新型赤泥基泡沫轻质土材料性能及应用.pdf
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1、第 63 卷 第 10 期2023 年10 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.10October 2023文章编号:10031995(2023)10011806新型赤泥基泡沫轻质土材料性能及应用刘雪雨1 周国印2 孔晓光2 陈国红2 李鹏1 王凯3 于海洋4 徐程4 王蕾11.中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 266404;2.山东高速高新科技投资有限公司,济南 250013;3.山东百廿慧通工程科技有限公司,济南 250013;4.山东高速岩土科技有限公司,济南 250014摘要 为解决路基不均匀沉降引起的桥头跳车及发泡水泥用于桥背回填时造价过高等问题,将
2、赤泥掺入泡沫轻质土中制备新型绿色赤泥基路基材料,基于强度需求与经济效益设计了多组配合比,通过室内试验对赤泥基泡沫轻质土(Red Mudbased Foam Lightweight Soil,RMFLS)的配合比进行优选。结果表明:赤泥掺量40%、赤泥熟石灰为3 1时力学性能最佳,抗压强度可达1.13 MPa,弹性模量可达15.08 MPa。以实际工程为依托,建立路基填筑三维数值模型,分析同等条件下不同工况的位移与应力变化情况,RMFLS填筑路基的整体性较好,均布荷载下的位移量小于填土路基,应力分布均匀。研究结果可为RMFLS在道路路基工程中的应用提供理论依据。关键词 路桥过渡段;工程材料;沉降
3、量;试验研究;桥头跳车;赤泥;泡沫轻质土中图分类号 U213.1 文献标识码 A DOI:10.3969/j.issn.10031995.2023.10.22引用格式:刘雪雨,周国印,孔晓光,等.新型赤泥基泡沫轻质土材料性能及应用 J.铁道建筑,2023,63(10):118123.泡沫轻质土是由泡沫、胶凝材料、水以及集料按照一定配合比混合并经过一系列物理、化学反应硬化形成的轻质材料1-2,以其轻质性、高流动性、抗冲击性能好等优点被广泛应用于高速公路、铁路等基础设施建设中3-4。泡沫轻质土以水泥为主要胶凝材料时需要消耗大量的水泥,工程造价较高,选择难以处理的固体废弃物部分替代水泥制备泡沫轻质土
4、具有显著的科学意义与应用价值。利用固体废弃物作为原料对以水泥为主要胶凝材料的泡沫轻质土进行改良已取得较多进展。段龙飞等5利用尾矿和水泥制备气泡混合轻质土,当尾矿掺量为30%时,密度为800 kg/m泡沫轻质土的28 d无侧限抗压强度可达2.5 MPa。赵正峰等6利用烧结法赤泥、铝土矿尾矿、钛石膏等原料制成的工业废渣复合再生胶凝材料泡沫土具有良好的抗干缩性能,在经过8次冻融循环后抗压强度高于水泥泡沫土。蒋善国等7发现当燃煤炉渣 水泥 石灰石粉 激发剂=5 4 1 0.4 时,设计湿密度为 650 kg/m的燃煤炉渣基泡沫轻质土的28 d无侧限抗压强度可达1.63 MPa。综上,利用固体废弃物制备
5、泡沫轻质土具有较高可行性及广阔应用前景,但是将我国大体量堆积的固体废弃物掺入泡沫轻质土并探究其在实际工程中应用的可行性成为了亟待解决的问题。赤泥是氧化铝生产过程中产生的工业废弃物,每生产1.0 t氧化铝将排放1.5 t赤泥,目前全国累计堆积量已超8亿吨8-10。由于碱性较强且矿物成分组成复杂,导致赤泥大规模利用起来较为复杂。我国对于大部分赤泥的处理方式还是以堆积为主11-12。赤泥的堆积不仅占用了土地资源,其中的有害物质还会对环境造成不利影响13-14。我国排放的赤泥以拜耳法赤泥为主,利用大量堆积的拜耳法赤泥作为主要原料制备泡沫轻质土不仅可以减少赤泥的堆积,还可以降低工程造价。本文旨在利用拜耳
