1 概述
赤泥是铝土矿提炼氧化铝之后排出的碱性固体废弃物，每生产1吨的氧化铝，就会随之产生0.8~1.5吨的赤泥。目前，我国每年的赤泥的排放量超过7000万吨，累积堆存的赤泥就已经超过3.52亿吨。仅山东省赤泥堆存量超过2亿吨，然而，目前我国赤泥综合利用率不足4%。随着我国氧化铝产量的逐年增长和铝土矿品位的逐渐降低，赤泥的年产生量还将不断增加。赤泥大量堆存，既占用土地，浪费资源，又易造成环境污染和安全隐患
[1]。因此，最大限度的减少赤泥堆存和危害，实现多渠道、大规模的资源化利用已迫在眉睫
[2-3]。为了能够有效利用赤泥，世界各国都已经开展了多领域和多学科的研究工作。
目前，随着我国公路建设工程的高速发展，路用材料正在消耗大量的不可再生自然资源。在国内经济发达地区和重要区域走廊的公路建设中，甚至出现了土源紧缺现象
[4]。因此，如果能够将拜耳法赤泥大规模的应用于庞大的公路工程建设中去，不仅可以变废为宝、节省宝贵的不可再生土地资源，也为赤泥等工业废弃料实现减量化、资源化、无害化利用提供了一个最有效的途径
[2]。
本文主要是从拜耳法赤泥基混凝土路基承载性能的角度，对赤泥作为公路路基填筑的应用的可行性进行研究分析。
2 赤泥及其复合材料的基本物理特性
单纯的从岩土工程角度考虑，赤泥具有类似于粘土的特性，主要0.002~0.075mm粒组的粘性颗粒组成，该粒组范围的含量在70%以上。拜耳法赤泥主要成分和性质与铝土矿的来源以及氧化铝生产工艺的不同而存在差异，同时随着堆存时间的不同而发生变化
[3]。从其矿物组成(见表1)来看与一般粘土比较类似，因此赤泥可被用作一般粘土的替代品。根据界限含水率试验结果（表2）与击实试验结果（图1）所示，赤泥的最大干密度为1.34g/cm
3，最佳含水量为38.3%。拜耳法赤泥具有高液限、低重度、高PH值的特性。
拜耳法赤泥的粒度成分 表1
|
粒度成分/% |
|
<0.002mm |
0.002~0.075mm |
0.075~0.1mm |
>0.1μm |
|
7.70 |
74.18 |
16.05 |
2.07 |
拜耳法赤泥的基本物理特性 表2
|
液限/% |
塑限/% |
塑性指数 |
自由膨胀率/% |
|
58.5 |
42.1 |
16.4 |
17 |
赤泥基混凝土(CPS6.5%)由拜耳法赤泥与6.5%剂量的水泥基高分子材料组成的复合材料，经拌合站场拌之后、摊铺压实，用做优质的路基填筑材料，其主要的室内实验指标见表3所示。通过数据来看，赤泥基混凝土的路用特性比较好，可以用于公路路基填筑材料。但是其路用的承载能力还需现场的验证。
该复合混凝土的另外一个优势在于，它能够大幅度降低赤泥的强碱性和污染性，使其达到环境要求。其对温度变化稳定，具有固定金属离子的作用，能阻止金属离子对产品的消极作用，是一种具有多种特殊性能的表面活性剂。在常温常压和弱碱性环境中，该高聚合物复合材料能够在很短的时间内就能达到很好的吸附效果，大大降低90%的Cr
2+、Hg
2+等重金属离子的浸出量。
赤泥基本物理力学特性指标汇总 表3
|
试验项目 |
赤泥 |
赤泥基混凝土 |
|
内摩擦角φ（°） |
23.5 |
35.5 |
|
黏聚力c（kPa） |
29.4 |
153.1 |
|
无侧限抗压强度（kPa） |
506.0 |
3080.6 |
|
液限WL（%） |
51.4 |
37.2 |
|
塑限WP（%） |
38.1 |
22.1 |
|
塑性指数 |
13.3 |
15.1 |
|
压缩系数a1-2（MPa-1） |
0.21 |
0.07 |
|
自由膨胀率（%） |
15.0 |
0.0 |
|
CBR（%） |
2.5 |
104 |
3 赤泥基混凝土路基承载指标
