拜耳法赤泥基泡沫轻质土的力学性能及应用研究

成浩，杨腾宇，丁思尹，2

（1.佛山市交通科技有限公司，广东 佛山 528000；2.广东盛瑞科技股份有限公司，广东 广州 511400）

泡沫轻质土是将泡沫按一定比例混入到由水泥浆与外加剂或细集料组成的混合料浆中，搅拌均匀后经浇筑硬化形成的一种含有大量微气孔的轻质固态材料。泡沫轻质土具有显著的轻质性、易流动性、自硬性等特点，能较好地解决狭窄空间回填、软土路基沉降以及道路放坡带来的征地受限等难题[1-3]，目前在煤矿采空区回填、桥涵台背回填、道路拓宽等工程领域已得到广泛应用。

传统泡沫轻质土作为典型水泥基材料，其应用于工程建设时必然面临大量水泥消耗带来的污染问题[4]。在国家“双碳战略”背景下，部分学者开始探索利用具有潜在胶凝活性的工业固废或工程废弃土来部分替代水泥，制备性能更优的新型固废基泡沫轻质材料。Liu等[5]研究了混合粉煤灰和生石灰对泡沫轻质土强度特性的影响。Peng等[6]研究了铝土矿尾矿掺量对泡沫轻质土流动性、无侧限抗压强度、吸水率等特性的影响，并分析了掺铝土尾矿泡沫轻质土微观结构特征。姚运仕和王嘉[7]研究盐渍土和粉煤灰等掺合料对泡沫轻质土材料水稳定性、干缩变形、抗冻融循环等性能的影响，结果表明，由于盐渍土对粉煤灰具有一定的碱激发作用，2种材料复配时能提高泡沫轻质土的长期耐久性能。周恩全等[8]利用废弃橡胶轮胎颗粒粉土混合制备轻质混合土，并对不同掺量下击实特性及动力特性开展研究。孙赛炜等[9]利用偏高岭土等量取代水泥，通过开展正交试验分析偏高岭土掺量、水胶比和胶凝材料用量对泡沫轻质土抗压强度的影响规律，确定了最优配合比。赤泥是铝工业生产过程中产生的碱性固体废弃物。据统计，每生产1 t铝，约产生1.0~2.0 t的赤泥[10]。目前针对赤泥的处置以堆存为主，大量赤泥的堆存不仅占用土地资源，且容易对周边土壤、水体造成污染。赤泥富含硅铝氧化物，且具有利于水化反应的碱性环境，已有不少学者提出利用赤泥作为外掺料用于制备复合胶凝材料[11-14]，但将赤泥应用于泡沫轻质材料制备的研究目前尚未见报道。本文通过开展掺赤泥的泡沫轻质材料性能正交试验研究，分析赤泥掺量、设计湿密度以及水胶比等因素对赤泥基泡沫轻质土流动性、无侧限抗压强度等性能的影响规律，提出赤泥基泡沫轻质土的最佳配合比，并进行赤泥基泡沫轻质土的微观结构特征分析。研究结果可为赤泥的资源化利用以及绿色低碳泡沫轻质材料研发提供参考。

1 试验设计

1.1 原材料

赤泥：拜耳法赤泥，山东某铝业公司赤泥堆场，pH值为11.32，密度为2.68 g/cm3；水泥：海螺牌P·O42.5水泥；脱硫石膏：佛山市南海区某发电厂，含水率为11.6%；发泡剂：复合发泡剂，广东盛瑞科技股份有限公司，发泡倍率为20~30倍，消泡率≤5%；水：自来水。原材料的主要化学成分见表1。

表1 原材料的主要化学成分 %

1.2 正交试验设计

试验采用正交设计方法确定满足流动性与强度要求的赤泥基泡沫轻质土最优配合比。根据已有文献研究成果[15]，本次试验中固定脱硫石膏的掺量为5%，研究影响因素赤泥掺量（A）、湿密度（B）和水胶比（C）对赤泥基泡沫轻质土流动度、7 d和28 d无侧限抗压强度等性能的影响，试验中掺量为赤泥质量占固体材料总质量百分比。各因素取3个不同的水平，具体因素和水平见表2。

