段龍飛，劉赫然，房澤志，于海洋，孔 寧，王聿梁，王 林，孫仁娟

(1.山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院，濟(jì)南 250000；2.三東筑工有限公司，德州 253000； 3.山東高速巖土科技有限公司，濟(jì)南 250000；4.煙臺市瑞凱環(huán)保材料有限公司，煙臺 264000)

0 引 言

氣泡混合輕質(zhì)土是用水泥基膠凝材料、水及其他摻合料、外加劑等按一定質(zhì)量比例并與發(fā)泡劑水溶液制備的泡沫攪拌混合均勻，經(jīng)硬化形成的一種新型輕質(zhì)多孔水泥基材料，具有輕質(zhì)性、強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性、良好的流動(dòng)性等特點(diǎn)[1]。將氣泡混合輕質(zhì)土用于路基填筑材料，不僅可以減輕填土自重、消除新舊路基的不均勻沉降[2]，還可以實(shí)現(xiàn)軟管泵送，便于澆筑施工[3]。研究[4]表明，水泥行業(yè)能源消耗占我國能源消耗總量的5%左右，顆粒排放量占工業(yè)排放總量的32%，CO2排放量占總量的15%。目前國內(nèi)外研究中為減少水泥用量，多采用粉煤灰、礦渣、硅灰等工業(yè)固廢物取代部分水泥制備氣泡混合輕質(zhì)土[5-7]。

尾礦是工業(yè)固廢物的一種，大部分尾礦含有80%以上的硅鋁氧化物等成分，其組分與許多工業(yè)建筑材料相似[8]。尾礦的堆積會占用大量土地，有研究團(tuán)隊(duì)[9]曾對中國的5 189個(gè)尾礦庫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)這些尾礦庫累計(jì)占用土地面積約為1 884 km2，平均海拔高達(dá)699 m。張肖艷等[10]研究發(fā)現(xiàn)適量鐵尾礦粉的摻入有助于改善C40混凝土的力學(xué)、抗凍和抗?jié)B性能；樸春愛等[11]研究發(fā)現(xiàn)鐵尾礦粉有助于提高混凝土的抗氯離子滲透性和抗凍性，但會對抗碳化能力產(chǎn)生不利影響；范定強(qiáng)等[12]研究發(fā)現(xiàn)超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度隨鉛鋅尾礦摻量的增加而降低，摻量小于30%時(shí)強(qiáng)度降幅較??；Esmaeili等[13]研究發(fā)現(xiàn)銅尾礦以15%的質(zhì)量比例取代水泥將對混凝土的力學(xué)及抗氯離子滲透性能改善效果最佳；Kathirvel等[14]研究發(fā)現(xiàn)石墨尾礦以40%的質(zhì)量比例取代河砂仍能提高砂漿和混凝土的強(qiáng)度及抗?jié)B透性。目前國內(nèi)外對于尾礦在混凝土中的應(yīng)用研究較多，而對于其在氣泡混合輕質(zhì)土中的應(yīng)用研究較少。

為了減少尾礦堆存和水泥工業(yè)帶來的能耗及污染問題，降低制備成本，本文采用尾礦取代部分水泥制備氣泡混合輕質(zhì)土，研究濕密度和尾礦摻量對輕質(zhì)土力學(xué)和抗凍性能的影響，并分析尾礦對輕質(zhì)土內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)的影響，為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用山水水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3 100 kg/m3，主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)Table 1 Main properties of Portland cement

尾礦采用山東某金礦生產(chǎn)的尾礦砂，細(xì)度模數(shù)為1.9，表觀密度為2 680 kg/m3。主要化學(xué)組成如表2所示，級配曲線如圖1所示，XRD譜如圖2所示。

表2 尾礦的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of tailings

發(fā)泡劑采用煙臺某公司生產(chǎn)的復(fù)合型物理發(fā)泡劑，稀釋倍率為50倍，泡沫密度為30～40 kg/m3。

1.2 試驗(yàn)方法

參照CECS 249—2008《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程(附條文說明)》規(guī)定的方法進(jìn)行試件制備和養(yǎng)護(hù)，試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm的立方體。參照GB/T 11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》規(guī)定的方法進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗凍性試驗(yàn)。其中抗凍性試驗(yàn)是先將養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的試件浸入(20±5) ℃恒溫水槽中,48 h后取出測定初始抗壓強(qiáng)度，再將試件置于(-20±2) ℃冰柜中凍6 h,放入(20±5) ℃恒溫水槽中融化5 h作為一次凍融循環(huán)，循環(huán)30次為止，其中每隔5次測定其抗壓強(qiáng)度。氣孔結(jié)構(gòu)觀測是先利用普通光學(xué)顯微鏡對試件截面進(jìn)行圖像采集，再利用Image-Pro-Plus圖像處理軟件計(jì)算孔徑、孔隙率和圓度值[15]。

