成浩,楊騰宇,丁思尹,2
(1.佛山市交通科技有限公司,廣東 佛山 528000;2.廣東盛瑞科技股份有限公司,廣東 廣州 511400)
泡沫輕質(zhì)土是將泡沫按一定比例混入到由水泥漿與外加劑或細(xì)集料組成的混合料漿中,攪拌均勻后經(jīng)澆筑硬化形成的一種含有大量微氣孔的輕質(zhì)固態(tài)材料。泡沫輕質(zhì)土具有顯著的輕質(zhì)性、易流動(dòng)性、自硬性等特點(diǎn),能較好地解決狹窄空間回填、軟土路基沉降以及道路放坡帶來(lái)的征地受限等難題[1-3],目前在煤礦采空區(qū)回填、橋涵臺(tái)背回填、道路拓寬等工程領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。
傳統(tǒng)泡沫輕質(zhì)土作為典型水泥基材料,其應(yīng)用于工程建設(shè)時(shí)必然面臨大量水泥消耗帶來(lái)的污染問(wèn)題[4]。在國(guó)家“雙碳戰(zhàn)略”背景下,部分學(xué)者開(kāi)始探索利用具有潛在膠凝活性的工業(yè)固廢或工程廢棄土來(lái)部分替代水泥,制備性能更優(yōu)的新型固廢基泡沫輕質(zhì)材料。Liu等[5]研究了混合粉煤灰和生石灰對(duì)泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度特性的影響。Peng等[6]研究了鋁土礦尾礦摻量對(duì)泡沫輕質(zhì)土流動(dòng)性、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、吸水率等特性的影響,并分析了摻鋁土尾礦泡沫輕質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)特征。姚運(yùn)仕和王嘉[7]研究鹽漬土和粉煤灰等摻合料對(duì)泡沫輕質(zhì)土材料水穩(wěn)定性、干縮變形、抗凍融循環(huán)等性能的影響,結(jié)果表明,由于鹽漬土對(duì)粉煤灰具有一定的堿激發(fā)作用,2種材料復(fù)配時(shí)能提高泡沫輕質(zhì)土的長(zhǎng)期耐久性能。周恩全等[8]利用廢棄橡膠輪胎顆粒粉土混合制備輕質(zhì)混合土,并對(duì)不同摻量下?lián)魧?shí)特性及動(dòng)力特性開(kāi)展研究。孫賽煒等[9]利用偏高嶺土等量取代水泥,通過(guò)開(kāi)展正交試驗(yàn)分析偏高嶺土摻量、水膠比和膠凝材料用量對(duì)泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,確定了最優(yōu)配合比。赤泥是鋁工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的堿性固體廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì),每生產(chǎn)1 t鋁,約產(chǎn)生1.0~2.0 t的赤泥[10]。目前針對(duì)赤泥的處置以堆存為主,大量赤泥的堆存不僅占用土地資源,且容易對(duì)周邊土壤、水體造成污染。赤泥富含硅鋁氧化物,且具有利于水化反應(yīng)的堿性環(huán)境,已有不少學(xué)者提出利用赤泥作為外摻料用于制備復(fù)合膠凝材料[11-14],但將赤泥應(yīng)用于泡沫輕質(zhì)材料制備的研究目前尚未見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)開(kāi)展摻赤泥的泡沫輕質(zhì)材料性能正交試驗(yàn)研究,分析赤泥摻量、設(shè)計(jì)濕密度以及水膠比等因素對(duì)赤泥基泡沫輕質(zhì)土流動(dòng)性、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等性能的影響規(guī)律,提出赤泥基泡沫輕質(zhì)土的最佳配合比,并進(jìn)行赤泥基泡沫輕質(zhì)土的微觀結(jié)構(gòu)特征分析。研究結(jié)果可為赤泥的資源化利用以及綠色低碳泡沫輕質(zhì)材料研發(fā)提供參考。
赤泥:拜耳法赤泥,山東某鋁業(yè)公司赤泥堆場(chǎng),pH值為11.32,密度為2.68 g/cm3;水泥:海螺牌P·O42.5水泥;脫硫石膏:佛山市南海區(qū)某發(fā)電廠,含水率為11.6%;發(fā)泡劑:復(fù)合發(fā)泡劑,廣東盛瑞科技股份有限公司,發(fā)泡倍率為20~30倍,消泡率≤5%;水:自來(lái)水。原材料的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。
表1 原材料的主要化學(xué)成分 %
試驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)方法確定滿足流動(dòng)性與強(qiáng)度要求的赤泥基泡沫輕質(zhì)土最優(yōu)配合比。根據(jù)已有文獻(xiàn)研究成果[15],本次試驗(yàn)中固定脫硫石膏的摻量為5%,研究影響因素赤泥摻量(A)、濕密度(B)和水膠比(C)對(duì)赤泥基泡沫輕質(zhì)土流動(dòng)度、7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等性能的影響,試驗(yàn)中摻量為赤泥質(zhì)量占固體材料總質(zhì)量百分比。各因素取3個(gè)不同的水平,具體因素和水平見(jiàn)表2。
表2 正交試驗(yàn)因素水平
首先將較大的赤泥團(tuán)塊進(jìn)行碾壓破碎,連續(xù)烘干24 h后繼續(xù)進(jìn)行碾碎篩分。將烘干篩分后赤泥粉體與其余各組分進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌虾笾瞥苫旌狭蠞{,然后將混合料漿倒入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體模具中成型,待硬化后拆模即可得到赤泥基泡沫輕質(zhì)土試塊,將試塊置于溫度為(20±2)℃環(huán)境下進(jìn)行密封養(yǎng)生。
(1)流動(dòng)度:按照CJJ/T 177—2012《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》中相關(guān)試驗(yàn)要求進(jìn)行,首先將空心圓筒置于光滑硬質(zhì)塑料平板中心處,隨后在空心圓筒中倒入混合料漿,將表面刮平后垂直向上提升圓筒,靜置1 min后用游標(biāo)卡尺測(cè)量自然塌落體的直徑,取3次測(cè)試結(jié)果的平均值作為赤泥基泡沫輕質(zhì)土的流動(dòng)度。
(2)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度:按照CJJ/T 177—2012采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),分別對(duì)養(yǎng)生齡期為7 d和28 d的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程中控制加載速率恒定為2 kN/s,直至試件發(fā)生破壞并記錄對(duì)應(yīng)強(qiáng)度,取3個(gè)試塊破壞強(qiáng)度的平均值作為赤泥基泡沫輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。
根據(jù)表2中試驗(yàn)因素及水平,選用L9(33)正交試驗(yàn)表,共設(shè)計(jì)9組不同配合比的赤泥基泡沫輕質(zhì)土并分別進(jìn)行流動(dòng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。
表3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果
為直觀分析各影響因素對(duì)赤泥基泡沫輕質(zhì)土流動(dòng)度及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,對(duì)表3中正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析,結(jié)果如表4所示。
表4 正交試驗(yàn)極差分析
由表4可以看出,赤泥基泡沫輕質(zhì)土的流動(dòng)度隨水膠比的增大而增大,隨赤泥摻量的增大而減小,隨濕密度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì);水膠比的增大有利于改善赤泥基泡沫輕質(zhì)土的流動(dòng)性,而赤泥摻量則相反。各因素對(duì)流動(dòng)度影響順序?yàn)椋篊>A>B,即影響最大的因素為水膠比,赤泥摻量次之,濕密度的影響最小。流動(dòng)度最優(yōu)條件下各因素水平組合為A1B2C3。
對(duì)于7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度而言,其隨赤泥摻量和濕密度的增大而提高,隨水膠比的增大呈先降低后提高的趨勢(shì)。各因素的影響順序?yàn)椋築>A>C,即影響最大的因素為濕密度,赤泥摻量次之,水膠比的影響最小。7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最優(yōu)條件下各因素水平組合為A3B3C1。
為進(jìn)一步分析誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,判別各影響因素的顯著性,對(duì)表3中正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表5所示。
表5 正交試驗(yàn)方差分析
