二灰穩定燒結法赤泥基層試驗研究

張嘉明，張濤，李昶

(1.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096；2.淄博市公路局，山東 淄博 255038)

二灰穩定燒結法赤泥基層試驗研究

張嘉明1，張濤2，李昶1

(1.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096；2.淄博市公路局，山東 淄博 255038)

為有效利用赤泥，減少對自然環境的破壞，研究將赤泥應用在道路基層的可行性。進行二灰穩定赤泥的配合比設計，根據擊實試驗和無側限抗壓強度試驗優選出m(赤泥)：m(石灰)：m(粉煤灰)=70：7.5：22.5為最佳配合比。以此配合比為基礎，用掃描電子顯微鏡對二灰穩定赤泥無側限抗壓強度試件進行觀察，說明二灰穩定赤泥的強度形成機理。對二灰穩定赤泥進行完整的性能試驗，得出一系列性能和力學指標，表明二灰穩定赤泥符合規范的相關要求，可以用于道路基層。

二灰穩定赤泥；配合比設計；強度形成機理；性能試驗；力學試驗

赤泥是鋁土礦經過物理和化學過程處理，制取氧化鋁產品后剩余的紅色泥狀、含水量較高的強堿性固體廢料。因礦石品位、生產方法和技術水平的不同，大約每生產1 t氧化鋁要排放1.0～1.8 t的赤泥[1]。商用氧化鋁精煉方法有燒結法、拜耳法和組合處理法(拜耳燒結法)，在我國燒結法赤泥的存量遠比其他兩種方法多[2]，一般采用建設堆場集中堆積的方法處理，占用大量農田用地；另外,如果防護措施不完善，赤泥廢液還可能污染地下水源，使其永久堿化[3]。隨著我國經濟的發展，對環境問題愈加重視，赤泥處理逐漸成為一個熱點話題。

目前對赤泥的利用主要集中在從特定方法產生的赤泥中回收鐵、鈧、鈦等金屬，用作生產玻璃陶瓷的原料，處理廢氣廢水、作為新型建筑材料使用以及用于生產化肥等[4-13]。因赤泥具有凝結性，如果將大量的赤泥材料與合適的無機結合料混合后用作道路基層或底基層材料，可以消耗大量的赤泥。前蘇聯最早將赤泥應用到道路基層，1981年鋪筑了以赤泥作為道路基層的試驗路[14]。但是到目前為止，將赤泥材料用于道路基層的技術仍然處于起步階段，并沒有一套成熟的理論[15]。

為有效利用赤泥，減少對自然環境的破壞,以某公司生產氧化鋁排放的燒結法赤泥為原料，對二灰穩定燒結法赤泥材料進行配合比設計，得出最佳配合比；然后在掃描電子顯微鏡下對二灰穩定燒結法赤泥材料的微觀結構進行觀察，說明其強度形成的機理；最后進行較完整的性能試驗和力學試驗，并測定包括抗壓回彈模量和間接抗拉強度等的力學參數，驗證二灰穩定燒結法赤泥用作路面基層或底基層的可行性。

1 配合比設計

1.1原材料

二灰穩定赤泥的原材料包括燒結法赤泥、石灰、粉煤灰和水。

1)赤泥。選用某公司生產氧化鋁排放的燒結法赤泥，制備試件用的赤泥已被破碎、分散。由于赤泥質地較軟，在篩分過程中會進一步破碎，造成級配變化，因此采用天然級配進行試驗。其化學組成如表1所示。

表1 赤泥的化學組成

2)石灰。石灰質量應符合Ⅲ級以上技術標準，本文采用Ⅰ級消石灰，有效氧化鈣和氧化鎂的質量分數之和達到83.9%，符合試驗要求[16]。

3)粉煤灰。試驗采用某熱電廠生產的二級粉煤灰，檢測結果如表2所示，滿足道路基層的使用要求[16]。

表2 粉煤灰檢測結果

4)水。按飲用水標準選用。

1.2配合比設計

二灰穩定赤泥配合比設計的目標是確定燒結法赤泥、石灰和粉煤灰材料相互配合的最佳組成比例，使之既滿足無機結合料穩定材料的技術要求又符合經濟性的原則。二灰穩定赤泥的配合比設計的基本步驟與一般二灰穩定類混合料一致，首先制備相同集料、不同二灰劑量的混合料，進行擊實試驗，由此確定最佳水的質量分數(最佳含水量)和最大干密度，再分別以最佳水的質量分數和最大干密度制備不同比例的試件，最后用無側限抗壓強度試驗確定二灰穩定赤泥混合料的最佳配合比。

