稳定赤泥路用可行性与耐久性试验研究_石名磊.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2022/30(6)-1974-12石名磊，杜旭阳，余昌运，等 2022 稳定赤泥路用可行性与耐久性试验研究J 工程地质学报，30(6):19741985 doi:1013544/jcnkijeg20210331Shi Minglei，Du Xuyang，Yu Changyun，et al 2022 Experimental research on the feasibility and durability of stable red mud in road useJ Journal ofEngineering Geology，30(6):19741985 doi:1013544/jcnkijeg20210331稳定赤泥路用可行性与耐久性试验研究*石名磊杜旭阳余昌运张瑞坤杨子豪田新涛(东南大学，南京 210096，中国)(江苏华宁工程咨询有限公司，南京 210096，中国)摘要水泥系结合料稳定赤泥应用于公路工程是消纳大宗工业固体废料赤泥的新技术路向。目前，路用稳定赤泥耐久性能的研究滞后于工程实践，为对此研究，进行稳定剂配比研究、干湿循环与冻融循环试验和微观试验。结果表明:水泥、石灰和磷石膏结合料稳定赤泥的标准强度最小为 3.6 MPa，可满足路面稳定基层承载标准，且 5 级循环后试样质量损失趋于稳定。磷石膏比例由 8%减小到 2%，5 级干湿循环后强度降低至 1.693.69 MPa，强度损失率(BD/%)达到 35.1%85.4%，5 级冻融循环后强度降低至 2.633.70 MPa，强度损失率(BD/%)达到 54.82%79.79%，表明硫激发耦合效应的磷石膏掺量不宜超过赤泥用量的 2%。此外，压汞试验研究揭示干湿与冻融循环导致试样大孔隙(直径0.1 m)占比增加，并与强度呈显著负相关。综合承载性能与耐久性能试验，使用稳定赤泥替代公路道面水稳材料是可行的，最优配比为赤泥水泥石灰磷石膏=100 8 2 2。基于循环强度衰减特征，工程实践中施工期限制、早期养护质量等至关重要，且应严格控制稳定赤泥中的磷石膏掺量。关键词赤泥;干湿循环;冻融循环;压汞试验;可行性;耐久性中图分类号:U416.25文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20210331*收稿日期:20210614;修回日期:20210708基金项目:国家自然科学基金(资助号:41272312)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No 41272312)第一(通讯)作者简介:石名磊(1962)，男，博士，教授，主要从事道路与岩土工程相关科研与教学工作.E-mail:mingleish163comEXPEIMENTAL ESEACH ON FEASIBILITY AND DUABILITY OFSTABLE ED MUD IN OAD USESHI MingleiDU XuyangYU ChangyunZHANG uikunYANG ZihaoTIAN Xintao(Southeast University，Nanjing 210096，China)(Jiangsu Huaning Engineering Consulting Co，Ltd，Nanjing 210096，China)Abstracted mud stabilized by cement-based mixture is widely used in highway engineering，which has becomea new direction for consuming industrial solid red mud waste At present，the research on durability of road-usedstabilized red mud lags behind engineering practice In order to study it，we conducted the stabilizer proportioning，WD circulation，FT circulation and micro test The results show that the standard strength of red mud stabilizedby cement，lime and phosphogypsum is at least 3.6 MPa which can meet the pavement base bearing standard Themass loss of stabilized red mud tends to be stable after both five-staged WD circulation and FT circulation Asthe proportion of phosphogypsum decreases from 8%to 2%，the strength after five-staged W D circulation isreduced to 1.693.69 MPa，with the strength loss rate(BD/%)of 35.1%85.4%，and the strength after five-staged FT circulation is reduced to 2.63 3.70 MPa，with the strength loss rate(BD/%)reaches 54.82%79.79%In the stabilized red mud system，the amount of phosphogypsum