張嘉明,張濤,李昶
(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院,江蘇 南京 210096;2.淄博市公路局,山東 淄博 255038)
二灰穩(wěn)定燒結(jié)法赤泥基層試驗(yàn)研究
張嘉明1,張濤2,李昶1
(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院,江蘇 南京 210096;2.淄博市公路局,山東 淄博 255038)
為有效利用赤泥,減少對(duì)自然環(huán)境的破壞,研究將赤泥應(yīng)用在道路基層的可行性。進(jìn)行二灰穩(wěn)定赤泥的配合比設(shè)計(jì),根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)優(yōu)選出m(赤泥):m(石灰):m(粉煤灰)=70:7.5:22.5為最佳配合比。以此配合比為基礎(chǔ),用掃描電子顯微鏡對(duì)二灰穩(wěn)定赤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件進(jìn)行觀察,說(shuō)明二灰穩(wěn)定赤泥的強(qiáng)度形成機(jī)理。對(duì)二灰穩(wěn)定赤泥進(jìn)行完整的性能試驗(yàn),得出一系列性能和力學(xué)指標(biāo),表明二灰穩(wěn)定赤泥符合規(guī)范的相關(guān)要求,可以用于道路基層。
二灰穩(wěn)定赤泥;配合比設(shè)計(jì);強(qiáng)度形成機(jī)理;性能試驗(yàn);力學(xué)試驗(yàn)
赤泥是鋁土礦經(jīng)過(guò)物理和化學(xué)過(guò)程處理,制取氧化鋁產(chǎn)品后剩余的紅色泥狀、含水量較高的強(qiáng)堿性固體廢料。因礦石品位、生產(chǎn)方法和技術(shù)水平的不同,大約每生產(chǎn)1 t氧化鋁要排放1.0~1.8 t的赤泥[1]。商用氧化鋁精煉方法有燒結(jié)法、拜耳法和組合處理法(拜耳燒結(jié)法),在我國(guó)燒結(jié)法赤泥的存量遠(yuǎn)比其他兩種方法多[2],一般采用建設(shè)堆場(chǎng)集中堆積的方法處理,占用大量農(nóng)田用地;另外,如果防護(hù)措施不完善,赤泥廢液還可能污染地下水源,使其永久堿化[3]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)環(huán)境問(wèn)題愈加重視,赤泥處理逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)話題。
目前對(duì)赤泥的利用主要集中在從特定方法產(chǎn)生的赤泥中回收鐵、鈧、鈦等金屬,用作生產(chǎn)玻璃陶瓷的原料,處理廢氣廢水、作為新型建筑材料使用以及用于生產(chǎn)化肥等[4-13]。因赤泥具有凝結(jié)性,如果將大量的赤泥材料與合適的無(wú)機(jī)結(jié)合料混合后用作道路基層或底基層材料,可以消耗大量的赤泥。前蘇聯(lián)最早將赤泥應(yīng)用到道路基層,1981年鋪筑了以赤泥作為道路基層的試驗(yàn)路[14]。但是到目前為止,將赤泥材料用于道路基層的技術(shù)仍然處于起步階段,并沒(méi)有一套成熟的理論[15]。
為有效利用赤泥,減少對(duì)自然環(huán)境的破壞,以某公司生產(chǎn)氧化鋁排放的燒結(jié)法赤泥為原料,對(duì)二灰穩(wěn)定燒結(jié)法赤泥材料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),得出最佳配合比;然后在掃描電子顯微鏡下對(duì)二灰穩(wěn)定燒結(jié)法赤泥材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,說(shuō)明其強(qiáng)度形成的機(jī)理;最后進(jìn)行較完整的性能試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn),并測(cè)定包括抗壓回彈模量和間接抗拉強(qiáng)度等的力學(xué)參數(shù),驗(yàn)證二灰穩(wěn)定燒結(jié)法赤泥用作路面基層或底基層的可行性。
1.1原材料
二灰穩(wěn)定赤泥的原材料包括燒結(jié)法赤泥、石灰、粉煤灰和水。
1)赤泥。選用某公司生產(chǎn)氧化鋁排放的燒結(jié)法赤泥,制備試件用的赤泥已被破碎、分散。由于赤泥質(zhì)地較軟,在篩分過(guò)程中會(huì)進(jìn)一步破碎,造成級(jí)配變化,因此采用天然級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)。其化學(xué)組成如表1所示。
表1 赤泥的化學(xué)組成
2)石灰。石灰質(zhì)量應(yīng)符合Ⅲ級(jí)以上技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),本文采用Ⅰ級(jí)消石灰,有效氧化鈣和氧化鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和達(dá)到83.9%,符合試驗(yàn)要求[16]。
3)粉煤灰。試驗(yàn)采用某熱電廠生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰,檢測(cè)結(jié)果如表2所示,滿足道路基層的使用要求[16]。
表2 粉煤灰檢測(cè)結(jié)果
4)水。按飲用水標(biāo)準(zhǔn)選用。
1.2配合比設(shè)計(jì)