根據二灰穩定材料的相關資料和經驗，赤泥用量初始定為70%、80%和90%，石灰與粉煤灰的質量比初定為1:2、1:3、1:4和2:3，共有12個組合，每個組合同時做擊實試驗，確定最大干密度及最佳水的質量分數，然后再根據每個組合的最大干密度和最佳水的質量分數分別做7 d和28 d的無側限抗壓強度試驗。試驗結果如表3所示。

表3 不同配比的二灰穩定赤泥的最佳水的質量分數和最大干密度

根據文獻[16]的相關規定，公路基層和底基層的7 d無側限抗壓強度應符合表4的要求。

表4 公路基層和底基層的7 d無側限抗壓強度標準 MPa

由表3可知：當赤泥的質量分數為70%時，混合料7 d和28 d無側限抗壓強度較高，可以達到高速公路和一級公路基層的要求；赤泥的質量分數為80%和90%時，基本可以滿足二級及以下公路基層和各級公路底基層的要求(見表4)。二灰穩定赤泥具有緩凝性能， 與7 d無側限抗壓強度相比,28 d無側限抗壓強度平均提高2倍以上，證明其后期強度增長顯著。考慮到赤泥的質量分數在70%左右時混合料強度較高，同時考慮用料的經濟性與合理性，選擇m(赤泥):m(石灰):m(粉煤灰)=70:7.5:22.5的配合比作為最佳配合比，并以此配合比為代表，作為后續試驗的配合比。

2 強度形成機理分析

二灰穩定赤泥混合料在壓實成型后，由固相(石灰、粉煤和灰赤泥)、液相(水溶液)和氣相(空氣)三相組成，三相之間相互作用的結果使得二灰穩定赤泥混合料具有較高的強度和剛度[15]。將不同齡期的試件放在掃描電子顯微鏡下觀察可以更為直觀地觀察二灰穩定赤泥的強度發展過程。

選擇混合料的配合比為m(赤泥)：m(石灰)：m(粉煤灰)=70：7.5：22.5，水的質量分數為37%。由于不易在電鏡下觀察成型原狀赤泥，進一步將其粉碎成細粒土狀進行試驗。制作無側限抗壓強度試驗試件，放入標準養護室進行養生。試件達到養生期后，將其從標準養護室拿出，放入80 ℃的烘箱中烘干24 h，確保試件中不再含有自由水。再從烘干的試件上取直徑小于2 cm的試塊若干，將表面處理平整后，在每個試塊擬觀察的表面上噴銀，待銀層凝固后，再用掃描電子顯微鏡(SEM)不同的放大倍數進行觀察，然后利用掃描電鏡拍攝有特征的微區形貌[17]。根據傳統無機結合料穩定材料的強度增長規律，選擇7、14和28 d 3個齡期進行觀察。7 d齡期的試件在掃描電子顯微鏡下的形貌如圖1所示。

a)放大600倍 b)放大3 000倍圖1 7 d齡期二灰穩定燒結法赤泥SEM形貌

圖1中的條狀物為石灰，球狀物為粉煤灰，不規則形狀物為赤泥顆粒。在試件成型初期，塊狀赤泥顆粒堆積在一起，石灰和粉煤灰堆積在赤泥顆粒的表面。試件中有少部分石灰和粉煤灰已經開始反應。14 d齡期的試件在掃描電子顯微鏡下的形貌如圖2所示。

