复掺改性拜耳法赤泥填筑路基力学特性试验研究

2022-12-24王亚奇饶军应赵昌杰孔德禹

水利技术监督 2022年12期

王亚奇，饶军应，彭浩，赵昌杰，孔德禹

(贵州大学土木工程学院，贵州贵阳 550025)

随着我国工业体系的发展和完善，各领域对氧化铝的需求量与日俱增，伴随着制铝产业的发展，赤泥的排放、处理问题日益突出。赤泥是在制备氧化铝时从铝土矿中产生的一种工业固废[1]，据统计，我国每年产生的工业废弃赤泥约1亿t，并且逐年增长，然而每制造1t的氧化铝就要产出1～1.5t废弃赤泥[2]。目前，赤泥的利用已有较多研究[3-4]，但我国采用的赤泥处置方式仍以露天堆积、深基坑填埋及修筑赤泥坝等为主，利用率仅为4%左右，远低于世界平均利用率15%。一方面，露天堆积不仅挤占土地，而且后期的维护成本昂贵。另一方面过多的赤泥堆积，容易在极端天气下引发坍塌事故，造成不可挽回的损失[5]。显然，前述赤泥处理方式与可持续发展理念相驳，亟需探寻一种新的处理方式。改性赤泥用作公路路基填料不仅消耗量大，还能解决部分地区土源紧张的问题[6]。目前已有研究表明，拜耳法赤泥的液限、塑限较高、塑性指数低、水稳定性差，其路用性能不能满足路基填筑材料的技术要求，必须对其物理、力学性能进行改良后才可用于路基填筑[7]。申建立用石灰改性赤泥发现在一定掺量范围内，改性赤泥的抗压、抗折强度随石灰掺量增加而增大[8]；杨伟刚等发现水泥、石灰以及综合的化学改良能提高拜耳法赤泥的强度和水稳定性[9]；梁康等利用拜耳法赤泥的碱性对钢渣活性进行激发，发现赤泥的掺入能让激发后的钢渣具有水硬胶凝性，有利于钢渣胶凝材料后期强度的提高，为钢渣和赤泥的资源化利用提供了一种新思路[9]。彭浩分别以水泥、石灰、钢渣为改性剂探究改性赤泥的物理、力学指标，提出不同改性剂下推荐掺量[11]。综上，石灰、水泥、钢渣作为改性剂均能提升原材料的强度[12-15]。

因此，本研究工作以拜耳法赤泥为原材料，以钢渣、水泥、石灰为改性材料，基于正交试验研究赤泥在钢渣、水泥、石灰复合掺量改性下的路用力学性能。

1 室内试验

1.1 试验材料

本次试验所用赤泥为拜耳法赤泥，材料源于贵州省清镇市某赤泥堆放场，经水洗后小于0.035mm的颗粒占85%以上，泡水后崩解，其它物理指标见表1。

1.2 试验内容

基于正交试验方法，以无侧限抗压强度、泡水后无侧限抗压强度、回弹模量为考核指标，将钢渣、水泥、石灰以一定比例掺入赤泥中，研究不同掺量条件下综合改良后的赤泥路用力学特性，正交试验水平表及方案见表2—3。

表1 拜耳法赤泥物理指标

表2 正交试验水平表

表3 正交试验方案表

2 试验结果与分析

2.1 击实实验

击实实验能够确定赤泥的最佳含水率与最大干密度，为路基提供压实标准。本次实验依据JTG 3040—2020《公路土工试验规程》相关规定对每组试样进行击实验，各组实验击实曲线如图1所示，其实验结果见表4。

表4 正交试验击实结果

图1 正交试验组合击实曲线图

由表4可知，在9组试验方案中，最大干密度ρmax范围为1.567～1.603g/cm3，最优含水率ωopt变化范围为25.20%～27.50%。最佳含水率相较于原状赤泥的最佳含水率32.40%均有一定的降低，而最大干密度相较于原状赤泥1.448g/cm3有所增加。