由表5可知,對(duì)于流動(dòng)性而言,水膠比和赤泥摻量的F值遠(yuǎn)大于濕密度,且水膠比的F值高于F0.05(2,2)臨界值,各影響因素的顯著性排序均為:水膠比>赤泥摻量>濕密度,表明水膠比對(duì)赤泥基泡沫輕質(zhì)土流動(dòng)性影響顯著,而濕密度對(duì)流動(dòng)性影響很?。粚?duì)于7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度而言,各影響因素的顯著性排序均為:濕密度>赤泥摻量>水膠比,且濕密度的F值均高于F0.05(2,2)臨界值,表明濕密度對(duì)赤泥基泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度特性影響最為顯著。綜合極差分析和方差分析的結(jié)果可知,對(duì)于赤泥基泡沫輕質(zhì)土,流動(dòng)性最優(yōu)時(shí)的影響因素組合為A1B2C3;7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最優(yōu)時(shí)的影響因素組合為A3B3C1。
由上述極差分析與方差分析結(jié)果可知,影響赤泥基泡沫輕質(zhì)土流動(dòng)性與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的各因素排序并不相同,無(wú)法根據(jù)單一指標(biāo)確定材料的最優(yōu)配合比。為綜合考慮赤泥基泡沫輕質(zhì)土的流動(dòng)性和強(qiáng)度性能,本文引入功效系數(shù)法進(jìn)行多指標(biāo)綜合性能分析[16]。
對(duì)于赤泥基泡沫輕質(zhì)土而言,流動(dòng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高,代表其性能越好,因此流動(dòng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度屬于正相關(guān)指標(biāo),可采用式(1)所示的功效函數(shù)模型進(jìn)行單項(xiàng)功效系數(shù)di計(jì)算,式中Xi為第i個(gè)指標(biāo)試驗(yàn)值;Ximax為第i個(gè)指標(biāo)試驗(yàn)值的最大值;Ximin為第i個(gè)指標(biāo)試驗(yàn)值的最小值。
在得到各指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)后,需根據(jù)各指標(biāo)重要程度賦予不同的權(quán)重,隨后對(duì)各指標(biāo)單項(xiàng)功效系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算,得到考慮多指標(biāo)性能的綜合功效系數(shù);根據(jù)綜合功效系數(shù)大小確定赤泥基泡沫輕質(zhì)土的最優(yōu)配合比方案。指標(biāo)權(quán)重是定量描述各指標(biāo)在綜合性能評(píng)價(jià)中作用的重要參數(shù),常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定方法有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法,客觀賦權(quán)法因其具有較強(qiáng)數(shù)學(xué)理論依據(jù)、客觀性強(qiáng)等特點(diǎn),得到了更為廣泛的應(yīng)用[17]。
本文采用基于變異系數(shù)計(jì)算的客觀賦權(quán)法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重確定,其計(jì)算公式如式(2)所示,式中wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,vi為第i個(gè)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果的變異系數(shù);隨后采用式(3)對(duì)各指標(biāo)單項(xiàng)功效系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均,得到總功效系數(shù)D。
根據(jù)上述步驟計(jì)算得到流動(dòng)度、7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的權(quán)重分別為0.110、0.454和0.436,各指標(biāo)單項(xiàng)功效系數(shù)和總功效系數(shù)如表6所示。
表6 總功效系數(shù)分析
由表6可知,總功效系數(shù)最大值為0.970,對(duì)應(yīng)的因素水平組合為A2B3C1。因此,綜合考慮赤泥基泡沫輕質(zhì)土流動(dòng)性和強(qiáng)度性能,其最優(yōu)因素水平組合為赤泥摻量20%、濕密度1000 kg/m3、水膠比0.4。在該因素水平組合下,赤泥基泡沫輕質(zhì)土具有較好的施工流動(dòng)性,且無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。