a)放大600倍 b)放大3 000倍圖2 14 d齡期二灰穩定燒結法赤泥SEM形貌

由圖2可見，大部分赤泥顆粒和少量粉煤灰顆粒的表面開始變粗糙，有片狀物生成，這表明有新的生成物，且生成物主要來源于石灰和赤泥。28 d齡期的試件在掃描電子顯微鏡下的形貌如圖3所示。

a)放大600倍 b)放大3 000倍圖3 28 d齡期二灰穩定燒結法赤泥SEM形貌

由圖3可見，相比于7 d齡期和14 d齡期，此時的生成物更多，石灰、粉煤灰和赤泥顆粒反應較為完全，生成物在赤泥顆粒之間形成了網狀結構，混合料逐漸形成為一個整體。

由3個齡期的電子顯微鏡照片可見，7 d齡期試件中只有少部分石灰和粉煤灰開始了反應，這時的強度主要由赤泥顆粒之間的擠嵌力構成，因此試件強度較低。14 d齡期時，反應的生成物主要來源于3個方面：消石灰水化后的結晶作用形成的氫氧化鈣晶體、消石灰與空氣中二氧化碳反應生成的碳酸鈣晶體以及石灰與赤泥顆粒之間的火山灰反應。與石灰相比，赤泥含量較多，空氣中二氧化碳含量較少，消石灰的水化反應和碳酸化作用并不明顯，因此生成物主要是火山灰反應的產物，但是此時反應仍然不完全。28 d齡期時，火山灰反應繼續進行，并且可以看到粉煤灰也參與了火山灰反應，這時火山灰反應相對比較完全，試件強度主要由火山灰反應的產物產生的粘聚力構成。由此可見火山灰作用是混合料強度增長的主要原因，且隨著齡期的增長，火山灰作用也在逐漸增強。火山灰反應是一個漫長的反應，作用時間很長，因此后期二灰穩定赤泥的強度很高，板體性也很好。

綜上所述，通過在電子顯微鏡下觀察3個齡期的二灰穩定赤泥試件，可以看出與一般二灰穩定類材料相似，二灰穩定赤泥在試件成型初期的強度主要由赤泥顆粒之間的嵌擠力構成，強度較低；隨著齡期的增長，石灰和粉煤灰之間、石灰和赤泥之間產生的離子交換作用、結晶作用、碳酸化作用和火山灰作用等形成了粘聚力，使混合料慢慢固結成一個整體，強度和板體性隨之提高，達到路面基層所需的強度和剛度。

3 性能和力學試驗

在初步選定配合比后，還需進行一系列試驗對二灰穩定赤泥材料用作道路基層的可行性進行驗證。因此按照文獻[18]中規定的試驗方法進行了一系列試驗。

3.1穩定性試驗

穩定性試驗包括抗凍性試驗、干縮試驗、溫縮試驗、凍融試驗和抗沖刷試驗等性能試驗，同樣以m(赤泥)：m(石灰)：m(粉煤灰)=70：7.5：22.5的配合比混合料為代表進行了試驗，結果如表5所示。

表5 二灰穩定赤泥性能試驗結果

文獻[19]中規定，路面基層材料的凍后強度比≥70%，顯然二灰穩定赤泥符合規范要求；二灰穩定赤泥會發生干縮和溫縮，是典型的無機結合料穩定材料的特征，且其平均干縮系數大于平均溫縮系數，表明二灰穩定赤泥的縮裂主要來源于干縮，因此須在養生期注意保持濕度；另外，凍融試驗的強度損失較低，表明二灰穩定赤泥有較好的凍融穩定性；由抗沖刷試驗結果可知，二灰穩定赤泥的質量損失極低，表明其水穩定性也比較好。因此，由以上一系列的穩定性試驗，二灰穩定赤泥作為路面基層的穩定性較好，符合相關規范的要求。

