赤泥复合固化剂固化粉土路用性能及其机理

吴伟军，张鲲鹏，张宁，丁北斗，王佳辉; WU Weijun; ZHANG Kunpeng; ZHANG Ning; DING Beidou; WANG Jiahui

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1. 上海公路桥梁（集团）有限公司，上海 200433； 2. 中国矿业大学土木工程灾变与智能防控省高校重点实验室，江苏徐州 221116

中图分类号： U416.1

最近更新：2025-04-03

DOI：10.3969/j.issn.1007-9629.2025.03.005

摘要

利用工业废弃物赤泥、电石渣和脱硫石膏组成的赤泥复合固化剂对低液限粉土进行固化，探究了固化粉土的力学性能（无侧限抗压强度和劈裂强度）和耐久性（水稳定性和干湿循环），并采用扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）分析赤泥复合固化剂的固化机理.结果表明：固化粉土的无侧限抗压强度和劈裂强度随着赤泥复合固化剂掺量的增加和养护龄期的延长而提高；当赤泥复合固化剂掺量由8%增至24%且养护龄期由7 d延至28 d时，固化粉土的水稳系数由69.5%提高到82.4%；干湿循环12次后，固化粉土的强度损失率为35.14%.赤泥复合固化剂掺入粉土中发生水化反应，生成具有胶凝作用的水化硅酸钙（C‑S‑H）和水化铝酸钙（C‑A‑H）凝胶，同时C‑A‑H与CaSO₄生成钙矾石（AFt）晶体；C‑S‑H和C‑A‑H包裹并填充着土颗粒，AFt晶体穿插在土颗粒间，使其成为一个整体，有效提高了固化粉土的路用性能.

关键词

赤泥; 低液限粉土; 路用性能; 固化机理

粉土因具有级配差、整体结构松散、强度低等特点，不宜直接作为路基材料.为实现对粉土的有效利用，采用固化剂来固化粉土已成为一种常见的处理方法^［

1‑4］.目前最常见的固化剂是水泥，许多学者将其与一些工业废弃物组合使用^{［参考文献 5‑8}5‑8］.但水泥生产过程会污染环境，不符合中国绿色、可持续的发展战略^{［参考文献 9

百度学术}9］.此外，中国还面临大宗工业废物综合利用不充分等问题^{［参考文献 10

百度学术}10］.为响应“十四五”时期无废城市的建设号召，需要发展基于固弃物的土壤固化剂及技术^{［参考文献 11‑13}11‑13］.赤泥是工业生产Al₂O₃所产生的废渣，具有一定的胶凝性和水硬性，其资源化利用也逐渐被关注^{［参考文献 14‑18}14‑18］.如Chandra等^{［参考文献 19

百度学术}19］研究发现，在赤泥中加入粉煤灰和碱性激发剂后强度显著提高；李丽华等^{［参考文献 20

百度学术}20］将赤泥作为碱性激发剂，与粉煤灰和矿渣相结合，用于固化镉污染土，发现赤泥-粉煤灰与赤泥-矿渣固化粉土强度均有显著提高；Li等^{［参考文献 21

百度学术}21］使用石灰激发赤泥固化路基土，发现石灰-赤泥固化粉土的抗干湿循环和抗冻融循环能力远高于纯石灰固化粉土；宋志伟等^{［参考文献 22

百度学术}22］研究了CaO改性赤泥固化黄土的电阻率特性，发现固化粉土的电阻率随着CaO和赤泥掺量的增加而降低；孙兆云等^{［参考文献 23

百度学术}23］制备烧结法赤泥-沥青粉固化剂（RAC），并对粉土进行综合固化稳定，发现与单掺水泥相比，RAC稳定粉土具有良好的力学性能和水稳性能，能很好地适应恶劣的自然环境.

考虑到电石渣和脱硫石膏可以组成复合激发剂，在一定程度上能够提高反应环境的pH值，有助于硅铝酸盐的溶解.本试验选用由工业废弃物赤泥、电石渣和脱硫石膏组成的赤泥复合固化剂，对河南地区高速路段低液限粉土进行固化，研究赤泥复合固化剂对粉土的固化效果及其固化机理.

