赤泥基胶凝材料改良粉砂土性能研究及应用

张晓果，杨博，褚付克，常迅夫，侯坤

（1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 451450；
2.河南省固废材料道路工程循环利用重点实验室，河南 郑州 451450）

豫东黄河泛滥地区的土以粉砂土为主，该土粉粒含量高，级配较差，塑性指数低，抗剪强度低，毛细作用强烈，水稳定性较差，为欠固结堆积土，直接用于高等级公路的路基填土材料时，在动荷载的作用下，路基容易产生变形、沉陷、失稳等破坏[1]。根据JTG/T 3610—2019《公路路基施工技术规范》的规定，粉砂土作为一种特殊的填土材料不宜直接用于填筑路基，需要采取必要的技术措施进行处理，并得到验证后才可以使用，通常采用水泥进行土质改良，用于路基工作区的填料。

赤泥是制铝过程中排出的污染性工业废渣，我国每年排放量高达数百万吨。由于赤泥碱含量高，杂质多且难以脱除，限制了其规模化利用[2]。然而，烧结法赤泥含有大量的硅酸二钙等活性成分，具有一定的水化活性，如果进行深加工，制备赤泥基胶凝材料，用于改良黄泛区粉砂土土质，实现路基填土的规模化利用，具有较大的经济、社会与环境效益。

本文以烧结法赤泥、矿渣粉、电石渣、钛石膏等工业废渣为原材料制备赤泥基凝胶材料。以水泥改良粉砂土为对照组，研究赤泥基胶凝材料的凝结时间、强度、水化速率以及改良土的无侧限抗压强度及路用性能，全面了解赤泥基胶凝材料及其改良粉砂土的性能，并进行实体工程应用。

1.1 试验材料

（1）素土

本试验用粉砂土取自某高速路基取土场，土质松散，含砂量大，没有粘聚性，液限为31.5%、塑限为25.2%、塑性指数为6.3%，属于低液限粉土，土的颗粒分布如表1所示。

表1 素土的颗粒分布

由表1可知，素土中＞0.075 mm颗粒含量只有7.86%。

（2）无机结合料

将烧结法赤泥、矿渣粉、电石渣、钛石膏等工业固废，经过烘干，混合研磨至比表面积大于450 m2/kg，即得到赤泥基胶凝材料。其中m（烧结法赤泥）∶m（矿渣粉）∶m（电石渣）∶m（钛石膏）=40∶30∶15∶15。烧结法赤泥来源于中铝中州铝业有限公司，电石渣来源于平顶山中悦环保科技有限公司，钛石膏来源于龙蟒佰利联集团股份有限公司，矿渣粉为市售S95级粒化高炉矿渣，各原材料的主要化学成分如表2所示。水泥采用天瑞水泥P·F32.5水泥。

表2 原材料的主要化学成分 %

1.2 测试方法

（1）凝结时间与抗压强度：按照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》中试验方法测试初凝与终凝时间；
按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》测试7、28 d抗压强度。

（2）土的密度、液限、塑限和CBR：按照JTG E40—2007《公路土工试验规程》进行测试。

（3）赤泥基胶凝材料与水泥改良土的水稳系数和4 h凝结时间影响系数：按照CJ/T 486—2015《土壤固化外加剂》进行测试。

（4）改良土7、28 d无侧限抗压强度：7 d无侧限抗压强度试验按照JTGE 51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行，由于标准中没有28 d无侧限抗压强度的试验方法，本试验按照以下方法进行：改良土试件成型后，在相对湿度为95%条件下养护6 d，在清水中浸泡22 d后，测试其28 d无侧限抗压强度。

2.1 土的物理、力学性质

为能够直观反映土体颗粒情况，采用荧光显微镜对土样进行100倍放大观察，结果如图1所示。

由图1可见，粉土颗粒均匀集中，砂粒磨圆度较高，黏粒成分较少。颗粒间隙较大，颗粒间的粘聚力就小，难以压密实，将其应用于工程中易产生滑移，且受雨水冲刷易发生表面颗粒流失，导致结构破坏。