一般公路路基施工质量控制重点是采用压实度、剂量、含水量三项指标。但是，这三项均是路堤填筑体的物理状态指标，对填筑体的路用性能只能间接反映，往往对该类填筑路堤结构的力学性状和水稳定性等指标的反映不够准确
[4]。但是，赤泥基混凝土的室内CBR值一般>50%，显著地高于细颗粒路用填料强度下限要求。在这一条件下，是否可以认为赤泥基道路混凝土填筑中降低压实度或密实度，仍能很好地满足填料强度性能（强度稳定测试、现场强度测试等）设计要求和路基刚度（回弹模量、弯沉等）的要求，是一个亟待研究的课题。
因此，赤泥基道路混凝土路堤结构力学性状的室内、外试验与评价，以及赤泥基道路混凝土的改性效果试验测试的有效数据积累与分析，相对传统的压实度、有效改性成分剂量和含水量质量控制的方法更加有效合理。直接测试路基结构的路用力学性能（现场回弹模量、弯沉FWD、综合动力触探DCP），并应用于赤泥基混凝土路基质量评价和新填路基质量检测，具有十分重要的意义。
赤泥路基的路用力学性能评价，直接关系到路面结构层使用质量，道路工后的运营质量和养护工作量，道路建设中，对这一问题的评估具有重要意义。针对赤泥基混凝土公路工程中，路基性能评价以及赤泥基混凝土填筑路堤的路用力学性能检测评价等问题，采用现场载荷板试验、落锤式弯沉仪检测技术，进行了系统的现场测试分析。
4.1路基回弹模量
路基回弹模量是路基整体承载性能最直接的反映指标，也是相应测试层位竖向荷载作用下，路堤刚度大小的直接描述指标，关系到其上覆结构层在行车荷载作用下的使用性能。甚至可以说，路基填筑密实度检测，在一定程度上，就是为了确保路基顶面有足够刚度，从而为路面结构层铺设后，车辆重复荷载作用下的路面结构使用耐久性提供保证
[5-6]。因此，在确保赤泥基道路混凝土路基结构水稳定性的前提下，采用回弹模量评价路基填筑质量，更加直接和有效。
采用现场载荷板测定路基回弹模量，适用于路基任意层位表面路基回弹模量现场测定。试验主要是通过承载板逐级加载、卸载的方法，测读每级荷载下相应路基回弹变形值，经过计算求得路基回弹模量，本方法测定的路基回弹模量，可作为路面设计参数使用。
各级荷载压力下的回弹模量
Ei值按照公式(1)
现场载荷板回弹模量计算，根据结束试验前的各回弹变形值，按线形回归方法由式6计算土基回弹模量
E0：
式中：E
0－赤泥基混凝土的回弹模量（MPa）；
µ
0－赤泥基混凝土的泊松比，根据部颁路基设计规范规定选用；
L
i－结束试验前的各级实测回弹变形值；
p
i－相对于L
i各级压力值。
在赤泥基道路混凝土试验路段，采用6%石灰土20cm+8%石灰土20cm+6.5%赤泥基道路混凝土20cm的结构。在石灰土层表面和赤泥基混凝土表面，分别安排了五个试验区域，针对施工完成之后不同时间对路基的回弹模量进行了测试。测试结果见表4所示。
承载板实测回弹模量结果 表3
|
测试位置 |
测试层位 |
回弹模量/MPa |
|
NK0+010 |
石灰土顶3天 |
41.3 |
|
赤泥顶1天 |
52.1 |
|
赤泥顶3天 |
181.1 |
|
赤泥顶7天 |
196.2 |
|
NK0+030 |
石灰土顶 |
45.5 |
|
赤泥顶1天 |
60.1 |
|
赤泥顶3天 |
200.9 |
|
赤泥顶7天 |
201.9 |
|
NK0+050 |
石灰土顶 |
42.1 |
|
赤泥顶1天 |
55.5 |
|
赤泥顶3天 |
179.1 |
|
赤泥顶7天 |
211.8 |
|
NK0+075 |
石灰土顶 |
45.3 |
|
赤泥顶1天 |
77.3 |
|
赤泥顶3天 |
243.3 |
|
赤泥顶7天 |
249.8 |
|
NK0+90 |
石灰土顶 |
44.0 |
|
赤泥顶1天 |
65.4 |
|
赤泥顶3天 |
176.9 |
|
赤泥顶7天 |
