小值1.69MPa；UCS隨級(jí)數(shù)增加每一級(jí)強(qiáng)度減小幅度在1.8%～24.9%，在2% PG摻量組由1級(jí)循環(huán)到2級(jí)循環(huán)時(shí)最小，在8% PG摻量組由4級(jí)循環(huán)到5級(jí)循環(huán)時(shí)達(dá)到最大值； 2% PG、8% PG摻量組每一級(jí)變化幅度先增大再減小，而5% PG摻量組每一級(jí)變化幅度一直在增大。

凍融循環(huán)條件下，試樣強(qiáng)度均在2.63～4.11MPa，在8% PG摻量下5級(jí)干濕循環(huán)后達(dá)到最小值2.63MPa；UCS隨級(jí)數(shù)增加每一級(jí)強(qiáng)度減小幅度在2%～12.16%，在2% PG摻量組由2級(jí)循環(huán)到3級(jí)循環(huán)時(shí)最小，在8% PG摻量組由3級(jí)循環(huán)到4級(jí)循環(huán)時(shí)達(dá)到最大值； 2% PG摻量組每一級(jí)變化幅度在3%上下波動(dòng)，而5% PG、8% PG摻量組每一級(jí)變化幅度波動(dòng)較大，變化幅度總體呈先增大后減小的趨勢(shì)。

考慮到規(guī)范要求路面基層UCS最小為3MPa，表中結(jié)果證明PG摻量越高對(duì)強(qiáng)度越不利， 2% PG摻量組在5級(jí)凍融循環(huán)和5級(jí)干濕后仍能滿足要求；

表 4 不同PG摻量下凍融循環(huán)和干濕循環(huán)UCS試驗(yàn)結(jié)果Table4 Results of UCS at W-D and F-T with different dosage of PG

5% PG摻量組在3級(jí)干濕循環(huán)后UCS減小到2.99MPa； 8%組在二級(jí)干濕循環(huán)后UCS減小到2.85MPa，在4級(jí)凍融循環(huán)后UCS減小到2.89MPa，均不能滿足規(guī)范要求。而在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下， 5%、8% PG摻量組試樣隨著時(shí)間增加出現(xiàn)強(qiáng)度減小的情況，亦說明了5%、8% PG摻量是不合理的。

此外2% PG摻量組在1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)干濕循環(huán)作用下UCS與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)組相比有所提高，這是因?yàn)樵嚇咏龠M(jìn)了水化反應(yīng)，同時(shí)高溫烘干加快了水化反應(yīng)，造成強(qiáng)度增加。

表 5 不同PG摻量下凍融和干濕條件下BDR試驗(yàn)結(jié)果Table5 Results of BDR at W-D and F-T with different dosage of PG

2.3.3BDR變化規(guī)律

BDR能直接反映穩(wěn)定赤泥試樣強(qiáng)度耐久性，其值越大試樣強(qiáng)度越穩(wěn)定。表 5為干濕循環(huán)作用、凍融循環(huán)作用下的試驗(yàn)結(jié)果。干濕循環(huán)作用下，BDR處于35.10%～107.44%范圍，在8% PG摻量5級(jí)干濕循環(huán)后達(dá)到最小值； 相同PG摻量下，BDR隨著循環(huán)級(jí)數(shù)增加而減小， 5% PG摻量下BDR隨級(jí)數(shù)增加減小幅度在15%上下浮動(dòng)，5級(jí)循環(huán)累計(jì)減小59.06%，表明5% PG摻量組受干濕循環(huán)級(jí)數(shù)影響最大； 8% PG摻量組在1級(jí)循環(huán)后BDR減小到75.53%，隨著級(jí)數(shù)增加變化幅度處于6%～12%，而5級(jí)循環(huán)后BDR與5% PG摻量組相差不多，表明8% PG摻量組受1級(jí)循環(huán)影響最大。

凍融循環(huán)作用下，BDR處于54.82%～97.57%范圍，同樣地在8% PG摻量5級(jí)循環(huán)后達(dá)到最小值；BDR隨著級(jí)數(shù)增加而減小， 2% PG摻量組1級(jí)到5級(jí)循環(huán)BDR共減小17.78%，其中3級(jí)以后BDR變化幅度為7%，表明2% PG摻量的穩(wěn)定赤泥主要受3級(jí)后的凍融循環(huán)影響。

