摘要:
本文分别采用纯水泥，40%、50%、60%烧结法赤泥与25%、33%、40%粉质黏土制备泡沫轻质土，开展了无侧限抗压试验、劈裂抗拉试验、回弹模量试验以及软化系数试验。试验发现，泡沫轻质土抗压强度、劈裂抗压强度以及回弹模量均随水泥掺量减小而降低，且三者具有良好的线性关系；由于烧结法赤泥具有一定的胶凝活性，相同替代量下烧结法赤泥泡沫轻质土力学性能和软化系数均明显优于粉质黏土泡沫轻质土；40%~60%烧结法赤泥基泡沫轻质土的28 d抗压强度、劈裂抗压强度以及回弹模量分别为1.2~0.81 MPa、0.24~0.17 MPa和377~258 MPa；25%~40%粉质黏土基泡沫轻质土28 d抗压强度、劈裂抗压强度分别为2.43~1.02 MPa和0.44~0.2 MPa；不同类型泡沫轻质土软化系数均大于0.7。基于现有规范要求，提出以泡沫轻质土作为路床区填料，土替代量不高于33%，赤泥替代量不高于40%，以泡沫轻质土作为路堤区填料，土替代量不高于40%，赤泥替代量不高于50%。
Abstract:
In this paper, pure cement, 40%, 50% and 60% sintered red mud and 25%, 33% and 40% silty clay were used to prepare foamed lightweight soil. Unconfined compression test, splitting tensile test, resilient modulus test and softening coefficient test were carried out. The experimental results show that the compressive strength, splitting compressive strength and resilient modulus of the lightweight foamed soil decrease with the decrease of cement content, and the three have a good linear relationship. Because of the cementitious activity of red mud, the mechanical properties and softening coefficient of the red mud foamed lightweight soil under the same dosage are obviously better than that of the silty clay foamed lightweight soil. The 28 d compressive strength, splitting compressive strength and resilient modulus of sintered red mud foamed light weight soil at 40% - 60% dosage are 1.2 - 0.81 MPa, 0.24 - 0.17 MPa and 377 - 258 MPa respectively. The 28 d compressive strength and splitting compressive strength of 25% - 40% dosage silty clay foamed light weight soil are 2.43 - 1.02 MPa and 0.44 - 0.2 MPa respectively, and the softening coefficient of different types of foamed lightweight soil is greater than 0.7. Based on the existing code requirements, it is proposed that foamed light soil should be used as roadbed filler, the soil content is not higher than 33%, red mud content is not higher than 40%, foamed lightweight soil is used as Embankment Filler, soil content is not higher than 40%, and red mud content is not higher than 50%.
1. 引言