土体的击实曲线如图2所示。

由图2可见，击实曲线大致为开口向下的抛物线，随含水率的增加，干密度先增大后减小，在含水率为11.86%时达到最大，为1.82 g/cm3。

依据JTG E40—2007中承载比试验（CBR）方法，按击实试验得到的最大干密度和最佳含水率配料，按重型击实试验方法制样，结果如表3所示。

表3 土样的CBR

由表3可见，黄泛区粉砂土的CBR值较低，在3.5%左右，低于JTG D30—2015《公路路基设计规范》中路床路基填料CBR大于8%的要求，因此粉砂土不宜直接作为路基填料，需要对其进行改良处治。

2.2 胶凝材料性能研究

P·F32.5水泥及赤泥基胶凝材料的凝结时间及抗压强度如表4所示。

表4 胶凝材料的凝结时间与抗压强度

由表4可见，赤泥基胶凝材料28 d抗压强度可达到32.8 MPa。表明工业废渣的矿物成分可以产生协同水化作用，表现出一定的水化活性。与P·F32.5水泥相比，赤泥基胶凝材料前期水化活性较低，致使其凝结时间是水泥的2倍多，但凝结时间延长便于赤泥基胶凝材料处治土施工控制。

为了研究赤泥基胶凝材料的水化效应，采用扫描电镜（SEM）对比研究了7 d龄期水泥与赤泥基胶凝材料净浆微观结构，如图3所示。

由图3（a）可以观察到，硬化水泥浆体中有大量针状水化产物，这是水泥中的C3A、C2A水化反应产生的C-S-H凝胶。由图3（b）可观察到，硬化赤泥基胶凝材料浆体中也同样存在针状水化产物C-S-H凝胶，但C-S-H凝胶分布密度明显低于水泥浆体，表明赤泥基胶凝材料具有一定水化活性，但与水泥相比，水化活性要差一些。这也是赤泥基胶凝材料早期胶砂强度比水泥低的原因。

采用TAM Air水泥水化热测量仪，在水胶比均为0.5情况下，对比研究了水泥与赤泥基胶凝材料的水化放热情况，如图4所示。

由图4可见，赤泥基胶凝材料的初始放热量大于水泥，可能是由于在胶凝材料生产过程中二水石膏脱水成了半水石膏，赤泥基胶凝材料遇水后，半水石膏快速反应，致使水化放

热速率加快。随着水化反应的进行，赤泥基胶凝材料水化诱导期比水泥长，表明赤泥基胶凝材料的凝结时间长于水泥。

2.3 胶凝材料稳定粉土性能研究

根据路基设计规范要求，对不同掺量赤泥基胶凝材料和水泥混合料进行击实试验及CBR试验，结果如表5所示。

表5 胶凝材料稳定粉土的路用性能

由表5可知，相同掺量时，赤泥基胶凝材料改良土CBR是水泥土的1.28倍以上，且3%赤泥基胶凝材料改良土CBR高于4%水泥改良土，符合JTG D30—2015中路床路基填料CBR大于8%的要求。

对不同掺量赤泥基胶凝材料和水泥改良土进行了7、28 d无侧限抗压强度、水稳系数和4 h凝结时间影响系数试验，结果如表6所示。

由表6可知：（1）掺量均为3%时，赤泥基胶凝材料改良土的7 d无侧限抗压强度是水泥土的1.32倍；
28 d时，增长到1.44倍，表明从7 d到28 d龄期，改良土泡水强度稳定增长，表明赤泥基胶凝材料改良土具有良好的水稳定性。（2）赤泥基胶凝材料改良土的4 h凝结时间影响系数均大于水泥改良土，这是由于赤泥基胶凝材料初凝时间已超过9 h，4 h凝结时间试验对其改良土的无侧限抗压强度影响较小。

