馮琪， 冉晉， 張新波， 王琳， 王冬梅

(1.山東省交通科學(xué)研究院， 山東 濟(jì)南 250102；2.山東高速交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司， 山東 濟(jì)南 250101)

赤泥是以鋁土礦為原料，在生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生的極細(xì)顆粒，是一種低重度、高孔隙比、高稠度、高pH值的呈強(qiáng)堿性的固體工業(yè)廢棄物。目前，赤泥主要采取簡易的露天堆放或填埋，無害化程度低，不僅占用土地，耗費(fèi)較多的堆場建設(shè)和維護(hù)管理費(fèi)用，還污染水體、大氣和土壤，影響作物生長，危害人體健康。對赤泥的綜合利用主要包括三方面：一是提取赤泥中的有用組分，回收有價(jià)金屬和稀有元素；二是將赤泥作為一般礦物原材料，生產(chǎn)磚、瓦、水泥和砼等建筑材料；三是利用赤泥多孔結(jié)構(gòu)和較大比表面積所具有的較強(qiáng)吸附作用或赤泥中鐵、重金屬等元素所具有的催化作用對環(huán)境進(jìn)行修復(fù)與治理。但上述研究因受制于各種條件，難以得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。中國近年來陸續(xù)開展了赤泥用作道路建筑材料的探索性研究，主要進(jìn)行了利用赤泥的路基填料、穩(wěn)定土基層、水泥砼路面等室內(nèi)試驗(yàn)研究和現(xiàn)場試驗(yàn)路鋪筑，實(shí)踐表明赤泥用作筑路材料是大規(guī)模消耗赤泥堆存、解決筑路材料緊缺的有效途徑之一。該文以拜耳法赤泥為摻合料，制備具有低強(qiáng)度、自流平、自填充和自密實(shí)特性的高流動性水泥基回填材料(國外稱之為可控性低強(qiáng)度材料)替代級配型傳統(tǒng)回填材料，并通過試驗(yàn)分析其流動度、泌水率和力學(xué)強(qiáng)度等變化規(guī)律，研究其主要工程特性。

1 原材料與設(shè)計(jì)配合比

1.1 原材料

常規(guī)可控性低強(qiáng)度材料組成與一般砼或砂漿類似，主要由膠結(jié)料、集料、水及添加劑組成。膠結(jié)料為水泥，采用鉆牌P.O42.5R普通硅酸鹽水泥；集料為天然砂，采用普通河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，屬Ⅱ區(qū)中砂；摻合料采用拜耳法赤泥，屬高鐵低硅的特種廢渣，礦物組成以針鐵礦、赤鐵礦為主，其基本物理參數(shù)見表1；拌合用水采用自來水。

表1 拜耳法赤泥的基本物理參數(shù)

1.2 設(shè)計(jì)配合比

水泥砼的配合比設(shè)計(jì)參數(shù)通常采用水灰比、砂率和單位用水量，目的是保證砼拌合物的和易性、凝結(jié)硬化后的強(qiáng)度和耐久性達(dá)到要求?？煽匦缘蛷?qiáng)度材料主要應(yīng)用于回填工程，很多需要后期開挖，易開挖是其區(qū)別于傳統(tǒng)水泥砼或砂漿材料的顯著特性，其首要工作性能是流動性和保水性，強(qiáng)度并不是可控性低強(qiáng)度材料在工程應(yīng)用中需考慮的主要因素，其強(qiáng)度滿足回填工程的設(shè)計(jì)要求即可。

采用灰砂比(水泥與集料的質(zhì)量比)和水固比(水與固體材料的質(zhì)量比)作為赤泥基可控性低強(qiáng)度材料的配合比設(shè)計(jì)參數(shù)。集料為普通河砂；固體材料則包括普通河砂、水泥、赤泥，不包括外加劑。一般情況下，灰砂比與可控性低強(qiáng)度材料中水泥用量有關(guān)，對其強(qiáng)度影響較大，但對流動性影響較小；水固比與可控性低強(qiáng)度材料中用水量有關(guān)，對其工作性能(如流動度、泌水率等)的影響較大，對強(qiáng)度的影響也較大。

固定水泥摻量，選取0.040、0.043、0.046的灰砂比和0.24、0.26、0.27、0.28的水固比制備12組不同組成比例的赤泥基可控性低強(qiáng)度材料，分別測試其工作性能(流動度和泌水率)、力學(xué)性能(無側(cè)限抗壓強(qiáng)度)。設(shè)計(jì)配合比和試驗(yàn)測試結(jié)果見表2。

表2 設(shè)計(jì)配合比和試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)方法

采用砂漿攪拌機(jī)制備赤泥基可控性低強(qiáng)度材料試樣，先將攪拌鍋壁潤濕，再將稱量好的普通河砂、普通硅酸鹽水泥和拜耳法赤泥倒入攪拌鍋中，干拌30 s左右后加入拌合用水，再次拌合3 min左右，制得赤泥基可控性低強(qiáng)度材料試樣。