随着现有公路的运营能力慢慢满足不了日益增长的交通量，全国范围内陆续开展了高速公路改扩建工程，而在其中的一个关键问题便是如何减小新老路基在上覆荷载下会产生的不均匀沉降 [1]。由于密度低，泡沫轻质土可以大大减轻路基自重，减轻新旧路基沉降不均匀的问题 [2]。但是，泡沫轻质土由于较高的水泥掺量，导致其成本高昂，制约了其在路基工程中的推广应用。因此，许多学者从代替部分水泥的角度，研究不同外掺材料对泡沫轻质土路用性能的影响。蒋宁俊等 [3] 采用水玻璃和电石渣碱性激发磨细高炉矿渣作为固化材料，制备出来的轻质土比普通水泥基泡沫轻质土有更好的抗硫酸钠溶液侵蚀性。孙赛炜等 [4] 采用偏高岭土替代部分水泥制备泡沫轻质土，掺加20%偏高岭土可以使轻质土耐久性得到提高。李章珍等 [5] 采用城市污泥制备轻质土，当替代量为45%时，轻质土密度、流值、抗压强度以及工后沉降均满足路基各个层位规范要求。Leong等 [6] 的研究表明，在以珍珠岩微球为主要原料的轻质土中掺加少量PP纤维可使抗拉强度提高26.7%，并减小轻质土失水导致的干缩。杜延军等 [7] 研究表明，相较于传统水泥基泡沫轻质土，地聚合物基轻质土强度增长了1倍以上，但水稳定性较差。善琦 [8] 将气泡混合轻质土用于路基隔热层，其中气泡掺量是影响轻质土导热系数的关键因素，两者之间呈正比例关系。辛凌等 [9] 通过三轴试验，提出橡胶粒掺量的增加、水灰比以及围压的提高均会使RST轻质土抗剪强度降低。
目前，我国大宗工业固废得不到合理的利用，大部分都采用堆场堆放处理，对周边环境产生了较大的污染。其中工业制备氧化铝所产生的赤泥由于碱性较高、重金属离子多等原因成为最难处理的工业固废之一 [10] [11] [12]。其中的烧结法赤泥中物相组成中含有β-C2S，并且从化学成分来看，赤泥的成分十分接近水泥熟料的成分，因此被广泛应用于建筑行业中。齐建召 [13] 提出了用于道路基层的二灰稳定赤泥材料，该材料回弹模量远高于普通半刚性基层材料，并提出以赤泥替代20%以下的水泥，可获得性能相当的水泥混凝土。可见，采用烧结法赤泥将有助于提高水泥基材料的强度，而且相比于传统粉煤灰、电石渣和水玻璃等替代材料，烧结法赤泥更具有成本优势。本文分别采用粉质黏土与烧结法赤泥作为主要原材料制备泡沫轻质土，对比评价两种泡沫轻质土力学性能与软化系数，在满足路用性能要求前提下，提出相应的掺配比，以降低工程材料造价。
2. 试验用原材料与配合比
试验所用土取自山东省淄博市滨莱高速公路改扩建工程沿线，如图1与表1所示，通过该土级配曲线、液塑限得到该土属于低液限粉质黏土。所用烧结法赤泥取自山东铝业公司，化学成分与矿物组成如表2和表3所示，矿物组成中以原硅酸钙和水合硅酸钙为主，二者占比达40%。试验用水泥为42.5普通硅酸盐水泥，化学成分如表4所示。试验所用发泡剂稀释倍率与发泡倍率分别为50倍和30倍。
Table 1. Physical properties of testing soil
表1. 试验土样物理性质
Figure 1. Grain-size distribution curve of testing soil
图1. 试验土样颗分曲线
Table 2. Chemical compositions of sintering red mud
表2. 烧结法赤泥的化学组成
Table 3. Mineralogical compositions of sintering red mud
表3. 烧结法赤泥的物相组成
Table 4. Chemical compositions of cement
表4. 水泥化学成分
本次试验泡沫轻质土目标密度为800 kg/m3，目标流值为180 ± 20 mm，改变固体材料中的替代材料与水泥的比例，其中粉质黏土基泡沫轻质土(SC轻质土)土替代量分别为0%、25%，33%，40%；赤泥中含有水泥主要成分之一硅酸钙，为进一步降低材料成本，烧结法赤泥基泡沫轻质土(RM轻质土)按照赤泥替代量为40%，50%，60%三组配比进行试验，共7组试验配合，如表5所示。
试验所用土与赤泥均经过晾干破碎，并过4.75 mm方孔筛使其颗粒大小均匀便于搅拌，并且使其与其余材料充分反应。首先将土/赤泥与水混合搅拌3 min，再将水泥加入泥浆搅拌3 min，然后降低转速加入泡沫搅拌3 min，密度与流值达到目标值后浇入模具中，并使用保鲜膜包裹，常温养护，试件养护2 d后脱模，将试件装入密封袋进行常温养护，达到指定龄期后进行各项性能指标测试。
Table 5. Mix design of foamed light weight soil
表5. 泡沫轻质土配合比设计
3. 力学性能
3.1. 无侧限抗压强度
规范要求采用轻质材料填筑路床区抗压强度≥1 MPa，填筑路堤区≥0.6 MPa [14]。从图2中可以看出，随着水泥掺量降低，泡沫轻质土前7 d抗压强度增长速率变缓，进而导致28 d强度降低，相同替代量下(40%)，RM轻质土相对于SC轻质土28 d强度从1.02 MPa提高至1.2 MPa，说明赤泥作为泡沫轻质土原材料优于粉质黏土，粉质黏土主要是作为填充物，而赤泥中含有的部分β-C2S，但其活性较低，在碱性条件下赤泥中硅铝质成分会发生键位断裂，形成活性更高的成分，更加有利于其与Ca(OH)2发生水化反应，提高了RM轻质土的强度。赤泥替代量或粉质黏土替代量小于40%时，泡沫轻质可以作为高速公路路床区填料；当赤泥替代量小于60%时，泡沫轻质土可以作为高速公路路堤区填料。