表6 胶凝材料改良粉土的性能

2.4 改良土的微观分析

2.4.1 XRD分析

经过28 d养护的4%水泥改良土和4%赤泥基胶凝材料改良土的XRD图谱如图5所示。

由图5可知，2种改良土均生成了钙矾石和水化硅酸钙。但水泥改良土中的水化硅酸钙和钙矾石的峰值均低于赤泥基胶凝材料改良土，表明赤泥基胶凝材料改良土中产生更多的水化硅酸钙和钙矾石等水化产物。这主要是由2个原因：（1）赤泥基胶凝材料改良土中电石渣提供大量的自由Ca2+参与黏土粒反应，形成稳定、高强度的水化硅酸钙产物；
（2）赤泥基胶凝材料中三氧化硫含量高于水泥，更有利于促进大量钙矾石生成。

2.4.2 荧光显微镜分析

为能够更直观反映改良土的微观形貌，将经过无侧限抗压试验结束后的28 d改良土试件磨细，粉末过325目筛，采用荧光显微镜对4%水泥改良土和4%赤泥基胶凝材料改良土样放大100倍和400倍进行观察，结果如图6和图7所示。

由图6可知，放大100倍时，2种改良土中砂粒明显可见，黏粒成分较少，与无固化的粉砂土没有明显区别。

对比图7（a）和（b）可以明显看出，当放大至400倍时，赤泥基胶凝材料改良土中存在大量10μm左右长的针棒状微粒，而水泥改良土没有明显见到这种形状微粒，表明赤泥基胶凝材料在土中已生成明显区别于水泥改良土的微观结构，而这种针棒状或条形结构可能就是C-S-H凝胶或者钙矾石，验证了XRD图谱中赤泥基胶凝材料改良土中钙矾石和C-S-H凝胶的生成量或结晶度要高于水泥改良土。

2.5 工程应用

赤泥基胶凝材料在某高速公路进行了实体工程应用（见图8）。该高速经过河南滑县和卫辉，属于旧黄河故道的泛滥区，曾经泛滥的黄河水留下了深厚的泥沙积层。这类土质主要由砂粒和粉粒组成，且砂粒占比较大，黏性颗粒的含量较少，土颗粒间粘聚力较差，塑性指数低，松散易透水，难以压实，填筑效果差。

赤泥基胶凝材料改良粉砂土施工工艺与水泥土一致。参考室内试验数据，采用4%赤泥基胶凝材料改良粉砂土进行路床填筑，经现场检测，现场压实度97.2%（上路床设计要求≥96%），现场取拌合土进行室内试验，CBR值为57.5%（上路堤要求≥8%），7 d无侧限抗压强度为1.2 MPa，各项指标均满足JTG/T 3610—2019《公路路基施工技术规范》设计及验收要求，工程应用效果良好。

（1）赤泥基胶凝材料28 d抗压强度可达到32.8 MPa，与P·F32.5水泥相比，赤泥基胶凝材料前期水化活性较低，凝结时间长，便于处治土施工控制。

（2）掺量均为3%时，赤泥基胶凝材料改良土7 d无侧限抗压强度是水泥土1.32倍，到28 d时，增长到1.44倍；
其CBR值是水泥土的1.28倍以上；
4 h凝结时间影响系数均大于水泥改良土。

（3）微观分析可知，赤泥基胶凝材料改良土中存在大量10 μm左右长的针棒状微粒，验证了XRD图谱中赤泥基胶凝材料改良土中钙矾石和C-S-H凝胶的生成量或结晶度要高于水泥改良土。

（4）采用4%赤泥基胶凝材料改良粉砂土进行路床填筑，压实度为97.2%，CBR为57.5%，7 d无侧限抗压强度为1.2 MPa，性能均满足设计及验收要求，工程应用效果良好。