拜耳法赤泥基泡沫轻质土配合比设计及在路基工程的应用研究

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现浇泡沫轻质土作为国内新型的公路轻质填筑材料,具备容重轻、垂直浇筑、强度可调节等独特优点,可大幅度降低施加在地基上的荷载,有效地处理公路路基沉降、桥头跳车等公路建设难题。赤泥是氧化铝生产过程中所附带排放的细粒集碱性工业废渣,占据着大量土地资源并带来一系列危害,直接影响氧化铝产业的可持续发展。从降低泡沫轻质土成本的角度出发,结合赤泥固废资源化的迫切需求,以沾临高速公路试验段路基项目为依托工程,开展以拜耳法赤泥为主要胶凝基材的泡沫轻质土研发工作具有重要的循环经济发展意义。本研究的主要内容和结论如下:(1)对赤泥等原材料的组成成分、微观形貌及产物结构进行物化特性分析。基于碱激发原理及正交试验设计法,开展新型赤泥基胶凝材料的配合比优化试验,确定最优配合比为矿渣粉26%、生石灰4%、硫酸钠3%、拜耳法赤泥52%、水泥15%组合,分析该胶凝材料体系的胶凝机理。(2)根据本试验段路基工程的指标要求,针对赤泥基泡沫轻质土的抗压强度及流值开展全面配合比试验研究。室内试验结果表明:赤泥基泡沫轻质土水胶比为0.70,设计湿密度为800kg/m3,其轻质土试块28d抗压强度为0.93MPa,满足路堤部位28d强度0.8MPa的要求;水胶比为0.70,设计湿密度为1000kg/m3,其轻质土试块28d抗压强度为1.29MPa,满足路床部位28d强度1.20MPa的要求。基于极差及方差分析法,探究设计湿密度、水胶比两种因素对材料抗压强度及流值的影响程度。(3)通过SEM扫描电镜试验分析出材料内部微观结构主要由气孔-孔壁骨架结构组成。得出设计湿密度主要决定内部结构的孔隙数量、孔径大小及分布;水胶比主要影响内部自由水分的含量变化,两者综合影响宏观力学性能。通过浸水试验研究,得出室内最优配合比参数下的材料吸水率在25%范围内及软化系数在0.75以上,均满足工程要求。通过对浇筑参数试验分析,提出试验段生产过程中采取合适搅拌时间及浇注厚度参数可提高材料的强度和成品质量。(4)对赤泥基泡沫轻质土材料路用效果进行数值模拟分析,研究赤泥基轻质土路基在不同工况下的应力位移响应规律。结果表明,对于连续分层填筑加载的施工过程,相较于常规填土路基,赤泥基轻质土路基能使地基发生整体性沉降并相对降低65.10%的沉降量和55.23%的基底应力;同时,得出路基的沉降变形亦随着填筑高度和设计湿密度的提高而变化。模拟结果表明在最优配合比组合方案下,采用赤泥基泡沫轻质土材料可有效降低路基基底沉降及附加应力作用,为下一步现场试验段开展提供理论依据。(5)项目课题团队顺利开展赤泥基泡沫轻质土试验段路基工程,对路基修筑过程中的工程准备、施工工艺及要点等施工技术方案及质量控制情况进行分析与总结。通过现场取样试验结果表明:赤泥基轻质土湿密度、抗压强度、流值等性能参数均满足该高速公路填筑路基的技术指标要求。赤泥基轻质土相较于常规水泥基轻质土在成本上有约20%的优势,试验段项目共节省材料成本约462.07万元以及消耗约23029.5t的拜耳法赤泥,达到赤泥资源化利用及降低工程造价的目标,具有推广应用价值。
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