3.2疲勞試驗

以山東淄博地區常用的二灰細粒土作為對比，對二灰穩定赤泥進行疲勞試驗。試驗中二灰細粒土采用m(細粒土)：m(石灰)：m(粉煤灰)=70：7.5：22.5的配合比，二灰穩定赤泥采用m(赤泥)：m(石灰)：m(粉煤灰)=70：7.5：22.5的配合比，在最大干密度對應的最佳水的質量分數處成型，荷載頻率均為10 Hz，以0.79、0.84和0.89 3種應力強度比進行試驗，試驗結果如表6所示。

表6 二灰穩定赤泥疲勞試驗結果

由表6可知，二灰穩定赤泥的疲勞性能與淄博地區常用的普通二灰細粒土相當，因此可以用于道路基層或底基層的使用。

3.3力學指標試驗

對二灰穩定赤泥進行了抗壓回彈模量和間接抗拉強度試驗，平均抗壓回彈模量為1 151 MPa，間接抗拉強度為0.318 MPa，抗壓回彈模量和間接抗拉強度的變異系數較低，分別為5.53%和0.68%，抗壓回彈模量和間接抗拉強度的95%的保證率值分別為894.43和0.314 MPa。其他路面基層或底基層常用半剛性材料的抗壓回彈模量和間接抗拉強度的取值[20]如表7所示。

表7 其他材料的力學指標

由表7可知，與其他常用材料相比，二灰穩定赤泥的抗壓回彈模量較高，而間接抗拉強度與其他常用材料相當。由于我國瀝青路面中瀝青面層一般較薄，承載能力一般由基層和底基層來滿足，因此具有較高抗壓回彈模量的二灰穩定赤泥作為基層或底基層材料具有很好的使用價值。

4 結論

1)設計二灰穩定赤泥的配合比，通過擊實試驗和無側限抗壓強度試驗確定赤泥的質量分數為70%左右比較合理，石灰的質量分數不宜過大，最終確定m(石灰):m(粉煤灰)=1:3，最終配合比為m(赤泥)：m(石灰)：m(粉煤灰)=70:7.5:22.5，最佳水的質量分數為36.4%。

2)通過無側限抗壓強度試驗，可以看出優選配合比試件的7 d無側限抗壓強度都大于等于文獻[16]規定的限值，可以用于高速和一級公路的路面基層。

3)二灰穩定赤泥在拌合初期，其強度主要由赤泥顆粒之間的嵌擠力構成，強度較低；隨著齡期的增長，強度以石灰和粉煤灰之間、石灰和赤泥之間產生的離子交換作用、結晶作用、碳酸化作用和火山灰作用等形成的粘聚力為主。

4)二灰穩定赤泥的抗凍性、收縮性和抗沖刷性能等表現良好，疲勞性能與淄博地區常用二灰土相當；與常用半剛性材料相比，二灰穩定赤泥的抗壓回彈模量較高，而間接抗拉強度則與常用半剛性材料相當。

綜上所述，利用生產氧化鋁排放的燒結法赤泥經過石灰和粉煤灰穩定后的材料用于道路基層是可行的，并且具有很好的實用性和經濟性。

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ExperimentalStudyonLimeandFly-AshStabilizedSinteredRedMudinRoadBase

ZHANGJiaming1,ZHANGTao2,LIChang1

(1.SchoolofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China; 2.ZiboHighwayBureau,Zibo255038,China)

In order to utilize the red mud efficiently and reduce the pollution of the natural environment, an experimental study is carried to verify if it could be used in the road base. According to compaction tests and unconfined compression strength tests, 70:7.5:22.5 is the optimum mixture ratio of materials. Then, the samples of fly-ash stabilized sintered red mud with this mixture ratio are observed by using scanning electron microscopy to describe the strength mechanism. A series of tests for performance and mechanics are carried out with the optimum mixture ratio. It turns out that the fly-ash stabilized sintered red mud can meet some relevant requirements of standard and it can be used in road base.

fly ash stabilized sintered red mud; mixture design; strength mechanism; performance test; mechanical test

U414.1

：A

：1672-0032(2017)03-0081-07

(責任編輯：郎偉鋒)

2017-01-13

張嘉明(1992—)，男，沈陽人，碩士研究生，主要研究方向為路基路面工程，E-mail: seutranser@foxmail.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.03.013