由分析結(jié)果可知，3類PG摻量穩(wěn)定赤泥試樣干濕與凍融循環(huán)后的強(qiáng)度均小于28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣，主要原因是經(jīng)歷干濕、凍融循環(huán)后，赤泥耐久性受到影響，強(qiáng)度隨之降低。不同PG摻量的強(qiáng)度演化規(guī)律表明，PG摻量對(duì)于強(qiáng)度穩(wěn)定有顯著影響，當(dāng)PG摻量較大時(shí)，強(qiáng)度耐久性減小，這主要與PG產(chǎn)生的水化產(chǎn)物對(duì)孔隙的影響有關(guān)：PG摻量較少時(shí)，PG與PC反應(yīng)生成鈣礬石，增大了穩(wěn)定赤泥的強(qiáng)度； 然而當(dāng)PG摻量過多時(shí)，鈣礬石不斷聚集，擠壓內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引起試樣迅速膨脹導(dǎo)致微觀裂縫增多，加上凍融循環(huán)、干濕循環(huán)的不利影響，穩(wěn)定赤泥強(qiáng)度隨之減小(周士瓊， 1999)。根據(jù)Emile Mukiza的研究結(jié)果，試驗(yàn)后BDR值若大于70%可滿足安全與穩(wěn)定要求，根據(jù)表 4可得PG摻量應(yīng)限制不超過2%(Mukiza et al.，2020)。

2.4 壓汞試驗(yàn)

UCS試驗(yàn)與BDR試驗(yàn)在宏觀上表明干濕循環(huán)與凍融循環(huán)對(duì)穩(wěn)定赤泥有不利影響，且PG摻量越大影響越大。宏觀的強(qiáng)度損失必然對(duì)應(yīng)微觀孔隙變化，本文選取5級(jí)循環(huán)后的試樣進(jìn)行微觀孔隙演化研究。圖 9為5級(jí)干濕循環(huán)和5級(jí)凍融循環(huán)的試樣與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的孔隙入口直徑分布對(duì)比圖。結(jié)果表明穩(wěn)定赤泥孔隙分布規(guī)律存在“雙峰”甚至“三峰”，穩(wěn)定赤泥主要分布直徑在0.01～0.1μm、0.1～1μm和1～10μm的孔隙。5級(jí)干濕循環(huán)與凍融循環(huán)作用下，直徑在0.01～0.1μm范圍的孔徑峰值降低，3組試樣直徑在1～10μm范圍的孔隙明顯增多，呈現(xiàn)小孔隙變形為大孔隙的特征，且干濕循環(huán)影響更大。

圖 9 不同PG摻量試樣孔隙入口直徑分布Fig. 9 The size distribution of pore entrance pore with different dosage of PG a. 5級(jí)干濕循環(huán)； b. 5級(jí)凍融循環(huán)

圖10為5級(jí)干濕循環(huán)和5級(jí)干濕循環(huán)試樣與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下試樣的進(jìn)汞量對(duì)比圖。進(jìn)汞量的大小代表了試樣孔隙的大小。結(jié)果表明，干濕循環(huán)、凍融循環(huán)均使試樣孔隙增多； 干濕循環(huán)作用對(duì)于孔隙數(shù)量的影響遠(yuǎn)大于凍融循環(huán)作用的影響。試樣在5級(jí)干濕循環(huán)、5級(jí)凍融循環(huán)作用后孔隙數(shù)量最大相差20%。不同PG摻量也影響著孔隙體積的大小，W2組、W5組、W8組穩(wěn)定赤泥組的進(jìn)汞量與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)組分別提升12.72%、20.81%、19.4%，F(xiàn)2組、F5組、F8組穩(wěn)定赤泥組的進(jìn)汞量與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)組分別提升4.04%、4.39%、4.57%。

圖 10 不同PG摻量進(jìn)汞量分布Fig. 10 Mercury intake with different dosage of PG a. 5級(jí)干濕循環(huán)； b. 5級(jí)凍融循環(huán)

圖 11 不同PG摻量下凍融和干濕條件下孔隙占比結(jié)果Fig. 11 Results of porosity ratio at W-D and F-T with different dosage of PG

為了更為詳盡地得到某類孔隙占比的變化，在進(jìn)汞量分析的基礎(chǔ)上繪制了不同PG摻量下孔隙占比分布圖，見圖 11。由圖可得，5級(jí)干濕循環(huán)、5級(jí)凍融循環(huán)組與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)組相比，直徑大于0.1μm的孔隙占比增多6.47%～13.14%， 5% PG 5級(jí)干濕循環(huán)時(shí)達(dá)到最大值。干濕循環(huán)組與對(duì)照組相比直徑大于0.1μm孔隙占比平均增大7.29%，而凍融循環(huán)組與對(duì)照組相比直徑大于0.1μm孔隙占比平均增大10.34%。相同試驗(yàn)條件下，PG摻量對(duì)孔隙直徑分布演化有較大影響，PG摻量越大，直徑>1μm孔隙占比越多，而直徑<0.1μm的孔隙占比變化較小。

