新型赤泥基泡沫輕質(zhì)土材料性能及應(yīng)用

劉雪雨 周國(guó)印 孔曉光 陳國(guó)紅 李鵬 王凱 于海洋 徐程 王蕾

1.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院， 山東 青島 266404； 2.山東高速高新科技投資有限公司， 濟(jì)南 250013；3.山東百廿慧通工程科技有限公司， 濟(jì)南 250013； 4.山東高速巖土科技有限公司， 濟(jì)南 250014

泡沫輕質(zhì)土是由泡沫、膠凝材料、水以及集料按照一定配合比混合并經(jīng)過(guò)一系列物理、化學(xué)反應(yīng)硬化形成的輕質(zhì)材料［1-2］，以其輕質(zhì)性、高流動(dòng)性、抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高速公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中［3-4］。泡沫輕質(zhì)土以水泥為主要膠凝材料時(shí)需要消耗大量的水泥，工程造價(jià)較高，選擇難以處理的固體廢棄物部分替代水泥制備泡沫輕質(zhì)土具有顯著的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。

利用固體廢棄物作為原料對(duì)以水泥為主要膠凝材料的泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行改良已取得較多進(jìn)展。段龍飛等［5］利用尾礦和水泥制備氣泡混合輕質(zhì)土，當(dāng)尾礦摻量為30%時(shí)，密度為800 kg/m3泡沫輕質(zhì)土的28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.5 MPa。趙正峰等［6］利用燒結(jié)法赤泥、鋁土礦尾礦、鈦石膏等原料制成的工業(yè)廢渣復(fù)合再生膠凝材料泡沫土具有良好的抗干縮性能，在經(jīng)過(guò)8次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度高于水泥泡沫土。蔣善國(guó)等［7］發(fā)現(xiàn)當(dāng)燃煤爐渣∶水泥∶石灰石粉∶激發(fā)劑 = 5∶4∶1∶0.4 時(shí)，設(shè)計(jì)濕密度為650 kg/m3的燃煤爐渣基泡沫輕質(zhì)土的28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.63 MPa。綜上，利用固體廢棄物制備泡沫輕質(zhì)土具有較高可行性及廣闊應(yīng)用前景，但是將我國(guó)大體量堆積的固體廢棄物摻入泡沫輕質(zhì)土并探究其在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性成為了亟待解決的問(wèn)題。

赤泥是氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物，每生產(chǎn)1.0 t 氧化鋁將排放1.5 t 赤泥，目前全國(guó)累計(jì)堆積量已超8 億噸［8-10］。由于堿性較強(qiáng)且礦物成分組成復(fù)雜，導(dǎo)致赤泥大規(guī)模利用起來(lái)較為復(fù)雜。我國(guó)對(duì)于大部分赤泥的處理方式還是以堆積為主［11-12］。赤泥的堆積不僅占用了土地資源，其中的有害物質(zhì)還會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利影響［13-14］。我國(guó)排放的赤泥以拜耳法赤泥為主，利用大量堆積的拜耳法赤泥作為主要原料制備泡沫輕質(zhì)土不僅可以減少赤泥的堆積，還可以降低工程造價(jià)。

本文旨在利用拜耳法赤泥作為主要原材料制備綠色路基材料RM-FLS，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選最佳配合比，測(cè)試建模參數(shù)，并以青島市某高速公路橋背回填工程為依托，利用有限差分軟件FLAC 3D 建立模型測(cè)試不同填筑方式下的位移、豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力。分析不同填筑方式的沉降量，驗(yàn)證RM-FLS應(yīng)用于實(shí)際工程的可行性。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 原材料

用于制備RM-FLS 的原材料包括赤泥、熟石灰、水泥、發(fā)泡劑等。選用山東某鋁業(yè)集團(tuán)氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的赤泥，利用XRF（X - Ray Fluorescence Spectrometer）測(cè)試赤泥的化學(xué)組成，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)選用高分子復(fù)合水泥發(fā)泡劑，按照CJJ/ T 177—2012《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)范》要求對(duì)發(fā)泡劑性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)泡劑性能見(jiàn)表2，測(cè)試結(jié)果滿足CJJ/ T 177—2012 要求。水泥選用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，成分及含量見(jiàn)表3。