188.9 |
测试结果见表3所示，可以看出施工完成3天，第二层石灰土层表面的回弹模量低于50MPa。3天和7天测定赤泥基混凝土(CPS6.5%)路基表面的回弹模量E
0>130MPa，远远高于设计文件要求的60MPa。龄期的增长可以有效促进赤泥基混凝土路基回弹模量的提高改善。
4.2赤泥基基混凝土路基弯沉
路基回弹模量直接测试方法，一般采用路基载荷板试验，作为一种路基测试层位回弹模量直接测试技术，测试所得到路基回弹模量相对最精确。但是，该测试技术相对FWD弯沉测试，操作复杂，周期长、工作量大、费用高，且层状结构的板体性愈强，板体结构沉降盆对载荷板变型测试精度的影响相对也愈大。同时，虽然弯沉作为一种间接测定路面结构层回弹模量的测试指标，但已有的大量实践数据，提供了该指标用于评价道路使用性能诸多的经验方法。载荷板试验既存在测试样本数量不可能达到弯沉测试的量级，又存在层状结构板体性沉降盆的影响，因此在公路填筑层表面回弹模量测试中较少采用，更多的是采用FWD弯沉测试。由此可见，弯沉测试在路用性能评价中占有主导地位。FWD弯沉测试结果，目的在于通过与代表弯沉的经验关系，间接评价道路结构的在车辆荷载作用下的回弹模量。
落锤式弯沉仪实测弯沉结果(单位0.01mm)
表4
|
检测位置 |
检测层位 |
时间/天 |
N6m |
N2m |
|
K0+010 |
石灰土层顶 |
3 |
327.7 |
327.7 |
|
赤泥层顶 |
1 |
293.3 |
320.1 |
|
赤泥层顶 |
3 |
91.8 |
57.3 |
|
赤泥层顶 |
7 |
55.4 |
52.4 |
|
K0+030 |
石灰土层顶 |
3 |
327.7 |
327.7 |
|
赤泥层顶 |
1 |
298.8 |
313.3 |
|
赤泥层顶 |
3 |
75.0 |
74.0 |
|
赤泥层顶 |
7 |
54.9 |
66.2 |
|
K0+050 |
石灰土层顶 |
3 |
301.8 |
323.0 |
|
赤泥层顶 |
1 |
273.0 |
302.1 |
|
赤泥层顶 |
3 |
86.2 |
68.5 |
|
赤泥层顶 |
7 |
63.3 |
58.1 |
|
K0+070 |
石灰土层顶 |
3 |
308.7 |
303.1 |
|
赤泥层顶 |
1 |
284.9 |
300.5 |
|
赤泥层顶 |
3 |
99.3 |
83.8 |
|
赤泥层顶 |
7 |
71.5 |
64.5 |
|
K0+090 |
石灰土层顶 |
3 |
324.2 |
316.3 |
|
赤泥层顶 |
1 |
256.7 |
321.4 |
|
赤泥层顶 |
3 |
107.2 |
81.6 |
|
赤泥层顶 |
7 |
73.7 |
65.5 |
注：该落锤式弯沉仪的测试的上限是327.7，超过上限之结果不能测定。
本次检测采用丹麦Dynatest公司的落锤式弯沉仪——FWD，其原理和技术指标说明如下。我国现行的路面弯沉检测方法是五十年代引进的贝克曼梁，其基本原理是杠杆原理：利用载重汽车对路面加载，通过百分表观测路面回弹变形。工作原理简单，主要依赖人工操作完成。贝克曼梁方法存在的主要问题有：
1）以人工操作为主，效率低，可靠性差；
2）支点变形；
3）没有反映运动车辆对路面的动力作用；
4）仅观测路面单点（最大）弯沉。
因此，贝克曼梁方法不适用于对路基路面进行大范围长期跟踪观测，而且根据单点弯沉进行道路结构承载能力评价存在明显的不合理性。
FWD通过计算机控制下的液压系统提升并下落一重锤，对路基施加脉冲荷载。荷载的大小通过改变锤重和提升高度可在相当大的范围内调整，并通过刚性圆盘作用到路基上。路基的变形由5~9个传感器测定。FWD测速快（每测点约40秒），精度高（分辨率为0.1μm），并较好地模拟了行车荷载的动力作用，目前被认为是较为理想的道路无损检测设备。特别是FWD能够准确测定多点弯沉，从而为道路结构反分析提供了基础。