為對(duì)赤泥基泡沫輕質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行觀察,采用SEM對(duì)不同濕密度與赤泥摻量的泡沫輕質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖1和圖2所示。圖1給出了赤泥摻量為20%、水膠比為0.4時(shí),濕密度分別為600 kg/m3和1000 kg/m3時(shí)赤泥基泡沫輕質(zhì)土SEM照片。
圖1 不同濕密度赤泥基泡沫輕質(zhì)土SEM照片(100倍)
從圖1可以看出,赤泥基泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部分布有大量以圓形為主的封閉孔隙;圓孔結(jié)構(gòu)的分布與孔周?chē)哪z結(jié)物強(qiáng)度共同決定了赤泥基泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度。濕密度對(duì)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)有著直接的影響,濕密度越小,內(nèi)部圓孔越多,且圓孔孔徑分布均勻性較差,平均孔徑也較大。濕密度為600 kg/m3時(shí),部分圓孔間甚至形成貫通的裂縫,嚴(yán)重降低了赤泥基泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度;而濕密度為1000 kg/m3時(shí),內(nèi)部圓孔較少,且圓孔孔徑分布均勻性較好,平均孔徑較小,孔隙與周?chē)z結(jié)物共同形成了較為密實(shí)的結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)的赤泥基泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度也更高。從表3中也可以看出,濕密度從600 kg/m3增大到1000 kg/m3,赤泥基泡沫輕質(zhì)土7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高了27.4%和31.5%,由此可知,濕密度的增大能顯著提高赤泥基泡沫輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。這與文獻(xiàn)[18]和文獻(xiàn)[19]中得到的泡沫輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨濕密度增大呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)的結(jié)論一致。
圖2為濕密度為1000 kg/m3、水膠比為0.4時(shí),赤泥摻量分別為10%、30%時(shí)的赤泥基泡沫輕質(zhì)土SEM照片。
圖2 不同赤泥摻量赤泥基泡沫輕質(zhì)土SEM照片(3000倍)
從圖2可以看出,赤泥-脫硫石膏-水泥復(fù)合體系的水化過(guò)程中生成了明顯的針棒狀鈣釩石晶體;赤泥摻量對(duì)水化產(chǎn)物數(shù)量有著直接影響,對(duì)比赤泥摻量分別為10%和30%時(shí)的SEM照片可知:赤泥摻量越高,水化反應(yīng)生成的針棒狀鈣釩石越多,且形成的膠結(jié)物也更為致密。這是因?yàn)槌嗄啾旧砀缓桎X氧化物等活性物質(zhì),其與水泥、石膏組成的復(fù)合反應(yīng)體系發(fā)生水化反應(yīng)的本質(zhì)是強(qiáng)堿環(huán)境與硫酸鹽激發(fā)共同作用的結(jié)果:一方面,脫硫石膏溶解后產(chǎn)生的SO42-和體系中的Ca2+與赤泥中的活性鋁成分發(fā)生反應(yīng)生成鈣釩石[20],對(duì)于赤泥具有一定的激發(fā)作用;另一方面,赤泥本身具有的堿性也更有利于復(fù)合膠凝體系的水化反應(yīng)進(jìn)程,促進(jìn)更多水化產(chǎn)物的生成,提高赤泥基泡沫輕質(zhì)土硬化體的強(qiáng)度。
沾化至臨淄高速公路第四標(biāo)段項(xiàng)目路線全長(zhǎng)14.3 km,按雙向六車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計(jì)速度120 km/h,該標(biāo)段路線全部位于山東省淄博市境內(nèi),離山東鋁業(yè)有限公司赤泥堆場(chǎng)約21 km。為充分利用地區(qū)工業(yè)固廢資源,實(shí)現(xiàn)赤泥的規(guī)?;{與資源利用,依托該項(xiàng)目開(kāi)展赤泥基輕質(zhì)路基試驗(yàn)段研究。試驗(yàn)段位于高新區(qū)一號(hào)高架橋大樁號(hào)橋臺(tái)與箱涵之間,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度68 m。試驗(yàn)段路基設(shè)計(jì)縱斷面如圖3所示。