表2 正交试验因素水平

1.3 试样制备

首先将较大的赤泥团块进行碾压破碎，连续烘干24 h后继续进行碾碎筛分。将烘干筛分后赤泥粉体与其余各组分进行充分搅拌混合后制成混合料浆，然后将混合料浆倒入尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体模具中成型，待硬化后拆模即可得到赤泥基泡沫轻质土试块，将试块置于温度为（20±2）℃环境下进行密封养生。

1.4 性能测试方法

（1）流动度：按照CJJ/T 177—2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》中相关试验要求进行，首先将空心圆筒置于光滑硬质塑料平板中心处，随后在空心圆筒中倒入混合料浆，将表面刮平后垂直向上提升圆筒，静置1 min后用游标卡尺测量自然塌落体的直径，取3次测试结果的平均值作为赤泥基泡沫轻质土的流动度。

（2）无侧限抗压强度：按照CJJ/T 177—2012采用万能材料试验机，分别对养生龄期为7 d和28 d的标准立方体试块进行抗压强度测试。试验过程中控制加载速率恒定为2 kN/s，直至试件发生破坏并记录对应强度，取3个试块破坏强度的平均值作为赤泥基泡沫轻质土的无侧限抗压强度。

2 试验结果分析

2.1 正交试验结果

根据表2中试验因素及水平，选用L9（33）正交试验表，共设计9组不同配合比的赤泥基泡沫轻质土并分别进行流动度和无侧限抗压强度试验，试验方案及结果如表3所示。

表3 正交试验方案及结果

2.2 极差分析

为直观分析各影响因素对赤泥基泡沫轻质土流动度及无侧限抗压强度的影响，对表3中正交试验结果进行极差分析，结果如表4所示。

表4 正交试验极差分析

由表4可以看出，赤泥基泡沫轻质土的流动度随水胶比的增大而增大，随赤泥掺量的增大而减小，随湿密度的增大呈先增大后减小的趋势；水胶比的增大有利于改善赤泥基泡沫轻质土的流动性，而赤泥掺量则相反。各因素对流动度影响顺序为：C＞A＞B，即影响最大的因素为水胶比，赤泥掺量次之，湿密度的影响最小。流动度最优条件下各因素水平组合为A1B2C3。

对于7 d和28 d无侧限抗压强度而言，其随赤泥掺量和湿密度的增大而提高，随水胶比的增大呈先降低后提高的趋势。各因素的影响顺序为：B＞A＞C，即影响最大的因素为湿密度，赤泥掺量次之，水胶比的影响最小。7 d和28 d无侧限抗压强度最优条件下各因素水平组合为A3B3C1。

2.3 方差分析

为进一步分析误差对试验结果的影响，判别各影响因素的显著性，对表3中正交试验结果进行方差分析，结果如表5所示。

表5 正交试验方差分析

由表5可知，对于流动性而言，水胶比和赤泥掺量的F值远大于湿密度，且水胶比的F值高于F0.05（2，2）临界值，各影响因素的显著性排序均为：水胶比＞赤泥掺量＞湿密度，表明水胶比对赤泥基泡沫轻质土流动性影响显著，而湿密度对流动性影响很小；对于7 d和28 d无侧限抗压强度而言，各影响因素的显著性排序均为：湿密度＞赤泥掺量＞水胶比，且湿密度的F值均高于F0.05（2，2）临界值，表明湿密度对赤泥基泡沫轻质土强度特性影响最为显著。综合极差分析和方差分析的结果可知，对于赤泥基泡沫轻质土，流动性最优时的影响因素组合为A1B2C3；7 d和28 d无侧限抗压强度最优时的影响因素组合为A3B3C1。

2.4 综合性能分析

由上述极差分析与方差分析结果可知，影响赤泥基泡沫轻质土流动性与无侧限抗压强度的各因素排序并不相同，无法根据单一指标确定材料的最优配合比。为综合考虑赤泥基泡沫轻质土的流动性和强度性能，本文引入功效系数法进行多指标综合性能分析[16]。