Figure 2. Unconfined compressive strength of lightweight soil with different soil/red mud replacement amount
图2. 不同土/赤泥替代量泡沫轻质土无侧限抗压强度
3.2. 劈裂抗拉强度
劈裂抗拉强度fts采取以下方法进行测定 [15]，将泡沫轻质土试件养护28 d后进行测试，由图3可知，两种泡沫轻质土fts随替代量变化与无侧限抗压强度结果类似，40%替代量下，RM轻质土劈裂抗拉强度0.25 MPa比与SC轻质土劈裂抗拉强度0.2 MPa高出25%，说明RM轻质土相对于SC轻质土抗拉抗裂性能更优，对分别对RM轻质土与SC轻质土拉压比进行拟合，如图4所示，均可以采用fts = 0.20 qu去预估RM轻质土与SC轻质土的劈裂抗拉强度，从而评价抗拉抗裂性能。
3.3. 回弹模量
回弹模量E是材料受外界荷载作用下，竖向应力与回弹应变之比，是道路设计与施工质量检测中的重要指标之一，本次试验采用刚性承载板法测定回弹模量，试验方法参照《公路土工试验规程》 [16]，对掺加赤泥与掺加粉质粘土的泡沫轻质土试件养护3 d、7 d、28 d后进行回弹模量试验，如图5所示。对28 d回弹模量与抗压强度进行拟合，结果如图6所示。RM轻质土的回弹模量远满足路基回弹模量要求。
3.4. 软化系数
泡沫轻质土作为路基填料，软化系数K (饱水抗压强度/干燥抗压强度)不宜小于0.7 [17]。软化系数采用以下方法进行测定，首先将养护28 d泡沫轻质土试件放入105℃烘箱内，直至完全干燥，冷却至
Figure 3. Splitting tensile strength of lightweight soil with different soil replacement amount
图3. 不同土替代量泡沫轻质土劈裂抗拉强度
Figure 4. Relationship between splitting tensile strength and UCS of FLS
图4. 劈裂抗压强度与无侧限抗压强度关系
Figure 5. Resilient modulus of lightweight soil with different soil replacement amount
图5. 不同赤泥替代量泡沫轻质土回弹模量
Figure 6. Relationship between resilient modulus and unconfined compressive strength of foamed light weight soil
图6. 泡沫轻质土回弹模量与抗压强度关系
室温后，测定其抗压强度为f0。再取同样配合比同样养护条件的试件，浸水72 h后将表面擦干，记录表干质量为mt，测定其抗压强度为f1。则软化系数K按照公式(1)进行计算。
(1)
两种泡沫轻质土不同状态下抗压强度如图7所示。当替代量为40%时，RM轻质土在不同状态下的强度均高于SC轻质土，其中干燥抗压强度f0提高了16.7%，自然抗压强度qu提高了17.6%，饱水抗压强度f1提高了20.0%。泡沫轻质土软化系数如图8所示，所有配合比泡沫轻质土软化系数均大于0.7，40%替代量下，RM轻质土与SC轻质土软化系数分别为0.77与0.75，说明相同替代量下RM轻质土水稳定性依然优于后者，赤泥中硅酸钙形成的水化产物提高了RM轻质土的胶凝材料结构致密性与固化程度，进而提高水稳定性。即使赤泥替代量达到60%，泡沫轻质土软化系数仍大于0.7。综合考虑施工误差，以泡沫轻质土作为高速公路路床区填料，土掺量不高于33%或赤泥掺量不高于40%，作为高速公路路堤区填料，土掺量不高于40%或赤泥掺量不得高于50%。
Figure 7. UCS of foamed light weight soil in dry state, natural state and saturated state
图7. 干燥状态、自然状态、饱水状态下不同土替代量泡沫轻质土抗压强度
Figure 8. Softening coefficient of lightweight soil with different soil replacement amount
图8. 不同土替代量泡沫轻质土软化系数
4. 结论
(1) 泡沫轻质土抗压强度qu、劈裂抗拉强度fts、回弹模量E之间具有良好的线性关系，即fts = 0.20qu，E = 317qu，因此可以通过试验得到其中一个指标，进而预测其余两个指标。
(2) 40%替代量下，RM轻质土相对于SC轻质土的力学性能与软化系数均有提高，其中28 d抗压强度从1.02 MPa提高至1.2 MPa，劈裂抗拉强度从0.2 MPa提高至0.24 MPa，软化系数从0.75提高至0.77。
(3) 综合考虑抗压强度、软化系数以及施工导致的误差，提出高速公路路床区填料推荐配合比为33%替代量SC轻质土和40%替代量RM轻质土，提出高速公路路堤区填料推荐配合比为40%替代量SC轻质土和50%替代量RM轻质土。
基金项目
教育部博士后科学基金(2016M590636)，山东省交通厅科技发展计划(2016B20，2019B47_2)，山东大学青年学者未来计划资助。
参考文献
NOTES
*通讯作者。