表1 赤泥的化學(xué)組成 %

表2 發(fā)泡劑的性能

表3 水泥的成分及含量%

1.2 試件制備

按照CJJ/ T 177—2012要求，泡沫輕質(zhì)土用于高速公路路基填筑時(shí)的最小密度為550 kg/m3，并從輕質(zhì)、高強(qiáng)度等方面考慮，試驗(yàn)設(shè)定RM-FLS 的密度為780 kg/m3，試件制備的流程見(jiàn)圖1。

圖1 RM-FLS試件制備流程

由于赤泥粒徑較大，在制備過(guò)程中很難被堿性激發(fā)劑充分激發(fā)。因此，赤泥需要磨細(xì)處理，具體操作為：將赤泥置于105 ℃條件下烘干48 h，然后倒入球磨機(jī)中粉碎并過(guò)篩，過(guò)篩后赤泥最大粒徑不超過(guò)0.4 mm。將處理后的赤泥、熟石灰、水泥和水按照比例倒入攪拌機(jī)中攪拌3 min 至漿液均勻，然后加入泡沫繼續(xù)攪拌。由于密度會(huì)影響RM-FLS 的力學(xué)性能，因此，在攪拌過(guò)程中需對(duì)漿液進(jìn)行密度測(cè)試，直至達(dá)到目標(biāo)密度后停止攪拌。

將攪拌均勻的漿液制成100 mm × 100 mm ×100 mm 的試件用以測(cè)試RM-FLS 的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；制成50 mm（直徑） × 100 mm（高）的試件用以測(cè)試RM-FLS 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和泊松比。脫模后的試件按照規(guī)范CJJ/ T 177—2012 需進(jìn)行套袋養(yǎng)護(hù)至養(yǎng)護(hù)齡期，見(jiàn)圖2。

圖2 RM-FLS試件養(yǎng)護(hù)

1.3 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

采用微機(jī)控制巖石單軸壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定RM-FLS試件的28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，按照CJJ/ T 177—2012要求，設(shè)置加載速度為0.2 MPa/s。按照CB/ T 11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》要求，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)WDW-100和靜態(tài)應(yīng)變采集儀測(cè)定RM-FLS試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，設(shè)置萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的加載方式為位移控制，加載速度為2 mm/min，試驗(yàn)結(jié)束條件為5 mm。

1.4 試驗(yàn)方案

以保證材料性能、降低工程成本為目標(biāo)，探究赤泥與堿性激發(fā)劑比例和赤泥摻量對(duì)RM-FLS 強(qiáng)度的影響，結(jié)合CJJ/ T 177—2012對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土的填筑要求，從無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)效益等方面出發(fā)設(shè)計(jì)多種材料配合比。赤泥與熟石灰的比例分別為2.5∶1、3.0∶1、3.5∶1，每種比例下的赤泥摻量分別為40%、45%、50%、55%、60%，具體試驗(yàn)配合比見(jiàn)表4。

表4 赤泥基泡沫輕質(zhì)土的配合比

具體優(yōu)選過(guò)程為：①按照表4 中的配合比，將RM-FLS 全部澆筑成100 mm × 100 mm × 100 mm 的立方體試件并養(yǎng)護(hù)至28 d，利用微機(jī)控制巖石單軸壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)養(yǎng)護(hù)至齡期的試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。②結(jié)合無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，選取6 組試件配合比并澆筑成尺寸為50 mm（直徑） × 100 mm（高）的圓柱體試件，將應(yīng)變片貼在試件中間并利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)與靜態(tài)應(yīng)變采集儀測(cè)試試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。③通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線優(yōu)選最佳配合比，用應(yīng)變片分別測(cè)試圓柱體試件在單軸壓縮過(guò)程中的橫向、軸向正應(yīng)變，并計(jì)算泊松比。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