1 试验

1.1 试验材料

1.1.1 原材料

试验用土取自河南安鹤高速工程现场地下150 cm深处土体.根据JTG 3430—2020《公路土工试验规程》测定土样的基本物理指标. 由于粒径小于75 μm的土样占比（质量分数，文中涉及的占比、组成等均为质量分数）为60.2%，故判定其为低液限粉土，基本物理指标见表1.

表1 土样的基本物理指标

Table 1 Basic physical indicators of silt sample

Natural moisture (by mass)/%

Plastic limit(by mass)/%

Liquid limit(by mass)/%

Plasticity index

Maximum dry density/

(g∙cm^-3)

Optimal moisture(by mass)/%

13.3

17.2

26.2

1.96

11.2

1.1.2 固化剂

试验用赤泥为河南恒源新材料有限公司生产的烧结法赤泥，脱硫石膏购于河南锦源环保技有限公司，电石渣购于武汉华英新世纪环保设备有限公司.3种固化剂的化学组成及X射线衍射（XRD）图谱见表2和图1.由图1可知：赤泥的主要矿物为方解石、赤铁矿和石英等；电石渣的主要矿物为方解石和Ca（OH）₂；脱硫石膏为半水石膏.固化剂配比试验选用响应面法中的BBD（Box‑Behnken设计）法，采用三因素三水平进行设计，响应目标值为7、28 d固化粉土的无侧限抗压强度.通过BBD法优化设计得到赤泥复合固化剂的最佳配比m（赤泥）∶m（电石渣）∶m（脱硫石膏）=15.84∶14.32∶7.32.

表2 3种固化剂的化学组成

Table 2 Chemical compositions（by mass） of three kinds of solidification agents ( Unit：% )

Material	CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	Na₂O	SO₃
Red mud	34.38	25.61	7.84	9.43	2.99	0.31
Carbide slag	84.30	3.40	0.18	0.23	0.79	0.11
Desulfurization gypsum	45.06	1.08	0.78	0.46		0.11	32.14

图1 3种固化剂的XRD图谱

Fig.1 XRD patterns of three kinds of solidification agents

1.2 试验方法

1.2.1 试样制备

试样制备参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》与JTG 3430—2020进行.将赤泥复合固化剂按设计掺量（w）掺入粉土中，设置赤泥复合固化粉土（以下简称固化粉土）含水率为最佳含水率11.2%，压实度为98%.采用静力压实法制备尺寸为ϕ50×50 mm的圆柱试样，每组6个，试验值取其平均值.

1.2.2 力学性能试验

设计5种掺量（8%、12%、16%、20%和24%）的赤泥复合固化剂和5个养护龄期，以探究赤泥复合固化剂掺量和养护龄期对固化粉土无侧限抗压强度和劈裂强度的影响.

1.2.3 耐久性试验

固化粉土的耐久性通过水稳定性试验和干湿循环试验进行评价.采用5种掺量（8%、12%、16%、20%和24%）的赤泥复合固化剂，通过水稳系数K（%）表征固化粉土的水稳定性.K的计算式为：

K = \frac{R_{w}}{R_{0}} \times 100 %

（1）

式中： R_w为试样浸泡24 h的无侧限抗压强度，MPa；R₀为试样养护至规定龄期的无侧限抗压强度，MPa.

干湿循环试验采用掺量为16%的赤泥复合固化剂，固化粉土养护28 d后分别进行1、3、6、9、12次干湿循环过程，以试验前后试样的质量、体积和强度变化来评价固化粉土的抗干湿循环能力.

1.2.4 微观试验

为研究固化粉土的固化机理，选取3种典型试样（未掺固化剂的粉土，单掺赤泥的粉土和复掺赤泥、电石渣、脱硫石膏的粉土）进行扫描电镜（SEM）试验和XRD试验.固化粉土微观试验方案见表3.

表3 固化粉土微观试验方案

Table 3 Microscopic test scheme for solidified silts

Sample name	w(solidification agent)/%			Curing age/d	Experimental project
Sample name	Red mud	Carbide slag	Desulfurized gypsum	Curing age/d	Experimental project
Silt	0	0	0	7/28	SEM/XRD
Silt of single‑doped red mud	15.84	0	0
Red mud composite solidified silt	15.84	14.32	7.32