6、法赤泥作为主要原材料制备绿色路基材料RMFLS,通过无侧限抗压强度等室内试验优选最佳配合比,测试建模参数,并以青岛市某高速公路桥背回填工程为依托,利用有限差分软件FLAC 3D建立模型测试不同填筑方式下的位移、竖向应力和水平应力。分析不同填筑方式的沉降量,验证RMFLS应用于实际工程的可行性。收稿日期:20230415;修回日期:20230708基金项目:山东高速集团科研项目(YTKJ-JSZX-20211115-01)第一作者:刘雪雨(1997),男,硕士研究生。E-mail:通信作者:李鹏(1989 ),男,副教授,博士。E-mail:第 10 期刘雪雨等:新型赤泥基泡沫轻质土材料性能及应
7、用1 室内试验 1.1原材料用于制备RMFLS的原材料包括赤泥、熟石灰、水泥、发泡剂等。选用山东某铝业集团氧化铝生产过程中 产 生 的 赤 泥,利 用 XRF(X Ray Fluorescence Spectrometer)测试赤泥的化学组成,测试结果见表1。试验选用高分子复合水泥发泡剂,按照 CJJ/T 1772012 气泡混合轻质土填筑工程技术规范 要求对发泡剂性能进行测试,发泡剂性能见表2,测试结果满足CJJ/T 1772012要求。水泥选用PO 42.5普通硅酸盐水泥,成分及含量见表3。1.2试件制备按照CJJ/T 1772012要求,泡沫轻质土用于高速公路路基填筑时的最小密度为550
8、 kg/m,并从轻质、高强度等方面考虑,试验设定 RMFLS 的密度为780 kg/m,试件制备的流程见图1。由于赤泥粒径较大,在制备过程中很难被碱性激发剂充分激发。因此,赤泥需要磨细处理,具体操作为:将赤泥置于105 条件下烘干48 h,然后倒入球磨机 中 粉 碎 并 过 筛,过 筛 后 赤 泥 最 大 粒 径 不 超 过0.4 mm。将处理后的赤泥、熟石灰、水泥和水按照比例倒入搅拌机中搅拌3 min至浆液均匀,然后加入泡沫继续搅拌。由于密度会影响 RMFLS的力学性能,因此,在搅拌过程中需对浆液进行密度测试,直至达到目标密度后停止搅拌。将 搅 拌 均 匀 的 浆 液 制 成 100 mm
9、100 mm 100 mm的试件用以测试RMFLS的无侧限抗压强度;制成 50 mm(直径)100 mm(高)的试件用以测试RMFLS的应力-应变曲线和泊松比。脱模后的试件按照规范CJJ/T 1772012需进行套袋养护至养护龄期,见图2。1.3试验仪器与设备采用微机控制岩石单轴压力试验机测定RMFLS试件的28 d无侧限抗压强度,按照CJJ/T 1772012要求,设置加载速度为 0.2 MPa/s。按照 CB/T 119692020 蒸压加气混凝土性能试验方法 要求,采用万能试验机WDW100和静态应变采集仪测定RMFLS试件的应力-应变关系,设置万能试验机的加载方式为位移控制,加载速度为
10、2 mm/min,试验结束条件为5 mm。1.4试验方案以保证材料性能、降低工程成本为目标,探究赤泥与碱性激发剂比例和赤泥掺量对RMFLS强度的影响,结合CJJ/T 1772012对气泡混合轻质土的填筑要求,从无侧限抗压强度、经济效益等方面出发设计多种材料配合比。赤泥与熟石灰的比例分别为2.5 1、3.0 1、3.5 1,每种比例下的赤泥掺量分别为 40%、45%、50%、55%、60%,具体试验配合比见表4。表1赤泥的化学组成%Fe2O349.28Al2O319.39SiO212.77Na2O9.11TiO27.44CaO0.70表2发泡剂的性能气泡群密度/(kgm-3)49标准气泡柱静置1
11、 h沉降距/mm4泌水量/mL23发泡倍数20表3水泥的成分及含量%CaO62.0SiO222.6Fe2O33.2MgO3.3Al2O34.7SO32.9图1RMFLS试件制备流程图2RMFLS试件养护表4赤泥基泡沫轻质土的配合比组别A40A45A50A55A60B40B45B50B55B60C40C45C50C55C60赤泥与熟石灰的比例2.5 13.0 13.5 1含量/%赤泥40.0045.0050.0055.0060.0040.0045.0050.0055.0060.0040.0045.0050.0055.0060.00石灰16.0017.9920.0021.9823.9813.331