试验检测分别选取了，十个点进行测试，测点分别距离中线以外2m(N2m)和6m(N6m)。根据检测结果（表4），石灰土顶面的弯沉值都在300以上，大部分超过327.7 的设备检测上限。赤泥基混凝土层顶面的弯沉随着施工完成时间弯沉值显著下降，从原来最初的300左右降低到7天弯沉50左右，大于远远弯沉的设计标准。
4 赤泥基混凝土路基刚度变化分析
现场载荷板试验、FWD弯沉试验表明，施工完成7天的赤泥基混凝土顶面回弹模量都在180MPa以上，路基弯沉分布在50~100之间。且随着赤泥基混凝土填筑后龄期增长，承载力指标不断上升。因此，CPS6.5%赤泥基混凝土填筑路基，路用性能良好，能够满足了路用刚度的要求。
随着龄期增长，弯沉与回弹模量都呈现出相关性正增长（图2和图3所示）。这说明赤泥基混凝土有一个逐步发挥作用的过程，即使在下部石灰土层承载能力很低的情况下（回弹模量约45MPa，弯沉300左右），施工完成7天之后的赤泥基混凝土的承载能力提高接近4倍。
对赤泥基混凝土试验路的检测中，采用弯沉和载荷板回弹模量测试平行试验，可以得到实测回弹模量与弯沉之间的关系（图4）。这一关系对赤泥基混凝土路基工程有重要的工程指导价值。采用实测回归的经验关系，可以得到赤泥基混凝土路基不同层位回弹模量控制标准。
5 结论
根据现场回弹模量与弯沉的检测数据可以看出，即使在下部路基石灰土层承载能力不足的情况下，赤泥混凝土路基的承载力能够远远满足公路路基的设计标准。而且随着龄期的增长，路基的承载能力不断增长，施工完成3天承载力指标增长超过400%。
试验段现场载荷板试验表明，下层回弹模量分布在20~40MPa之间，上层赤泥混凝土路基填土厚20cm，采用拜耳法赤泥与6.5%剂量的水泥基高分子材料组成的复合材料，路基回弹模量达到180MPa以上，能够满足上部路面结构层对底基层刚度的要求。
通过现场弯沉测试和载荷板回弹模量测试的平行试验，建立了赤泥基混凝土回弹模量与弯沉经验实测回归关系。这一标准对赤泥混凝土路基及类似工程有重要的工程指导价值，在今后工程建设，类似工程路基不同层位的回弹模量控制，可以参照执行。
参考文献
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[2] Harekrushna Sutar at al,” Progress of Red Mud Utilization: An Overview”[J], American Chemical Science Journal 4(3): 255-279, 2014.
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[4] 陈存礼, 胡再强, 谢定义. 赤泥的变形-强度特性与结构性关系的研究[J], 2004，25(12):1862-1866.
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[6] Palmer, S.J., Nothling, M., Bakon, K.H., Frost, R.L., 2010. Thermally activated seawater neutralized red mud used for the removal of arsenate, vanadate and molybdate from aqueous solutions[J]. Journal of Colloid and Interface Science 342 (1), 147–154.