2 结果与分析

2.1 力学性能

2.1.1 无侧限抗压强度

图2为固化粉土无侧限抗压强度随赤石复合固化剂掺量和养护龄期的变化.由图2可见：（1）未掺加固化剂粉土的无侧限抗压强度非常低，其7 d无侧限抗压强度仅为0.25 MPa，且随着养护龄期的延长，强度增速趋缓，60 d无侧限抗压强度只达到0.68 MPa，整体上无太大变化.（2）赤泥复合固化剂的掺入使固化粉土的无侧限抗压强度得到很大提升，当固化剂掺量为8%、12%、16%、20%和24%时，固化粉土7 d无侧限抗压强度分别为1.12、1.38、1.55、1.78、1.93 MPa.这主要是因为固化剂掺量的增加为火山灰反应提供了更多的原料，生成了大量的胶凝物质和白色晶体，从而提高了土体强度.（3）固化粉土的无侧限抗压强度增速先快后慢，前7 d最为迅速，14 d后趋于平稳.这主要是因为赤泥复合固化剂刚加入到粉土中会快速提高固化粉土的pH值，激发粉土中的大量活性物质，迅速提高固化粉土的强度；但随着火山灰反应不断消耗固化粉土中的活性物质，固化粉土的pH值有所降低，固化粉土的火山灰反应逐步放缓后趋于稳定^［

24］.

图2 固化粉土无侧限抗压强度随赤泥复合固化剂掺量和养护龄期的变化

Fig.2 Variation of unconfined compressive strength of solidified silts with red mud composite solidification agent content and curing age

2.1.2 劈裂强度试验

图3为固化粉土劈裂强度随赤石复合固化剂掺量和养护龄期的变化.由图3可见：（1）未掺加固化剂粉土的劈裂强度很低，其7 d劈裂强度仅为29.12 kPa，且随着养护龄期的延长，强度增速趋缓，60 d劈裂强度只达到60.37 kPa，整体上无明显变化.（2）随着固化剂掺量的增加，固化粉土的劈裂强度随之增加；当固化剂掺量由8%增至24%时，固化粉土的7 d劈裂强度较60 d劈裂强度增幅有所下降.这是因为随着养护龄期的延长，不稳定的SiO₂和Al₂O₃水解基本完成，水化产物增多^［

25］..（3）固化粉土的劈裂强度增速在前14 d较快，后14 d基本稳定.这是因为当固化粉土成为一个整体后，养护龄期的延长并不会进一步提高土颗粒间的抗拉能力.

图3 固化粉土劈裂强度随赤泥复合固化剂掺量和养护龄期的变化

Fig.3 Variation of splitting strength of solidified silts with red mud composite solidification agent content and curing age

2.2 耐久性能

2.2.1 水稳定性试验

图4为固化粉土水稳系数随赤泥复合固化剂掺量和养护龄期的变化.由图4可见：当养护龄期为7 d且固化剂掺量由8%增至24%时，固化粉土的水稳系数由69.5%增至77.6%；当养护龄期为28 d且固化剂掺量由8%增至24%时，固化粉土的水稳系数由76.4%增至82.4%.这表明固化粉土的水稳系数与固化剂掺量、养护龄期存在正向关联.

图4 固化粉土水稳系数随赤泥复合固化剂掺量和养护龄期的变化

Fig.4 Variation of water stability coefficient of solidified silts with red mud solidification agent content and curing age

2.2.2 干湿循环试验

图5为固化粉土（赤泥复合固化剂掺量为16%）质量损失率和体积膨胀率随干湿循环次数的变化.由图5可见：（1）固化粉土的质量损失率和体积膨胀率随着干湿循环次数的增加而增大.（2）当干湿循环次数较少时，固化粉土的质量损失率增速较平缓；而当干湿循环次数增加时，固化粉土的质量损失率增速显著增大.当干湿循环次数大于6次时，粉土颗粒的脱落现象随着干湿循环次数的增加而更加严重.（3）当干湿循环次数较少时，固化粉土的体积膨胀率增速较快；而当干湿循环次数较大时，固化粉土的体积膨胀率增速有所放缓.这主要是因为当水完全渗透进固化粉土后并不会使粉土颗粒间的孔隙持续增大.

图5 固化粉土（赤泥复合固化剂掺量为16%）质量损失率和体积膨胀率随干湿循环次数的变化

Fig.5 Variation of mass loss rate and volume expansion rate of solidified silts（red mud solidification agent content is 16% ） with number of dry‑wet cycle

图6为固化粉土（赤泥复合固化剂掺量为16%）无侧限抗压强度随干湿循环次数的变化.由图6可见：随着干湿循环次数的增加，固化粉土的无侧限抗压强度整体呈下降趋势；干湿循环12次后，固化粉土的强度损失率达到35.14%.