2.2 实验结果统计

通过击实实验，对各组试样按其对应的最佳含水率进行试样制备，分别对每组试样进行28d无侧限抗压强度试验、28d泡水无侧限抗压强度试验、回弹模量试验，其试验结果见表5。

2.3 单指标结果分析

2.3.1无侧限抗压强度结果分析

对试验结果采用极差分析法，确定各指标及水平因素的影响主次顺序，结果见表6，并绘制各因素走势趋向图如图2。

由表6极差分析结果可以看出，影响无侧限抗压强度的因素顺序为石灰掺量、水泥掺量、钢渣掺量。通过图2可知，水泥掺量和石灰掺量对无侧限抗压强度均有促进作用，而钢渣掺量对强度影响并不明显。所以，当钢渣掺量为2%、水泥掺量为4%、石灰掺量为3%时，无侧限抗压强度值最大，其最优水平组合为A1B3C3。

表5 正交试验结果统计

表6 无侧限抗压强度极差分析结果

图2 各因素无侧限抗压强度趋势图

2.3.2泡水无侧限抗压强度

将养护成形的试件，浸水28d后测试各组试件的抗压强度，其极差分析见表7。

从表7可以看出，影响泡水抗压强度的主要因素顺序分别为石灰掺量、水泥掺量、钢渣掺量。从图3可知各因素最优水平组合为A1B3C3，与未泡水试件的抗压强度最优组合一致。

表7 泡水无侧限抗压强度极差分析结果

图3 各因素泡水无侧限抗压强度趋势图

2.3.3回弹模量结果分析

回弹模量是反应材料抵抗变形的能力，常作为路基的刚度指标。实验按照JTG 3040—2020，采用杠杆压力法进行测试，改性赤泥的回弹模量根据平行试验取平均值，其极差分析结果见表8。

表8 回弹模量极差分析结果

从表8可以看出影响回弹模量最主要的因素是石灰的掺量，其次为水泥掺量、钢渣掺量。从图4可知，对回弹模量影响性分析，当钢渣掺量为3%、水泥掺量为4%、石灰掺量为3%时，回弹模量最大，其最优的水平组合为A2B3C3。

2.4 方差分析

对各指标进行方差分析，其结果见表9。

表9 方差分析

由表9可知，石灰掺量对改性赤泥的抗压强度具有显著影响，其中各因素的构造统计量即F值为其对应的平均差方和与误差的平均差方和之比，F值的大小与其对试验结果的影响成正比，各因素的F值对其指标的影响与极差分析结果一致。

2.5 综合分析

由正交试验的结果可知，赤泥在经改性后，抗压强度与回弹模量相较于原状赤泥提升显著，通过对各项指标的正交试验结果进行分析，现将各结果最优水平组合列于表10。

表10 最优水平组合汇总

由表10知，抗压强度与泡水抗压强度最优水平组合一致，而钢渣掺量对回弹模量影响较抗压强度显著，因此，选择最优配比为A2B3C3，即：钢渣掺量3%、水泥掺量4%、石灰掺量3%。

2.6 微观分析

采用扫描电子显微镜(SEM)观测最优配比改性后的赤泥试样，其微观结构如图5所示。

图5 改性赤泥微观形貌

由图5(a)可以看出改性后的赤泥在形貌上存在较多片状、层状结构，结构较为紧凑，其原因是掺入的石灰和水泥与水反应后生成Ca(OH)2，而钢渣在碱性环境下能发生水化硬化产生硅酸钙、氯酸钙凝胶，将钢渣与赤泥颗粒很好的胶结在一起。此外，生成的部分Ca(OH)2又能与空气中的CO2反应生成稳定的CaCO3，极大的提高了赤泥的密实度，宏观表现为改性后赤泥的承载能力提高。而由图5(b)可知，改性后赤泥中含有少量棒状物质和较多孔隙，说明未完全水化的钢渣并没有充分填充孔隙，并不能有效黏结赤泥颗粒，无法发挥钢骨架支撑作用，从而导致改性赤泥的水稳定性较差。