圖1 尾礦的級配曲線Fig.1 Gradation curve of tailings

圖2 尾礦的XRD譜Fig.2 XRD pattern of tailings

1.3 試驗(yàn)配比

以輕質(zhì)土漿體流動(dòng)度達(dá)到160～200 mm為設(shè)計(jì)指標(biāo)，探討濕密度和尾礦摻量對氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響，共設(shè)計(jì)15組配合比如表3所示，各配比下的實(shí)測流動(dòng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。為便于工程應(yīng)用，濕密度取600 kg/m3(D600)、700 kg/m3(D700)、800 kg/m3(D800)；尾礦摻量(尾礦占水泥和尾礦總質(zhì)量的百分比)取0%、15%、30%、45%、60%。參照CJJ/T 177—2012《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的方法進(jìn)行配合比計(jì)算。

表3 氣泡混合輕質(zhì)土配合比Table 3 Mix proportion of foamed mixture lightweight soil

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

圖3為濕密度對氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響曲線。隨著濕密度增加，輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，0%尾礦摻量下，濕密度為600 kg/m3和800 kg/m3的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度分別為2.30 MPa和4.10 MPa，強(qiáng)度增長78%；60%尾礦摻量下，二者抗壓強(qiáng)度分別為0.30 MPa和0.77 MPa，強(qiáng)度增長157%。這是因?yàn)闈衩芏鹊脑黾右馕吨嘤昧吭龆?，隨著水泥水化的進(jìn)行，生成了更多的C-S-H凝膠和氫氧化鈣等水化產(chǎn)物，導(dǎo)致單位體積的漿體中固相體積增多、液相體積減少，原本被液相占據(jù)的空間逐步被固相取代，固相間相互搭接，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實(shí)，孔隙減少，強(qiáng)度也隨之增加。

圖4為尾礦摻量對氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響曲線。輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度隨尾礦摻量增加逐漸降低，且隨濕密度增加下降趨勢有所減緩。由CJJ/T 177—2012《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定可知，當(dāng)輕質(zhì)土強(qiáng)度等級大于0.80 MPa時(shí)，可用于不同等級公路下不同路基部位填筑材料。當(dāng)尾礦摻量達(dá)到30%時(shí)，600 kg/m3、700 kg/m3、800 kg/m3的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度分別為0.99 MPa、1.60 MPa、2.53 MPa，相比未摻尾礦的輕質(zhì)土強(qiáng)度分別下降約57%、48%、38%，但均滿足路基填筑強(qiáng)度要求，即28 d抗壓強(qiáng)度不低于0.80 MPa；當(dāng)尾礦摻量達(dá)到45%時(shí)，700 kg/m3和800 kg/m3濕密度的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度分別為0.97 MPa和1.40 MPa，相比未摻尾礦的輕質(zhì)土強(qiáng)度分別下降約69%和66%，仍能滿足路基填筑強(qiáng)度要求。這主要是因?yàn)槲驳V的摻入降低了水泥用量，導(dǎo)致水化產(chǎn)物減少，成品強(qiáng)度降低。同時(shí)，隨著尾礦摻量增加，泡沫用量亦呈增加趨勢，孔隙率呈增大趨勢，導(dǎo)致強(qiáng)度進(jìn)一步降低。根據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)用于路基填筑材料時(shí)，濕密度為700 kg/m3和800 kg/m3的輕質(zhì)土尾礦摻量不宜大于45%，濕密度為600 kg/m3的輕質(zhì)土尾礦摻量不宜大于30%。此外，氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度和尾礦摻量之間具有顯著的線性關(guān)系，且密度越大其線性相關(guān)系數(shù)越高。R2是回歸曲線的擬合優(yōu)度，三條曲線的R2均大于0.96，說明回歸曲線對試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好。

圖3 濕密度對氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effects of wet density on compressive strength of foamed mixture lightweight soil