对于赤泥基泡沫轻质土而言，流动度和无侧限抗压强度越高，代表其性能越好，因此流动度和无侧限抗压强度属于正相关指标，可采用式（1）所示的功效函数模型进行单项功效系数di计算，式中Xi为第i个指标试验值；Ximax为第i个指标试验值的最大值；Ximin为第i个指标试验值的最小值。

在得到各指标的单项功效系数后，需根据各指标重要程度赋予不同的权重，随后对各指标单项功效系数进行加权平均计算，得到考虑多指标性能的综合功效系数；根据综合功效系数大小确定赤泥基泡沫轻质土的最优配合比方案。指标权重是定量描述各指标在综合性能评价中作用的重要参数，常用的评价指标权重确定方法有主观赋权法和客观赋权法，客观赋权法因其具有较强数学理论依据、客观性强等特点，得到了更为广泛的应用[17]。

本文采用基于变异系数计算的客观赋权法进行指标权重确定，其计算公式如式（2）所示，式中wi为第i个指标的权重，vi为第i个指标试验结果的变异系数；随后采用式（3）对各指标单项功效系数进行加权平均，得到总功效系数D。

根据上述步骤计算得到流动度、7 d和28 d无侧限抗压强度指标的权重分别为0.110、0.454和0.436，各指标单项功效系数和总功效系数如表6所示。

表6 总功效系数分析

由表6可知，总功效系数最大值为0.970，对应的因素水平组合为A2B3C1。因此，综合考虑赤泥基泡沫轻质土流动性和强度性能，其最优因素水平组合为赤泥掺量20%、湿密度1000 kg/m3、水胶比0.4。在该因素水平组合下，赤泥基泡沫轻质土具有较好的施工流动性，且无侧限抗压强度最高。

3 微观机理分析

为对赤泥基泡沫轻质土微观结构形貌进行观察，采用SEM对不同湿密度与赤泥掺量的泡沫轻质土微观结构进行分析，结果如图1和图2所示。图1给出了赤泥掺量为20%、水胶比为0.4时，湿密度分别为600 kg/m3和1000 kg/m3时赤泥基泡沫轻质土SEM照片。

图1 不同湿密度赤泥基泡沫轻质土SEM照片（100倍）

从图1可以看出，赤泥基泡沫轻质土内部分布有大量以圆形为主的封闭孔隙；圆孔结构的分布与孔周围的胶结物强度共同决定了赤泥基泡沫轻质土的强度。湿密度对内部孔隙结构有着直接的影响，湿密度越小，内部圆孔越多，且圆孔孔径分布均匀性较差，平均孔径也较大。湿密度为600 kg/m3时，部分圆孔间甚至形成贯通的裂缝，严重降低了赤泥基泡沫轻质土强度；而湿密度为1000 kg/m3时，内部圆孔较少，且圆孔孔径分布均匀性较好，平均孔径较小，孔隙与周围胶结物共同形成了较为密实的结构，对应的赤泥基泡沫轻质土强度也更高。从表3中也可以看出，湿密度从600 kg/m3增大到1000 kg/m3，赤泥基泡沫轻质土7 d和28 d无侧限抗压强度分别提高了27.4%和31.5%，由此可知，湿密度的增大能显著提高赤泥基泡沫轻质土的无侧限抗压强度。这与文献[18]和文献[19]中得到的泡沫轻质土无侧限抗压强度随湿密度增大呈现指数函数增长的结论一致。