綜合上述壓汞試驗(yàn)結(jié)果可知干濕循環(huán)與凍融循環(huán)改變了穩(wěn)定赤泥的孔隙分布特征，兩者作用下微觀上穩(wěn)定赤泥直徑>1μm的孔隙明顯增多； 在宏觀上，UCS隨孔隙的增大而降低。對(duì)比3組不同PG摻量試樣， 2% PG摻量組的微觀孔隙演化規(guī)律均優(yōu)于5% PG摻量組和8% PG摻量組，這與強(qiáng)度變化規(guī)律相一致。宏觀與微觀的結(jié)果共同證明2% PG摻量穩(wěn)定赤泥的強(qiáng)度與耐久性均優(yōu)于5% PG摻量和8% PG摻量，同時(shí)也驗(yàn)證了2% PG摻量穩(wěn)定赤泥作為路面基層的可行性。

2.5 微觀與宏觀統(tǒng)一性研究

壓汞試驗(yàn)證明了穩(wěn)定赤泥具有孔隙變化關(guān)聯(lián)強(qiáng)度演化規(guī)律。為進(jìn)一步研究闡明微觀孔隙與宏觀強(qiáng)度的辯證統(tǒng)一關(guān)系，選取33d標(biāo)養(yǎng)(與干濕循環(huán)、凍融循環(huán)天數(shù)相同)B2、B5、B8試樣，5級(jí)凍融循環(huán)F2、F5、F8試樣，5級(jí)干濕循環(huán)W2、W5、W8試樣，對(duì)孔隙占比與強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，選取相關(guān)性系數(shù)R2和顯著性指標(biāo)P為分析參數(shù)，將計(jì)算結(jié)果匯總于表 6。

表 6 孔隙占比與UCS回歸分析Table6 Regression analysis of porosity ratio and UCS

結(jié)果表明，直徑處于0.01～0.1μm區(qū)間和0.1～10μm區(qū)間的孔隙與UCS相關(guān)性較強(qiáng)，其相關(guān)性系數(shù)R2均大于0.9且顯著性指標(biāo)P小于0.01。其余直徑區(qū)間的孔隙與UCS關(guān)聯(lián)性不大。在此基礎(chǔ)上，圖 12給出了試樣0.01～0.1μm孔隙直徑占比和試樣0.1～10μm孔隙直徑占比與UCS的擬合直線。由圖可知，UCS與0.01～0.1μm直徑占比成正相關(guān)，且隨此類直徑占比增多而變大；UCS與0.01～0.1μm直徑占比成負(fù)相關(guān)，且隨此類直徑占比增多而減小。兩條擬合直線的斜率一致，說明兩種孔隙區(qū)間演化規(guī)律影響UCS變化的程度相同。

圖 12 直徑占比與UCS關(guān)系Fig. 12 Relationship between UCS and the percentage of aperture a. 直徑<0.1μm； b. 直徑在0.1～10 μm區(qū)間

3 結(jié) 論

(1)穩(wěn)定赤泥代替公路道面水穩(wěn)材料是可行的。以PC、LM、PG混合料作為穩(wěn)定劑作用于赤泥能較大幅度提升其強(qiáng)度，其最小值為3.6MPa。微觀分析表明強(qiáng)度增大的主要原因是穩(wěn)定劑產(chǎn)生的Aft、Afm作用下填充了空隙，并在赤泥內(nèi)部生成塊狀和蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

(2)5級(jí)干濕循環(huán)后W8組強(qiáng)度最小為1.69MPa，BDR在35.10%～82.38%范圍變化； 5級(jí)凍融循環(huán)條件下F8組強(qiáng)度最小為2.63MPa，BDR在54.82%～79.79%范圍變化。PG摻量對(duì)赤泥強(qiáng)度與耐久性有顯著影響，其余條件相同時(shí)，PG摻量越大，試樣強(qiáng)度越小，BDR越小，質(zhì)量損失率越大。

(3)壓汞試驗(yàn)結(jié)果表明，穩(wěn)定赤泥主要為直徑在0.01～0.1μm、0.1～1μm和1～10μm的孔隙。5級(jí)凍融循環(huán)下孔隙體積增長(zhǎng)約為5級(jí)干濕循環(huán)下的1/3，且干濕循環(huán)與凍融循環(huán)導(dǎo)致試樣大孔隙(直徑>0.1μm)占比增加。

(4)穩(wěn)定赤泥的UCS與直徑<0.1μm的孔隙占比呈正相關(guān)，與直徑在0.1～10μm范圍的孔隙占比呈負(fù)相關(guān)，兩種孔隙分布密切影響穩(wěn)定赤泥強(qiáng)度，同時(shí)兩種孔隙區(qū)間演化規(guī)律影響UCS變化的程度相同。

(5)綜合承載性能與耐久性能，工程中穩(wěn)定赤泥最優(yōu)配比為，赤泥:水泥:石灰:磷石膏配比為100%︰8%︰2%︰2%。建議在工程實(shí)踐中對(duì)施工期加以限制，并時(shí)刻關(guān)注穩(wěn)定赤泥早期養(yǎng)護(hù)質(zhì)量與干濕循環(huán)下的狀態(tài)，且應(yīng)嚴(yán)格控制穩(wěn)定赤泥材料系統(tǒng)中的硫激發(fā)相對(duì)水平。