不同赤泥與堿性激發(fā)劑比例、赤泥摻量下試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖3?？芍寒?dāng)赤泥∶熟石灰為3.5∶1、赤泥摻量分別為40%和45%時(shí)，兩組試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相同，這表明赤泥在熟石灰的激發(fā)下可以表現(xiàn)出一定的強(qiáng)度。隨著水泥摻量的減小，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，這表明RM-FLS 抵抗外部荷載的主要強(qiáng)度來(lái)源為水泥的水化產(chǎn)物。當(dāng)赤泥與熟石灰比例為3.0∶1、赤泥摻量為40%時(shí)，RM-FLS 的強(qiáng)度區(qū)間為0.42～1.13 MPa，CJJ/ T 177—2012規(guī)定在路堤應(yīng)用中其抗壓強(qiáng)度在0.3～1.0 MPa，RM-FLS 滿足規(guī)范要求；泡沫輕質(zhì)土用于高速公路、一級(jí)公路、城市主干路等線路路基填筑時(shí)的最小抗壓強(qiáng)度為0.8 MPa，A40、A45、B40、B45、B50、C40、C45、C50 組試件滿足CJJ/ T 177—2012要求。

圖3 赤泥摻量與28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

隨著赤泥與熟石灰比例的增加，RM-FLS 的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，赤泥與熟石灰的比例為3.0∶1時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。這表明熟石灰的摻入比例會(huì)直接影響RM-FLS 的力學(xué)性能，赤泥與熟石灰比例過(guò)小時(shí)會(huì)導(dǎo)致赤泥不能充分被激發(fā)，部分赤泥以細(xì)集料的形式存在于RM-FLS 內(nèi)部，導(dǎo)致赤泥基泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度偏低；赤泥與熟石灰的比例過(guò)高時(shí)，過(guò)量的熟石灰會(huì)使水泥摻量降低，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。值得注意的是，試驗(yàn)中所有配合比的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于0.4 MPa，滿足CJJ/ T 177—2012 中規(guī)定的泡沫輕質(zhì)土用于填筑其他等級(jí)公路路基時(shí)最小抗壓強(qiáng)度0.4 MPa的要求。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以反映材料的彈性模量及變化特征，根據(jù)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，選取A40、A45、B40、B45、C40、C45 的配合比，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)應(yīng)變采集儀測(cè)得圓柱體試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)果見(jiàn)圖4?？芍涸谙嗤嗄嗯c熟石灰的比例下，赤泥摻量越少，曲線在破壞階段的應(yīng)變硬化特征越明顯，同時(shí)，曲線在達(dá)到應(yīng)力峰值后下降幅度越大，這表明赤泥的添加可以提高試件的韌性。

圖4 不同配比試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

按照CB/ T 11969—2020 取應(yīng)力為40%時(shí)的加荷割線模量為試件彈性模量，結(jié)合圖4計(jì)算可得：在相同赤泥摻量下，赤泥與熟石灰的比例越高，試件彈性模量越小，A40、B40 和C40 試件的彈性模量分別為15.08、8.56、7.30 MPa。這表明赤泥在熟石灰激發(fā)下生成的聚合物凝膠彈性模量較大。

由于RM-FLS 常用于橋背回填、道路改擴(kuò)建等工程，要求材料具有較大剛度。因此，綜合無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彈性模量、韌性等因素考慮，選取B40 組試件配合比為最優(yōu)配合比。

2.3 掃描電子顯微鏡觀察與能譜分析

為從微觀角度分析RM-FLS 破壞機(jī)制，采用電子顯微鏡TESCAN MIRA LMS 對(duì)B40 試件樣本分別放大50 倍和200 倍進(jìn)行微觀測(cè)定，B40 試件微觀表現(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 B40試件微觀表現(xiàn)

由圖5（a）可知：漿液在加入氣泡攪拌時(shí)并未產(chǎn)生明顯的消泡現(xiàn)象，試件內(nèi)部氣泡分布較均勻，且氣泡之間無(wú)較厚的氣泡壁，較大氣泡之間的縫隙由較小氣泡填充，這樣可以避免試件在荷載作用下發(fā)生應(yīng)力分布不均勻的情況。