12、4.9916.6718.3520.0011.4312.8614.2915.7117.14水泥44.0037.0130.0023.0216.0246.6740.0133.3326.6520.0048.5742.1435.7129.2922.86119铁道建筑第 63 卷具体优选过程为:按照表 4 中的配合比,将RMFLS全部浇筑成 100 mm 100 mm 100 mm 的立方体试件并养护至28 d,利用微机控制岩石单轴压力试验机对养护至龄期的试件进行无侧限抗压强度测试。结合无侧限抗压强度数据,选取6组试件配合比并浇筑成尺寸为50 mm(直径)100 mm(高)的圆柱体试件,将应变片贴在试件中
13、间并利用万能试验机与静态应变采集仪测试试样的应力-应变曲线。通过应力-应变曲线优选最佳配合比,用应变片分别测试圆柱体试件在单轴压缩过程中的横向、轴向正应变,并计算泊松比。2 试验结果及分析 2.1无侧限抗压强度不同赤泥与碱性激发剂比例、赤泥掺量下试件的无侧限抗压强度见图3。可知:当赤泥 熟石灰为3.5 1、赤泥掺量分别为40%和45%时,两组试件无侧限抗压强度相同,这表明赤泥在熟石灰的激发下可以表现出一定的强度。随着水泥掺量的减小,试件的无侧限抗压强度呈下降趋势,这表明RMFLS抵抗外部荷载的主要强度来源为水泥的水化产物。当赤泥与熟石灰比例为3.0 1、赤泥掺量为40%时,RMFLS的强度区间
14、为0.421.13 MPa,CJJ/T 1772012规定在路堤应用中其抗压强度在0.31.0 MPa,RMFLS满足规范要求;泡沫轻质土用于高速公路、一级公路、城市主干路等线路路基填筑时的最小抗压强度为0.8 MPa,A40、A45、B40、B45、B50、C40、C45、C50 组试件满足CJJ/T 1772012要求。随着赤泥与熟石灰比例的增加,RMFLS的无侧限抗压强度呈现出先上升后下降的趋势,赤泥与熟石灰的比例为3.0 1时无侧限抗压强度最高。这表明熟石灰的掺入比例会直接影响RMFLS的力学性能,赤泥与熟石灰比例过小时会导致赤泥不能充分被激发,部分赤泥以细集料的形式存在于RMFLS内
15、部,导致赤泥基泡沫轻质土的强度偏低;赤泥与熟石灰的比例过高时,过量的熟石灰会使水泥掺量降低,进而导致强度下降。值得注意的是,试验中所有配合比的无侧限抗压强度均大于0.4 MPa,满足CJJ/T 1772012中规定的泡沫轻质土用于填筑其他等级公路路基时最小抗压强度0.4 MPa的要求。2.2应力-应变曲线应力-应变曲线可以反映材料的弹性模量及变化特征,根据试件的无侧限抗压强度,选取 A40、A45、B40、B45、C40、C45的配合比,利用万能试验机静态应变采集仪测得圆柱体试件的应力-应变曲线,结果见图4。可知:在相同赤泥与熟石灰的比例下,赤泥掺量越少,曲线在破坏阶段的应变硬化特征越明显,同
16、时,曲线在达到应力峰值后下降幅度越大,这表明赤泥的添加可以提高试件的韧性。按照 CB/T 119692020取应力为 40%时的加荷割线模量为试件弹性模量,结合图4计算可得:在相同赤泥掺量下,赤泥与熟石灰的比例越高,试件弹性模量越小,A40、B40 和 C40 试件的弹性模量分别为15.08、8.56、7.30 MPa。这表明赤泥在熟石灰激发下生成的聚合物凝胶弹性模量较大。由于RMFLS常用于桥背回填、道路改扩建等工程,要求材料具有较大刚度。因此,综合无侧限抗压强度、弹性模量、韧性等因素考虑,选取B40组试件配合比为最优配合比。2.3扫描电子显微镜观察与能谱分析为从微观角度分析RMFLS破坏机
17、制,采用电子显微镜TESCAN MIRA LMS对B40试件样本分别放大50 倍和 200 倍进行微观测定,B40 试件微观表现见图5。图5B40试件微观表现图4不同配比试件的应力-应变曲线图3赤泥掺量与28 d无侧限抗压强度关系120第 10 期刘雪雨等:新型赤泥基泡沫轻质土材料性能及应用由图5(a)可知:浆液在加入气泡搅拌时并未产生明显的消泡现象,试件内部气泡分布较均匀,且气泡之间无较厚的气泡壁,较大气泡之间的缝隙由较小气泡填充,这样可以避免试件在荷载作用下发生应力分布不均匀的情况。由图5(b)可知:试件在受到荷载作用时,较大气泡的气泡壁会首先发生破裂,这些细微裂缝会逐渐扩展贯通形成宏观裂
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