圖4 尾礦摻量對氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effects of tailings content on compressive strength of foamed mixture lightweight soil

圖5為尾礦摻量對氣泡混合輕質(zhì)土水化熱的影響曲線。隨著尾礦摻量的增加，輕質(zhì)土的水化放熱速率和累積放熱量逐漸下降，表示漿體里參與水化反應(yīng)的膠凝材料逐漸減少，最終導(dǎo)致強(qiáng)度逐漸降低。這與圖4抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果相對應(yīng)，進(jìn)一步揭示了氣泡混合輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度隨尾礦摻量增加而降低的規(guī)律。

圖5 尾礦摻量對氣泡混合輕質(zhì)土水化熱的影響Fig.5 Effect of tailings content on hydration heat of foamed mixture lightweight soil

2.2 抗凍性能

為探究不同濕密度等級對氣泡混合輕質(zhì)土抗凍性的影響，選取尾礦摻量為30%,濕密度分別為700 kg/m3和800 kg/m3的輕質(zhì)土進(jìn)行研究，即表3中08組和13組，結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可知，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，不同濕密度下輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢，且下降趨勢隨濕密度增加而減緩。經(jīng)過30次凍融循環(huán)，700 kg/m3和800 kg/m3濕密度的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度分別為1.33 MPa和2.36 MPa，相比于初始抗壓強(qiáng)度分別下降9.9%和4.1%。由圖6(b)可知，在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，800 kg/m3濕密度的輕質(zhì)土強(qiáng)度比波動(dòng)較小，且均在94%以上，抗壓強(qiáng)度損失率最大值為5.3%，抗凍性能較好；而700 kg/m3濕密度下輕質(zhì)土強(qiáng)度比波動(dòng)較大，凍融10次后強(qiáng)度比達(dá)到最低，為85.9%，即強(qiáng)度損失率最大值為14.1%，但此時(shí)輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度為1.30 MPa，仍能滿足路基填筑強(qiáng)度要求。圖6表明隨著密度的降低，輕質(zhì)土的抗凍融循環(huán)性能下降，這主要是因?yàn)槊芏鹊慕档蛯?dǎo)致膠凝材料減少，水化產(chǎn)物減少，單位體積下固相減少、液相增多，輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙率增大、孔壁變薄，從而導(dǎo)致抗凍性能降低。

圖6 濕密度對氣泡混合輕質(zhì)土抗凍性能的影響Fig.6 Effect of wet density on frost resistance of foamed mixture lightweight soil

為探究不同尾礦摻量對氣泡混合輕質(zhì)土抗凍性能的影響，選取濕密度為700 kg/m3，尾礦摻量分別為0%、15%、30%、45%的輕質(zhì)土進(jìn)行研究，即表3中06～09組，結(jié)果如圖7所示。由圖7(a)可知，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，未摻尾礦的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度整體上呈下降趨勢，摻入尾礦的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度整體上呈先下降后上升的趨勢，在10次循環(huán)后抗壓強(qiáng)度到達(dá)最低值，此時(shí)尾礦摻量0%、15%、30%、45%的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度分別為2.63 MPa、1.89 MPa、1.16 MPa、0.93 MPa，相比初始強(qiáng)度分別降低8.4%、14.1%、14.1%、10.6%，表明在凍融循環(huán)前期尾礦對輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響較大。這主要是因?yàn)殡S著浸水和齡期的增長，水泥繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，而尾礦摻入后水泥用量減少，泡沫用量增加，孔隙率增大，吸水率增大，內(nèi)部水分結(jié)冰后體積膨脹破壞孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致強(qiáng)度損失，當(dāng)水泥水化所帶來的強(qiáng)度增長小于凍脹水壓力導(dǎo)致的強(qiáng)度損失時(shí)，輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度整體表現(xiàn)為下降趨勢。隨著水泥水化進(jìn)行，以及尾礦中可能存在活性物質(zhì)在堿性環(huán)境下發(fā)生火山灰反應(yīng)，二者共同促進(jìn)輕質(zhì)土強(qiáng)度增長，甚至在10～15次凍融循環(huán)中抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為上升趨勢。同時(shí)由圖7(b)可知，不同尾礦摻量下輕質(zhì)土強(qiáng)度比均在85%以上，即強(qiáng)度損失率均在15%以內(nèi)，這表明氣泡混合輕質(zhì)土具有良好的抗凍性能，且不同凍融循環(huán)次數(shù)下抗壓強(qiáng)度均大于0.80 MPa，滿足路基填筑強(qiáng)度要求。