由圖5（b）可知：試件在受到荷載作用時(shí)，較大氣泡的氣泡壁會(huì)首先發(fā)生破裂，這些細(xì)微裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展貫通形成宏觀裂縫，最終導(dǎo)致試件失效。

對(duì)試樣進(jìn)行能譜分析，能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖6?？芍篟M-FLS 主要由O、Ca、Si、Al等元素組成，表明赤泥中Al2O3和SiO2中的—Al—O—鍵和—Si—O—鍵在堿性條件下會(huì)發(fā)生斷裂形成游離的Al3+和Si4+。游離的Al3+和Si4+和H2O 及熟石灰提供的Ca2+反應(yīng)生成C—A—S—H 凝膠，C—A—S—H 凝膠為RM-FLS 的主要強(qiáng)度來(lái)源。

圖6 能譜分析結(jié)果

3 數(shù)值分析

3.1 模型建立及參數(shù)

為使數(shù)值模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，為RM-FLS 應(yīng)用橋背回填實(shí)際工程提供理論依據(jù)，參照青島市某高速公路路段建立模型，施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖7。公路路基的沉降變形屬于平面應(yīng)變的范疇，因此，為提高軟件運(yùn)算速度，取實(shí)際路基寬度的1/2 進(jìn)行計(jì)算。模型尺寸為54.0 m（長(zhǎng)） × 36.0 m（寬） × 53.6 m（高），其中，高速公路段全長(zhǎng)34 m，寬12 m，路基在前16 m 采用填土填充，在后18 m采用填土和RM-FLS混合分層填充。

圖7 施工現(xiàn)場(chǎng)

分層混合填充是指利用填土搭建7 層臺(tái)階，臺(tái)階高度均為2 m，第1 層臺(tái)階長(zhǎng)度為4 m，第2 — 第7 層臺(tái)階長(zhǎng)度為2 m，在此基礎(chǔ)上填筑RM-FLS。模型設(shè)置路肩和斜坡，路肩的寬度為4 m，斜坡坡高為14 m，坡面角為45°，路肩和斜坡均采用填土填充?，F(xiàn)場(chǎng)勘察報(bào)告顯示地基共分為3 層，第1 層、第2 層均為淤泥層，高度分別為12.1、17.5 m，第3 層為黏土層，高度為10.1 m。數(shù)值模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖8。

圖8 模型網(wǎng)格劃分

為探究RM-FLS 作為填筑材料對(duì)沉降、豎向應(yīng)力和橫向應(yīng)力的影響，本次數(shù)值模擬采用RM-FLS 填筑和填土回填兩種填筑方式，研究?jī)煞N方式在自重作用及荷載作用下的沉降量、豎向應(yīng)力分布及橫向應(yīng)力分布。

設(shè)置邊界條件時(shí)考慮在每層泡沫輕質(zhì)土填筑前均采用混凝土板進(jìn)行固定，因此，除模型整體的邊界條件外，還需對(duì)混合填筑的每層臺(tái)階設(shè)置水平方向的位移約束。填土、淤泥、黏土采用Mohr-Coulomb 模型，RM-FLS 采用Elastic 模型，建立相應(yīng)的三維實(shí)體單元。具體模型力學(xué)參數(shù)按照勘測(cè)結(jié)果及物理模型試驗(yàn)結(jié)果選取，力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果及分析

將材料參數(shù)賦予模型并施加重力場(chǎng)，得出兩種填筑方式填筑完成后在自重作用下路基和地基的位移與應(yīng)力，見(jiàn)圖9。

圖9 自然沉降下位移與豎向應(yīng)力云圖

由圖9（a）、圖9（b）可知：兩種填筑方式在自重下路基頂面的最大沉降量分別為0.30、0.20mm，沉降量相差不大。由圖9（c）、圖9（d）可知：填土回填路基頂面豎向壓力分布較為均勻，RM-FLS 填筑路基頂面出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，這種現(xiàn)象很容易導(dǎo)致路基頂面沉陷，在施工過(guò)程中可以通過(guò)適當(dāng)加長(zhǎng)第7 層填筑長(zhǎng)度予以避免。