采用常用的截錐圓模等試驗(yàn)工具，參考ASTM D6103《可控性低強(qiáng)度材料流動連續(xù)性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中流動度檢驗(yàn)方法進(jìn)行赤泥基可控性低強(qiáng)度材料流動度試驗(yàn)，以試樣底面最大擴(kuò)散直徑及與其垂直方向的直徑的平均值作為流動度。采用容積為1 L的容量筒，參考JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中水泥砼拌合物泌水試驗(yàn)方法進(jìn)行泌水率試驗(yàn)，以累計(jì)吸水總量與容量筒中拌合物總含水量的比值作為泌水率。成型φ100 mm×200 mm無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，分別測試試件在1、3、7、14、21、28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 工作性能

赤泥基可控性低強(qiáng)度材料的工作性能主要是指其流動性和保水性，流動度在160 mm以上時可滿足填充狹窄操作空間或存在死角等回填工程的要求，泌水率宜控制在3.0%以內(nèi)。圖1為赤泥基可控性低強(qiáng)度材料的工作性能變化規(guī)律。

圖1 赤泥基可控性低強(qiáng)度材料的工作性能變化規(guī)律

從圖1可以看出：1) 灰砂比一定時，無論是流動度還是泌水率，赤泥基可控性低強(qiáng)度材料的工作性能均隨著水固比的增加而增大，這與拌合用水量的增加有關(guān)。表明在水泥用量不變的情況下，拌合用水量對該材料的工作性能具有顯著影響，用水量越大，流動性越大，保水性越差。2) 通常情況下，可控性低強(qiáng)度材料的自密實(shí)特性要求其具備較高的流動性，但泌水率太大會影響材料的正常凝結(jié)與硬化，對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和硬化后性能也會造成危害。因此，如何在目標(biāo)流動度范圍內(nèi)合理降低拌合物的泌水率是保證赤泥基可控性低強(qiáng)度材料工作性能的關(guān)鍵。從圖1來看，水固比一定時，流動度和泌水率均隨著灰砂比的增加而減小。由于試驗(yàn)中水泥用量不變，灰砂比增加意味著砂的用量減少，赤泥用量增加，由于赤泥的多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積使其可吸附更多的水，從而使材料的流動性顯著降低，泌水率大幅減小。說明當(dāng)赤泥增加到一定用量時，對流動性的影響不大，泌水率可控制在3.0%以內(nèi)甚至更低的水平。

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2為不同灰砂比下赤泥基可控性低強(qiáng)度材料試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。

圖2 赤泥基可控性低強(qiáng)度材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

從圖2可看出：1) 在同一水固比下，以不同灰砂比成型的赤泥基可控性低強(qiáng)度材料試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與水泥砼或砂漿材料類似，即在養(yǎng)護(hù)初期強(qiáng)度增長較快，隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，強(qiáng)度增長速度放緩，強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期呈顯著的對數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.9以上。2) 在同一灰砂比和養(yǎng)護(hù)齡期下，水固比越大，赤泥基可控性低強(qiáng)度材料試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越低。這與混合料中水的用量增加有關(guān)，多余的自由水除從拌合物表面析出造成泌水外，還有部分存留在混合料內(nèi)部形成孔隙，影響水泥石與骨料之間的骨架強(qiáng)度，從而削弱試件的整體強(qiáng)度。

從無側(cè)限抗壓強(qiáng)度來看，以不同水固比成型的赤泥基可控性低強(qiáng)度材料試件的強(qiáng)度基本小于1.4 MPa，低強(qiáng)度對赤泥基可控性低強(qiáng)度材料未來的二次開挖非常有利。

4 結(jié)論

(1) 赤泥基可控性低強(qiáng)度材料的流動度和泌水率均隨著拌合用水量的增加而增大，較高的流動度和較低的泌水率是該材料所期望的工作性能，在目標(biāo)流動度范圍內(nèi)合理降低拌合物的泌水率是該材料的制備關(guān)鍵。

(2) 赤泥基可控性低強(qiáng)度材料的泌水率大都在3.0%以內(nèi)，這與赤泥的多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積使其可吸附更多的水有關(guān)。

(3) 赤泥基可控性低強(qiáng)度材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不僅與養(yǎng)護(hù)齡期有關(guān)，還與灰砂比和水固比有關(guān)?；疑氨容^小、水固比較大時，其抗壓強(qiáng)度總體較小；灰砂比較大、水固比較小時，其抗壓強(qiáng)度總體較大。

(4) 較低的水泥摻量有利于赤泥基可控性低強(qiáng)度材料在未來的二次開挖，從降低回填材料成本的角度，也應(yīng)控制水泥用量，從而避免該材料的強(qiáng)度和成本過高。