图2为湿密度为1000 kg/m3、水胶比为0.4时，赤泥掺量分别为10%、30%时的赤泥基泡沫轻质土SEM照片。

图2 不同赤泥掺量赤泥基泡沫轻质土SEM照片（3000倍）

从图2可以看出，赤泥-脱硫石膏-水泥复合体系的水化过程中生成了明显的针棒状钙钒石晶体；赤泥掺量对水化产物数量有着直接影响，对比赤泥掺量分别为10%和30%时的SEM照片可知：赤泥掺量越高，水化反应生成的针棒状钙钒石越多，且形成的胶结物也更为致密。这是因为赤泥本身富含硅铝氧化物等活性物质，其与水泥、石膏组成的复合反应体系发生水化反应的本质是强碱环境与硫酸盐激发共同作用的结果：一方面，脱硫石膏溶解后产生的SO42-和体系中的Ca2+与赤泥中的活性铝成分发生反应生成钙钒石[20]，对于赤泥具有一定的激发作用；另一方面，赤泥本身具有的碱性也更有利于复合胶凝体系的水化反应进程，促进更多水化产物的生成，提高赤泥基泡沫轻质土硬化体的强度。

4 工程应用

4.1 项目概况

沾化至临淄高速公路第四标段项目路线全长14.3 km，按双向六车道高速公路标准建设，设计速度120 km/h，该标段路线全部位于山东省淄博市境内，离山东铝业有限公司赤泥堆场约21 km。为充分利用地区工业固废资源，实现赤泥的规模化消纳与资源利用，依托该项目开展赤泥基轻质路基试验段研究。试验段位于高新区一号高架桥大桩号桥台与箱涵之间，设计长度68 m。试验段路基设计纵断面如图3所示。

赤泥基泡沫轻质土采用与传统泡沫轻质土相同的泵送浇筑施工方法，现场施工工艺如图4所示。

图3 赤泥基泡沫轻质土路基纵断面

图4 赤泥基泡沫轻质土路基施工流程

根据前期室内试验结果，确定试验段赤泥基泡沫轻质土中赤泥掺量为20%。根据路基层位要求设计不同的浇筑湿密度，其中路床部位设计湿密度为1000 kg/m3，28 d无侧限抗压强度不低于1.0 MPa；路堤部位设计湿密度为850 kg/m3，28 d无侧限抗压强度不低于0.8 MPa。

4.2 性能检测

根据CJJ/T 177—2012及设计要求对赤泥基泡沫轻质土路基关键性能指标流动度和无侧限抗压强度进行现场检测。湿密度的检测频率为每一浇筑层检测6次；无侧限抗压强度检测频率为每浇筑400 m3检测2组。部分检测结果见表7。

表7 赤泥基轻质土性能检测结果

从表7可以看出，赤泥基泡沫轻质土具有较好的施工流动性和强度，现场检测流动度在178~188 mm范围内；路堤浇筑部位28 d无侧限抗压强度在0.89~0.97 MPa，路床部位在1.12~1.25 MPa范围内，相应指标均满足CJJ/T 177—2012及设计文件要求。

5 结论

（1）赤泥基泡沫轻质土正交试验结果表明：对于流动度，影响因素的显著性从大到小依次为水胶比、赤泥掺量和湿密度；对于7 d和28 d无侧限抗压强度，影响因素的显著性从大到小依次为湿密度、赤泥掺量和水胶比。

（2）以流动度为指标时，赤泥掺量为10%、湿密度为800 kg/m3、水胶比为0.6时，赤泥基泡沫轻质土的流动性最优；以无侧限抗压强度为指标时，赤泥掺量为30%、湿密度为800 kg/m3、水胶比为0.4时，赤泥基泡沫轻质土7 d和28 d无侧限抗压强度最高。采用功效系数法综合考虑赤泥基泡沫轻质土的流动性和无侧限抗压强度时，赤泥掺量为20%、湿密度为1000 kg/m3、水胶比为0.4时，赤泥基泡沫轻质土的综合性能最佳。

（3）赤泥基泡沫轻质土的水化产物主要为针棒状钙钒石和水化硅酸钙。湿密度对赤泥基泡沫轻质土内部存在的封闭圆孔结构影响显著：湿密度越小，圆孔分布数量越多且越不均匀；赤泥掺量的提高有助于水化产物的生成，提高泡沫轻质土的强度。

（4）赤泥基泡沫轻质土路基试验段现场测试结果表明，采用赤泥部分取代水泥制备泡沫轻质土并进行轻质路基浇筑时，施工性能指标均能满足CJJ/T 177—2012要求，具有良好的工程应用前景。