赤泥基泡沫輕質(zhì)土采用與傳統(tǒng)泡沫輕質(zhì)土相同的泵送澆筑施工方法,現(xiàn)場(chǎng)施工工藝如圖4所示。
圖3 赤泥基泡沫輕質(zhì)土路基縱斷面
圖4 赤泥基泡沫輕質(zhì)土路基施工流程
根據(jù)前期室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,確定試驗(yàn)段赤泥基泡沫輕質(zhì)土中赤泥摻量為20%。根據(jù)路基層位要求設(shè)計(jì)不同的澆筑濕密度,其中路床部位設(shè)計(jì)濕密度為1000 kg/m3,28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于1.0 MPa;路堤部位設(shè)計(jì)濕密度為850 kg/m3,28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于0.8 MPa。
根據(jù)CJJ/T 177—2012及設(shè)計(jì)要求對(duì)赤泥基泡沫輕質(zhì)土路基關(guān)鍵性能指標(biāo)流動(dòng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。濕密度的檢測(cè)頻率為每一澆筑層檢測(cè)6次;無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)頻率為每澆筑400 m3檢測(cè)2組。部分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 赤泥基輕質(zhì)土性能檢測(cè)結(jié)果
從表7可以看出,赤泥基泡沫輕質(zhì)土具有較好的施工流動(dòng)性和強(qiáng)度,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)流動(dòng)度在178~188 mm范圍內(nèi);路堤澆筑部位28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.89~0.97 MPa,路床部位在1.12~1.25 MPa范圍內(nèi),相應(yīng)指標(biāo)均滿足CJJ/T 177—2012及設(shè)計(jì)文件要求。
(1)赤泥基泡沫輕質(zhì)土正交試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于流動(dòng)度,影響因素的顯著性從大到小依次為水膠比、赤泥摻量和濕密度;對(duì)于7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,影響因素的顯著性從大到小依次為濕密度、赤泥摻量和水膠比。
(2)以流動(dòng)度為指標(biāo)時(shí),赤泥摻量為10%、濕密度為800 kg/m3、水膠比為0.6時(shí),赤泥基泡沫輕質(zhì)土的流動(dòng)性最優(yōu);以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)時(shí),赤泥摻量為30%、濕密度為800 kg/m3、水膠比為0.4時(shí),赤泥基泡沫輕質(zhì)土7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。采用功效系數(shù)法綜合考慮赤泥基泡沫輕質(zhì)土的流動(dòng)性和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度時(shí),赤泥摻量為20%、濕密度為1000 kg/m3、水膠比為0.4時(shí),赤泥基泡沫輕質(zhì)土的綜合性能最佳。
(3)赤泥基泡沫輕質(zhì)土的水化產(chǎn)物主要為針棒狀鈣釩石和水化硅酸鈣。濕密度對(duì)赤泥基泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部存在的封閉圓孔結(jié)構(gòu)影響顯著:濕密度越小,圓孔分布數(shù)量越多且越不均勻;赤泥摻量的提高有助于水化產(chǎn)物的生成,提高泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度。
(4)赤泥基泡沫輕質(zhì)土路基試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明,采用赤泥部分取代水泥制備泡沫輕質(zhì)土并進(jìn)行輕質(zhì)路基澆筑時(shí),施工性能指標(biāo)均能滿足CJJ/T 177—2012要求,具有良好的工程應(yīng)用前景。