二灰穩(wěn)定赤泥配合比設(shè)計(jì)的目標(biāo)是確定燒結(jié)法赤泥、石灰和粉煤灰材料相互配合的最佳組成比例,使之既滿足無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的技術(shù)要求又符合經(jīng)濟(jì)性的原則。二灰穩(wěn)定赤泥的配合比設(shè)計(jì)的基本步驟與一般二灰穩(wěn)定類混合料一致,首先制備相同集料、不同二灰劑量的混合料,進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),由此確定最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(最佳含水量)和最大干密度,再分別以最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和最大干密度制備不同比例的試件,最后用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定二灰穩(wěn)定赤泥混合料的最佳配合比。
根據(jù)二灰穩(wěn)定材料的相關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn),赤泥用量初始定為70%、80%和90%,石灰與粉煤灰的質(zhì)量比初定為1:2、1:3、1:4和2:3,共有12個(gè)組合,每個(gè)組合同時(shí)做擊實(shí)試驗(yàn),確定最大干密度及最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù),然后再根據(jù)每個(gè)組合的最大干密度和最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別做7 d和28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
表3 不同配比的二灰穩(wěn)定赤泥的最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和最大干密度
根據(jù)文獻(xiàn)[16]的相關(guān)規(guī)定,公路基層和底基層的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)符合表4的要求。
表4 公路基層和底基層的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn) MPa
由表3可知:當(dāng)赤泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時(shí),混合料7 d和28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高,可以達(dá)到高速公路和一級(jí)公路基層的要求;赤泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%和90%時(shí),基本可以滿足二級(jí)及以下公路基層和各級(jí)公路底基層的要求(見表4)。二灰穩(wěn)定赤泥具有緩凝性能, 與7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比,28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均提高2倍以上,證明其后期強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著。考慮到赤泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%左右時(shí)混合料強(qiáng)度較高,同時(shí)考慮用料的經(jīng)濟(jì)性與合理性,選擇m(赤泥):m(石灰):m(粉煤灰)=70:7.5:22.5的配合比作為最佳配合比,并以此配合比為代表,作為后續(xù)試驗(yàn)的配合比。
二灰穩(wěn)定赤泥混合料在壓實(shí)成型后,由固相(石灰、粉煤和灰赤泥)、液相(水溶液)和氣相(空氣)三相組成,三相之間相互作用的結(jié)果使得二灰穩(wěn)定赤泥混合料具有較高的強(qiáng)度和剛度[15]。將不同齡期的試件放在掃描電子顯微鏡下觀察可以更為直觀地觀察二灰穩(wěn)定赤泥的強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程。
選擇混合料的配合比為m(赤泥):m(石灰):m(粉煤灰)=70:7.5:22.5,水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%。由于不易在電鏡下觀察成型原狀赤泥,進(jìn)一步將其粉碎成細(xì)粒土狀進(jìn)行試驗(yàn)。制作無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)生。試件達(dá)到養(yǎng)生期后,將其從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室拿出,放入80 ℃的烘箱中烘干24 h,確保試件中不再含有自由水。再?gòu)暮娓傻脑嚰先≈睆叫∮? cm的試塊若干,將表面處理平整后,在每個(gè)試塊擬觀察的表面上噴銀,待銀層凝固后,再用掃描電子顯微鏡(SEM)不同的放大倍數(shù)進(jìn)行觀察,然后利用掃描電鏡拍攝有特征的微區(qū)形貌[17]。根據(jù)傳統(tǒng)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律,選擇7、14和28 d 3個(gè)齡期進(jìn)行觀察。7 d齡期的試件在掃描電子顯微鏡下的形貌如圖1所示。
a)放大600倍 b)放大3 000倍圖1 7 d齡期二灰穩(wěn)定燒結(jié)法赤泥SEM形貌
圖1中的條狀物為石灰,球狀物為粉煤灰,不規(guī)則形狀物為赤泥顆粒。在試件成型初期,塊狀赤泥顆粒堆積在一起,石灰和粉煤灰堆積在赤泥顆粒的表面。試件中有少部分石灰和粉煤灰已經(jīng)開始反應(yīng)。14 d齡期的試件在掃描電子顯微鏡下的形貌如圖2所示。
a)放大600倍 b)放大3 000倍圖2 14 d齡期二灰穩(wěn)定燒結(jié)法赤泥SEM形貌
