赤泥基可控性低強度材料性能試驗研究*

馮琪， 冉晉， 張新波， 王琳， 王冬梅

(1.山東省交通科學研究院， 山東 濟南 250102；2.山東高速交通建設(shè)集團股份有限公司， 山東 濟南 250101)

赤泥是以鋁土礦為原料，在生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生的極細顆粒，是一種低重度、高孔隙比、高稠度、高pH值的呈強堿性的固體工業(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，耗費較多的堆場建設(shè)和維護管理費用，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)境進行修復與治理。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)試驗研究和現(xiàn)場試驗路鋪筑，實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，制備具有低強度、自流平、自填充和自密實特性的高流動性水泥基回填材料(國外稱之為可控性低強度材料)替代級配型傳統(tǒng)回填材料，并通過試驗分析其流動度、泌水率和力學強度等變化規(guī)律，研究其主要工程特性。

1 原材料與設(shè)計配合比

1.1 原材料

常規(guī)可控性低強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)計配合比

水泥砼的配合比設(shè)計參數(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)硬化后的強度和耐久性達到要求?？煽匦缘蛷姸炔牧现饕獞?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，強度并不是可控性低強度材料在工程應(yīng)用中需考慮的主要因素，其強度滿足回填工程的設(shè)計要求即可。

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度材料的配合比設(shè)計參數(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度材料中水泥用量有關(guān)，對其強度影響較大，但對流動性影響較??；水固比與可控性低強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度材料，分別測試其工作性能(流動度和泌水率)、力學性能(無側(cè)限抗壓強度)。設(shè)計配合比和試驗測試結(jié)果見表2。

表2 設(shè)計配合比和試驗結(jié)果

2 試驗方法

采用砂漿攪拌機制備赤泥基可控性低強度材料試樣，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度材料試樣。

采用常用的截錐圓模等試驗工具，參考ASTM D6103《可控性低強度材料流動連續(xù)性的標準試驗方法》和GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中流動度檢驗方法進行赤泥基可控性低強度材料流動度試驗，以試樣底面最大擴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規(guī)程》中水泥砼拌合物泌水試驗方法進行泌水率試驗，以累計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)限抗壓強度試件，參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》中抗壓強度試驗方法，分別測試試件在1、3、7、14、21、28 d的無側(cè)限抗壓強度。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 工作性能

赤泥基可控性低強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度材料的工作性能變化規(guī)律。

圖1 赤泥基可控性低強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，可控性低強度材料的自密實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)限抗壓強度

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

圖2 赤泥基可控性低強度材料的無側(cè)限抗壓強度變化規(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度材料試件的無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律與水泥砼或砂漿材料類似，即在養(yǎng)護初期強度增長較快，隨著養(yǎng)護時間的延長，強度增長速度放緩，強度與養(yǎng)護齡期呈顯著的對數(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)護齡期下，水固比越大，赤泥基可控性低強度材料試件的無側(cè)限抗壓強度越低。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度，從而削弱試件的整體強度。

從無側(cè)限抗壓強度來看，以不同水固比成型的赤泥基可控性低強度材料試件的強度基本小于1.4 MPa，低強度對赤泥基可控性低強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) 赤泥基可控性低強度材料的無側(cè)限抗壓強度不僅與養(yǎng)護齡期有關(guān)，還與灰砂比和水固比有關(guān)?；疑氨容^小、水固比較大時，其抗壓強度總體較??；灰砂比較大、水固比較小時，其抗壓強度總體較大。

(4) 較低的水泥摻量有利于赤泥基可控性低強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度和成本過高。