should not exceed 2%of the amount ofred mud In addition，the micro-scale MIP test reveals that WD circulation and FT circulation both increase thepore volume of the sample The increase of macropores(diameter0.1 m)significantly affects the strength Inconclusion，we reveal that it is feasible to use stabilized red mud as road surface cement-stabilized materials，andthe optimal ratio considering load-bearing performance and durability is 100 8 2 2 for red mudcementlimephosphogypsum ratio Based on the characteristics of cyclic strength attenuation，construction period and earlymaintenance are important in engineering practice，and the usage of phosphogypsum in stabilized red mud systemshould be strictly controlledKey wordsed mud;WD circulation;FT circulation;MIP experiment;Feasibility;Durability0引言赤泥(ed mud)是以铝土矿为原料拜耳法生产氧化铝过程中产生的极细颗粒产物。我国每年产生赤泥数量快速增长，且存量达到 4 亿吨(Xue et al，2016)。赤泥呈强碱性且含大量重金属，堆积的赤泥不仅占用大量的土地面积，在颗粒迁移作用下还会对周围土体及地下水造成污染，给人民的生产生活带来不便(Li et al，2018;褚学伟等，2019)。目前处理堆积赤泥的方法大多为微生物法(Liu et al，2021);对于赤泥综合利用的方式有生产材料(史国义，2020)、回收稀土元素(Costa et al，2021)、改良软弱土(陈瑞锋等，2018)。受限于科学技术水平，上述措施与工艺并未在生产中大规模使用，堆积如山的赤泥对环境的危害依然存在且呈愈演愈烈的态势。2021 年政府工作报告提出扎实做好碳达峰、碳中和等工作的要求，传统建筑材料水泥、砂石等产业作为高污染、高耗能产业势必出现价格攀升、产量减小等现象，这将会对公路建设工程造成巨大影响。基于以上背景，使用稳定赤泥代替传统碎石水泥道路垫层，外加稳定剂以降低赤泥的碱性、提高强度与耐久性，以将稳定赤泥作为道路基层填料，从而实现变废为宝不失为一个良好的方案。许多学者对赤泥路用的可行性进行了研究。部分学者基于赤泥的工程性质研究了赤泥作为道路基层和底基层的可行性，结果表明纯赤泥作为路基填料存在风险，应根据赤泥特性添加剂以提高强度和耐久性(Sutar et al，2014;Deelwal et al，2014)，同时赤泥用作道路原材料具有良好的 UCS、抗冻和耐用性能(Zhang et al，2021)。在改良赤泥性质研究方面，脱碱剂、磷石膏、硅灰的掺入能够降低赤泥碱性，有效地解决了赤泥污染土地的问题(王辉等，2016;李义伟等，2019);纯石灰掺量由 2%、4%增加至12%时，赤泥的无侧限抗压强度值(下文简称 UCS)与 CB(单位压力对标准土样压入相同贯入量时标准荷载强度的比值)均增大(Satyanayarana et al，2012);GGBS(粒化高炉矿渣)用于固化赤泥具有可行性(ao et al，2012);以粉煤灰作为固化剂，聚合物 CB 最大达到 12%，UCS 最大达到 2.7 MPa，使用赤泥粉煤灰聚合物路用是可行的(Chandra et al，2021)。石灰、粒化高炉矿渣、煅烧石灰粉、粉煤灰分别固化赤泥后，石灰稳定赤泥的效果最好，其次是煅烧石灰粉、GGBS，最后是粉煤灰稳定赤泥(Mukizaet al，2019);以不同比例 CKD(窑灰)作为固化剂固化赤泥，表明添加 8%CKD 的聚合物在道路工程中使用时有效的(Singh et al，2014);以粉煤灰、脱硫石膏作为固化剂改良赤泥，研究结果表明赤泥聚合物 7 d 的 UCS 达到最大，且满足高速公路强度要求(Li et al，2021);以石灰、粉煤灰作为固化剂改良赤泥，养护 7 d 后测试了试样的饱水抗压强度，结果表明改良后的赤泥强度满足规范 0.81.1 MPa 的要求(齐建召，2005);以水泥、石灰、磷石膏和高分子聚合材料作为固化剂改良赤泥，强度大幅提高，且优于单独添加水泥、石灰或磷石膏，改性后赤泥 pH与毒物浸出降低，未对周围环境产生影响(孙兆云，2017);以水泥、石灰、磷石膏作为主要固化剂改良赤泥，室内试验和现场试验表明改良剂掺量、压实度是控制改良赤泥的两个重要指标，且混合稳定剂优于单独添加水泥作为固化剂(李辰，2018)。国内外学者结合实际条件，使用各种固化剂加固赤泥，主要考虑了 UCS、CB、液塑限等指标，证明了改良后的赤泥作为路面基层的可行性。然而改良赤泥受到不同区域的水文地质条件、气候条件及公路标准等诸多因素影响，已有研究对赤泥路面基层在不同稳定剂比例时干湿循环作用、冻融循环作用的耐久性研究较少，同时微观上对于固化剂加固赤泥机制讨论较少，导致了赤泥大规模路用技术推进579130(6)石名磊等:稳定赤泥路用可行性与耐久性试验研究停滞不前。基于以上背景，本文在其他学者研究的基础上，选用水泥、石灰作为碱激发料，辅以磷石膏作为