由圖2可見,大部分赤泥顆粒和少量粉煤灰顆粒的表面開始變粗糙,有片狀物生成,這表明有新的生成物,且生成物主要來(lái)源于石灰和赤泥。28 d齡期的試件在掃描電子顯微鏡下的形貌如圖3所示。
a)放大600倍 b)放大3 000倍圖3 28 d齡期二灰穩(wěn)定燒結(jié)法赤泥SEM形貌
由圖3可見,相比于7 d齡期和14 d齡期,此時(shí)的生成物更多,石灰、粉煤灰和赤泥顆粒反應(yīng)較為完全,生成物在赤泥顆粒之間形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),混合料逐漸形成為一個(gè)整體。
由3個(gè)齡期的電子顯微鏡照片可見,7 d齡期試件中只有少部分石灰和粉煤灰開始了反應(yīng),這時(shí)的強(qiáng)度主要由赤泥顆粒之間的擠嵌力構(gòu)成,因此試件強(qiáng)度較低。14 d齡期時(shí),反應(yīng)的生成物主要來(lái)源于3個(gè)方面:消石灰水化后的結(jié)晶作用形成的氫氧化鈣晶體、消石灰與空氣中二氧化碳反應(yīng)生成的碳酸鈣晶體以及石灰與赤泥顆粒之間的火山灰反應(yīng)。與石灰相比,赤泥含量較多,空氣中二氧化碳含量較少,消石灰的水化反應(yīng)和碳酸化作用并不明顯,因此生成物主要是火山灰反應(yīng)的產(chǎn)物,但是此時(shí)反應(yīng)仍然不完全。28 d齡期時(shí),火山灰反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,并且可以看到粉煤灰也參與了火山灰反應(yīng),這時(shí)火山灰反應(yīng)相對(duì)比較完全,試件強(qiáng)度主要由火山灰反應(yīng)的產(chǎn)物產(chǎn)生的粘聚力構(gòu)成。由此可見火山灰作用是混合料強(qiáng)度增長(zhǎng)的主要原因,且隨著齡期的增長(zhǎng),火山灰作用也在逐漸增強(qiáng)?;鹕交曳磻?yīng)是一個(gè)漫長(zhǎng)的反應(yīng),作用時(shí)間很長(zhǎng),因此后期二灰穩(wěn)定赤泥的強(qiáng)度很高,板體性也很好。
綜上所述,通過(guò)在電子顯微鏡下觀察3個(gè)齡期的二灰穩(wěn)定赤泥試件,可以看出與一般二灰穩(wěn)定類材料相似,二灰穩(wěn)定赤泥在試件成型初期的強(qiáng)度主要由赤泥顆粒之間的嵌擠力構(gòu)成,強(qiáng)度較低;隨著齡期的增長(zhǎng),石灰和粉煤灰之間、石灰和赤泥之間產(chǎn)生的離子交換作用、結(jié)晶作用、碳酸化作用和火山灰作用等形成了粘聚力,使混合料慢慢固結(jié)成一個(gè)整體,強(qiáng)度和板體性隨之提高,達(dá)到路面基層所需的強(qiáng)度和剛度。
在初步選定配合比后,還需進(jìn)行一系列試驗(yàn)對(duì)二灰穩(wěn)定赤泥材料用作道路基層的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。因此按照文獻(xiàn)[18]中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。
3.1穩(wěn)定性試驗(yàn)
穩(wěn)定性試驗(yàn)包括抗凍性試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)、溫縮試驗(yàn)、凍融試驗(yàn)和抗沖刷試驗(yàn)等性能試驗(yàn),同樣以m(赤泥):m(石灰):m(粉煤灰)=70:7.5:22.5的配合比混合料為代表進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果如表5所示。
表5 二灰穩(wěn)定赤泥性能試驗(yàn)結(jié)果
文獻(xiàn)[19]中規(guī)定,路面基層材料的凍后強(qiáng)度比≥70%,顯然二灰穩(wěn)定赤泥符合規(guī)范要求;二灰穩(wěn)定赤泥會(huì)發(fā)生干縮和溫縮,是典型的無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的特征,且其平均干縮系數(shù)大于平均溫縮系數(shù),表明二灰穩(wěn)定赤泥的縮裂主要來(lái)源于干縮,因此須在養(yǎng)生期注意保持濕度;另外,凍融試驗(yàn)的強(qiáng)度損失較低,表明二灰穩(wěn)定赤泥有較好的凍融穩(wěn)定性;由抗沖刷試驗(yàn)結(jié)果可知,二灰穩(wěn)定赤泥的質(zhì)量損失極低,表明其水穩(wěn)定性也比較好。因此,由以上一系列的穩(wěn)定性試驗(yàn),二灰穩(wěn)定赤泥作為路面基層的穩(wěn)定性較好,符合相關(guān)規(guī)范的要求。
3.2疲勞試驗(yàn)
以山東淄博地區(qū)常用的二灰細(xì)粒土作為對(duì)比,對(duì)二灰穩(wěn)定赤泥進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)中二灰細(xì)粒土采用m(細(xì)粒土):m(石灰):m(粉煤灰)=70:7.5:22.5的配合比,二灰穩(wěn)定赤泥采用m(赤泥):m(石灰):m(粉煤灰)=70:7.5:22.5的配合比,在最大干密度對(duì)應(yīng)的最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)處成型,荷載頻率均為10 Hz,以0.79、0.84和0.89 3種應(yīng)力強(qiáng)度比進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。
表6 二灰穩(wěn)定赤泥疲勞試驗(yàn)結(jié)果
由表6可知,二灰穩(wěn)定赤泥的疲勞性能與淄博地區(qū)常用的普通二灰細(xì)粒土相當(dāng),因此可以用于道路基層或底基層的使用。
3.3力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)