图6 固化粉土（赤泥复合固化剂掺量为16%）无侧限抗压强度随干湿循环次数的变化

Fig.6 Variation of unconfined compressive strength of solidified silts（red mud solidification agent content is 16% ） with number of dry‑wet cycle

2.3 微观机理

2.3.1 XRD试验

图7为3种典型试样的XRD图谱.由图7可见：（1）对于未掺任何固化剂的粉土，其主要矿物成分为石英、方解石和钠长石，且养护7 、28 d时矿物成分基本没有变化.（2）当养护龄期为7 、28 d时，对于单掺赤泥的固化粉土，其主要矿物成分为石英、方解石、斜绿泥石和C‑S‑H.与未掺固化剂的粉土对比后发现，由于经过离子置换作用，粉土中原有的钠长石被逐渐溶解^［

26‑27］，从而增加了新的矿物——斜绿泥石和C‑S‑H，其中斜绿泥石是赤泥中自带的铝酸盐矿物.这是因为赤泥中的CaO与水反应生成Ca（OH）₂，不仅提高了土体的pH值还提供了OH^-和Ca²⁺；土体中的钠长石溶解出AlSiO

_{4}^{-}

，与固化粉土中不稳定的SiO₂和Al₂O₃水解生成［SiO（OH）₃］^-、HSiO

_{3}^{-}

和［Al（OH）₄］^-，这类物质又与Ca²⁺反应生成了C‑S‑H.（3）当养护龄期为7 d时，赤泥复合固化剂固化粉土的主要矿物成分为石英、C‑S‑H、AFt、石膏和C‑A‑H；与单掺赤泥的固化粉土对比后发现，赤泥、电石渣和脱硫石膏共同作用下生成的矿物种类更多.这是因为赤泥、电石渣中的CaO水化成大量的Ca（OH）₂，不仅为固化粉土提供了大量Ca²⁺，还提高了固化粉土的pH值，有效激发了赤泥和粉土中的活性物质，所产生的大量阴离子与Ca²⁺结合，生成了C‑S‑H和C‑A‑H等胶凝物质.脱硫石膏的加入也为固化粉土提供了反应所需要的Ca²⁺和SO

_{4}^{2 -}

，SO

_{4}^{2 -}

又与生成物C‑A‑H进一步反应生成AFt.

图7 3种典型试样的XRD图谱

Fig.7 XRD patterns of three kinds of typical samples

2.3.2 SEM试验

图8为3种典型试样的微观形貌.对比图8（a）、（b），同时结合XRD试验结果后发现：（1）7 d龄期时，未掺固化剂的粉土颗粒形态多样，尺寸不均匀，且以不规则方式排布，颗粒边缘清晰可见，部分呈尖锐边角；这些颗粒主要通过点接触相互连接，形成了一个结构相对疏松的体系，其中分布着各种形状的孔洞.（2）28 d龄期时，粉土试样形成较大的粉土颗粒，但颗粒间的链接形式还是点接触，整体结构仍较为松散.

图8 3种典型试样的SEM照片

Fig.8 SEM images of three kinds of typical samples

对比图8（a）、（c），同时结合XRD试验结果后发现：（1）当赤泥掺入粉土中时，其中的CaO与水发生反应生成Ca（OH）₂，提高了土体的pH值，激发了赤泥和土体中SiO₂和Al₂O₃的活性.不稳定SiO₂和Al₂O₃水解生成［SiO（OH）₃］^-、HSiO $_{3}^{-}$ 和［Al（OH）₄］^-，这类物质最终与Ca²⁺反应生成具有胶凝作用的C‑S‑H和C‑A‑H，并消耗大量的OH^-，使土体pH值降低，减缓了火山灰反应.（2）生成的C‑S‑H和C‑A‑H包裹着小颗粒，形成了较大颗粒，整体结构较为密实.部分反应方程式见式（2）~（5）.