在自然沉降完成后，設(shè)置初始位移、初始速度為0，并向路基頂面施加35 kPa 的均布荷載，模擬兩種填筑方式下的路基頂面在使用過(guò)程中的沉降量及應(yīng)力分布，見(jiàn)圖10。

圖10 荷載作用下位移與豎向應(yīng)力云圖

由圖10（a）、圖10（b）可知：在豎向荷載作用下，兩種填筑方式的最大沉降量分別為22.4、16.8 cm，均產(chǎn)生于橋頭部位，采用RM-FLS 填筑的路基頂面最大沉降量減少了25%，表明新型路基填筑在使用過(guò)程中可以有效減少橋頭沉降，改善橋頭跳車的現(xiàn)象。同時(shí)，填土回填路基頂面橋頭處在使用過(guò)程中出現(xiàn)了豎向位移集中現(xiàn)象，這有可能導(dǎo)致橋頭在使用過(guò)程中以最大豎向位移為基礎(chǔ)向周圍不斷發(fā)生連續(xù)性沉陷，增大路基與橋梁的豎向位移差，RM-FLS 填筑路基頂面整體性較好，并未出現(xiàn)沉降集中現(xiàn)象。

由圖10（c）、圖10（d）可知：填土回填路基內(nèi)部豎向應(yīng)力分布不均勻，這種現(xiàn)象容易導(dǎo)致路基頂面的不均勻沉降。RM-FLS 填筑體內(nèi)應(yīng)力分布較為均勻，最大豎向應(yīng)力為45 kPa，集中于第1 層填筑處，在施工過(guò)程中可以通過(guò)增大第1層填筑體密度以抵抗使用過(guò)程中產(chǎn)生的較大豎向應(yīng)力。

為探究?jī)煞N填筑方式在使用過(guò)程中對(duì)周圍土體的擠壓作用，計(jì)算兩種填筑方式在豎向荷載作用下的水平應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 荷載作用下水平應(yīng)力云圖（單位：Pa）

由圖11可知：兩種填筑方式的最大水平應(yīng)力分別為29.3、20.7 kPa，均集中于路基頂面邊緣處，在施工過(guò)程中可以加強(qiáng)兩車道中間填土的夯實(shí)度以限制填充體的橫向變形。RM-FLS 填筑體在第7 層填筑體邊緣處對(duì)周圍填土的水平應(yīng)力較大，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，施工過(guò)程中可通過(guò)增大邊坡長(zhǎng)度等措施抑制填筑體的水平位移。

4 結(jié)論

1）RM-FLS 試件的主要強(qiáng)度來(lái)源是水泥水化反應(yīng)的產(chǎn)物，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著赤泥摻量的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著赤泥與熟石灰比例的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，赤泥與熟石灰的比例為3.0∶1 時(shí)，熟石灰的激發(fā)效果最好。RM-FLS的強(qiáng)度區(qū)間為0.42 ～ 1.13 MPa，滿足規(guī)范要求。

2）在相同赤泥摻量下，試件的彈性模量會(huì)隨著赤泥與熟石灰比例的增加而減小，試件彈性模量最高可達(dá)15.08 MPa。在相同赤泥與熟石灰的比例下，赤泥摻量越少，曲線在破壞階段的應(yīng)變硬化特征越明顯，且曲線在達(dá)到峰值應(yīng)力后的下降幅度越大。

3）氣泡在RM-FLS 試件內(nèi)部分布較為均勻，氣泡壁厚度均勻。試件內(nèi)部的開(kāi)裂發(fā)生在較大氣泡的氣泡壁。

4）兩種填筑方式在重力作用下路基的沉降量差別不大。RM-FLS 填筑體路基頂面在重力作用下出現(xiàn)了豎向應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象。在35 kPa 均布荷載作用下，兩種填筑方式的最大沉降量分別為22.4、16.8 cm，RM-FLS 填筑路基頂面的整體性較好，未出現(xiàn)豎向位移集中現(xiàn)象。RM-FLS 填筑體內(nèi)部豎向應(yīng)力分布較為均勻。RM-FLS 填筑體在第7 層填筑體邊緣處對(duì)周圍填土的水平應(yīng)力較大，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。