對(duì)二灰穩(wěn)定赤泥進(jìn)行了抗壓回彈模量和間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),平均抗壓回彈模量為1 151 MPa,間接抗拉強(qiáng)度為0.318 MPa,抗壓回彈模量和間接抗拉強(qiáng)度的變異系數(shù)較低,分別為5.53%和0.68%,抗壓回彈模量和間接抗拉強(qiáng)度的95%的保證率值分別為894.43和0.314 MPa。其他路面基層或底基層常用半剛性材料的抗壓回彈模量和間接抗拉強(qiáng)度的取值[20]如表7所示。
表7 其他材料的力學(xué)指標(biāo)
由表7可知,與其他常用材料相比,二灰穩(wěn)定赤泥的抗壓回彈模量較高,而間接抗拉強(qiáng)度與其他常用材料相當(dāng)。由于我國(guó)瀝青路面中瀝青面層一般較薄,承載能力一般由基層和底基層來(lái)滿足,因此具有較高抗壓回彈模量的二灰穩(wěn)定赤泥作為基層或底基層材料具有很好的使用價(jià)值。
1)設(shè)計(jì)二灰穩(wěn)定赤泥的配合比,通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定赤泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%左右比較合理,石灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜過(guò)大,最終確定m(石灰):m(粉煤灰)=1:3,最終配合比為m(赤泥):m(石灰):m(粉煤灰)=70:7.5:22.5,最佳水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.4%。
2)通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),可以看出優(yōu)選配合比試件的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都大于等于文獻(xiàn)[16]規(guī)定的限值,可以用于高速和一級(jí)公路的路面基層。
3)二灰穩(wěn)定赤泥在拌合初期,其強(qiáng)度主要由赤泥顆粒之間的嵌擠力構(gòu)成,強(qiáng)度較低;隨著齡期的增長(zhǎng),強(qiáng)度以石灰和粉煤灰之間、石灰和赤泥之間產(chǎn)生的離子交換作用、結(jié)晶作用、碳酸化作用和火山灰作用等形成的粘聚力為主。
4)二灰穩(wěn)定赤泥的抗凍性、收縮性和抗沖刷性能等表現(xiàn)良好,疲勞性能與淄博地區(qū)常用二灰土相當(dāng);與常用半剛性材料相比,二灰穩(wěn)定赤泥的抗壓回彈模量較高,而間接抗拉強(qiáng)度則與常用半剛性材料相當(dāng)。
綜上所述,利用生產(chǎn)氧化鋁排放的燒結(jié)法赤泥經(jīng)過(guò)石灰和粉煤灰穩(wěn)定后的材料用于道路基層是可行的,并且具有很好的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。
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ExperimentalStudyonLimeandFly-AshStabilizedSinteredRedMudinRoadBase
ZHANGJiaming1,ZHANGTao2,LIChang1
(1.SchoolofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China; 2.ZiboHighwayBureau,Zibo255038,China)
In order to utilize the red mud efficiently and reduce the pollution of the natural environment, an experimental study is carried to verify if it could be used in the road base. According to compaction tests and unconfined compression strength tests, 70:7.5:22.5 is the optimum mixture ratio of materials. Then, the samples of fly-ash stabilized sintered red mud with this mixture ratio are observed by using scanning electron microscopy to describe the strength mechanism. A series of tests for performance and mechanics are carried out with the optimum mixture ratio. It turns out that the fly-ash stabilized sintered red mud can meet some relevant requirements of standard and it can be used in road base.
fly ash stabilized sintered red mud; mixture design; strength mechanism; performance test; mechanical test
U414.1
:A
:1672-0032(2017)03-0081-07
(責(zé)任編輯:郎偉鋒)
2017-01-13
張嘉明(1992—),男,沈陽(yáng)人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槁坊访婀こ?,E-mail: seutranser@foxmail.com.
10.3969/j.issn.1672-0032.2017.03.013