2.3 氣孔結(jié)構(gòu)

氣孔是氣泡混合輕質(zhì)土的主要構(gòu)成部分，除基體材料屬性外氣孔結(jié)構(gòu)對輕質(zhì)土各方面性能均有較大影響。為探究尾礦對氣泡混合輕質(zhì)土內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)的影響，選取濕密度為700 kg/m3，尾礦摻量分別為0%、15%、30%的輕質(zhì)土進(jìn)行觀測，相同放大倍率下利用普通光學(xué)顯微鏡采集的氣孔結(jié)構(gòu)圖像如圖8所示，利用圖像處理軟件分析的氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖9所示。由圖8可以直觀地看出未摻尾礦的輕質(zhì)土內(nèi)部氣孔分布均勻，大孔和連通孔較少，而尾礦的摻入增加了大孔和連通孔數(shù)量，孔圓度有所下降。由圖9可知，氣泡混合輕質(zhì)土孔隙率、平均孔徑和圓度值均隨尾礦摻量成正相關(guān)，其中圓度值越接近1表明圓度越好。相比于未摻尾礦的輕質(zhì)土，當(dāng)尾礦摻量達(dá)到30%時(shí)，輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙率增大3.58%、平均孔徑增大16.7%、圓度值增加7.4%，表明尾礦會對輕質(zhì)土內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。這主要是因?yàn)橥幻芏鹊燃壍臍馀莼旌陷p質(zhì)土，膠凝材料和水用量隨著尾礦摻量增加而減少，泡沫用量則隨之增多，直接導(dǎo)致孔隙率增大。同時(shí)，相比于膠凝材料，尾礦顆粒表面較粗糙，增大了水泥漿體內(nèi)的摩擦力，在機(jī)械攪拌作用下，會改變泡沫液膜的表面張力，使其發(fā)生破裂和合并，不僅增大了輕質(zhì)土的平均孔徑，也容易生成更多的連通孔，降低孔的圓度，故而會對氣泡混合輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度和凍融循環(huán)前期產(chǎn)生不利影響。

圖7 尾礦摻量對氣泡混合輕質(zhì)土抗凍性能的影響Fig.7 Effect of tailings content on frost resistance of foamed mixture lightweight soil

圖8 不同尾礦摻量下氣泡混合輕質(zhì)土氣孔結(jié)構(gòu)圖像Fig.8 Pore structure images of foamed mixture lightweight soil with different tailings content

圖9 尾礦摻量對氣泡混合輕質(zhì)土氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響Fig.9 Effect of tailings content on pore structure parameters of foamed mixture lightweight soil

3 結(jié) 論

(1)氣泡混合輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度隨濕密度增加而升高，隨尾礦摻量增加而降低，且抗壓強(qiáng)度與尾礦摻量呈線性相關(guān)。當(dāng)尾礦摻量達(dá)到45%時(shí)，濕密度為700 kg/m3和800 kg/m3，的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度分別為0.97 MPa和1.40 MPa，相比未摻尾礦的輕質(zhì)土強(qiáng)度分別下降約69%和66%，仍能滿足路基填筑強(qiáng)度要求。

(2)提高濕密度等級有助于改善氣泡混合輕質(zhì)土的抗凍性能，減少凍融強(qiáng)度損失。經(jīng)過30次凍融循環(huán)，30%尾礦摻量下濕密度為700 kg/m3和800 kg/m3的輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度損失率分別為14.1%和5.3%。

(3)尾礦制備氣泡混合輕質(zhì)土具有良好的抗凍性能。濕密度為700 kg/m3，尾礦摻量為0%～45%的輕質(zhì)土在30次凍融循環(huán)中的抗壓強(qiáng)度損失率均在15%以內(nèi)，且抗壓強(qiáng)度均大于0.80 MPa。

(4)尾礦的摻入導(dǎo)致輕質(zhì)土內(nèi)部孔隙率和平均孔徑增大，孔圓度降低。相比于未摻尾礦的輕質(zhì)土，當(dāng)尾礦摻量達(dá)到30%時(shí)，孔隙率增大3.58%,平均孔徑增大16.7%,圓度值增加7.4%。