C a O + H_{2} O \overset{}{\to} C a {(O H)}_{2}

（2）

S i O_{2} + H_{2} O + O H^{-} \overset{}{\to} {[S i O {(O H)}_{3}]}^{-}

（3）

S i O_{2} + H_{2} O + O H^{-} \overset{}{\overset{}{\to}} H S i O

_{3}^{-}

（4）

A l_{2} O_{3} + H_{2} O + O H^{-} \overset{}{\overset{}{\to}} {[A l {(O H)}_{4}]}^{-}

（5）

对比图8（c）、（e），同时结合XRD试验结果后发现：（1）与单掺赤泥的固化粉土相比，电石渣和脱硫石膏的掺入使得土体生成更多絮状、网格状的胶凝物质和针装、丝状的白色晶体.这是因为赤泥在发生火山灰反应的过程中会消耗大量的OH^-和Ca²⁺，使土体的pH值降低，导致火山灰反应减弱；而电石渣和脱硫石膏的主要成分是Ca（OH）₂和CaSO₄，一方面提供大量Ca（OH）₂，提高了土体的pH值，最大程度激发了固化粉土中SiO₂和Al₂O₃，使其与Ca²⁺反应生成大量具有胶凝作用的C‑S‑H和C‑A‑H；另一方面生成的C‑A‑H与CaSO₄进一步反应生成AFt，反应式见（6）.（2）C‑S‑H和C‑A‑H包裹并填充着土颗粒，AFt晶体穿插在土颗粒之间，使其成为一个整体.

\begin{array}{l} m C a O \cdot A l_{2} O_{3} \cdot n H_{2} O + C a S O_{4} + H_{2} O \overset{}{\overset{}{\to}} \\ 3 C a O \cdot A l_{2} O_{3} \cdot 3 C a S O_{4} \cdot 32 H_{2} O \end{array}

（6）

对比图8（c）、（d）和（e）、（f），同时结合XRD试验结果后发现：随着养护龄期的延长，火山灰反应持续进行，生成了更多的胶凝物质和晶体；这些生成物一方面包裹着小颗粒形成大颗粒，另一方面填充着颗粒间的孔隙，使土体成为一个整体，结构更加密实.

2.3.3 固化机理分析

赤泥的主要成分为CaO、SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃.当其掺入粉土后首先发生水化反应，生成的Ca（OH）₂激发粉土中的SiO₂、Al₂O₃，生成C‑S‑H和C‑A‑H等凝胶物质.这些凝胶物质不断连接土颗粒并填充土颗粒间的孔隙，有效提高了土体强度.

随着电石渣和脱硫石膏的掺入，电石渣中大量的Ca（OH）₂不仅提高了土体的pH值，更好地激发了土颗粒和赤泥中SiO₂和Al₂O₃的活性，还参与反应生成更多的凝胶物质.这些凝胶物质进一步与CaSO₄反应生成AFt，C‑S‑H和C‑A‑H凝胶物质包裹着土颗粒，填充着土颗粒间的空隙，AFt晶体穿插在土颗粒中，使其成为一个整体，提高了固化粉土整体强度.

粉土表面吸附着的Na⁺、K⁺等低价阳离子与固化剂水化产生的Ca²⁺进行交换，导致土粒表面吸附的水膜厚度有所减少，进一步增强了分子间的引力，使得粉土中的黏性土颗粒更为接近，土粒间的压缩性增强，膨胀性降低，从而提高了固化粉土的路用性能.

3 结论

（1）赤泥复合固化剂对粉土力学性能有显著改善作用.固化粉土的无侧限抗压强度和劈裂强度随着赤泥复合固化剂掺量的增加和养护龄期的延长而提高.当赤泥复合固化剂掺量由8%增至24%，且养护龄期由7 d延至28 d时，固化粉土的水稳系数由69.5%提高到82.4%.干湿循环12次后，固化粉土的强度损失率达到35.14%.

（2）赤泥复合固化剂掺入粉土中会激发其中不稳定的SiO₂和Al₂O₃水解生成［SiO（OH）₃］^-、HSiO $_{3}^{-}$ 和［Al（OH）₄］^-，这类物质与Ca²⁺反应生成具有胶凝作用的水化硅酸钙（C‑S‑H）和水化铝酸钙（C‑A‑H），同时C‑A‑H与CaSO₄生成钙矾石（AFt）晶体.C‑S‑H和C‑A‑H凝胶包裹并填充着土颗粒，AFt晶体穿插在土颗粒间，使其成为一个整体，有效提高了固化粉土的路用性能.

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