一种赤泥-粉煤灰-矿渣基泡沫轻质土及其制备方法和应用与流程

本发明涉及固废资源化利用与路基工程材料，尤其涉及一种赤泥-粉煤灰-矿渣基泡沫轻质土及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，大宗工业固废的规模化、高值化利用已成为建材与道路工程领域的重要发展方向。赤泥、粉煤灰、矿渣等工业固废的大量堆存不仅占用宝贵的土地资源，且因其含有碱性物质及重金属元素，易引发周边土壤碱化、地下水污染等环境问题，对生态环境构成潜在威胁。与此同时，在道路工程建设中，传统路基回填材料（如天然碎石、纯水泥基材料等）在桥台高填方、蓄滞洪区软土地基、地下管线周边回填及道路拓宽等特殊工况下，普遍存在自重过大导致地基差异沉降、狭小异形空间压实困难、水稳定性与抗冻耐久性不足等技术缺陷，严重影响道路服役质量与使用寿命。

2、在固废资源化利用领域，将工业固废制备成泡沫轻质土用于路基回填已成为降低材料自重、消纳固废的重要途径之一。现有技术中，固废基泡沫轻质土的研究与应用已取得一定进展，但仍存在以下三类核心缺陷，制约了其工程推广与性能提升：

3、（1）激发路径依赖强碱，长期耐久性存在隐患，现有技术中，多数多固废泡沫轻质土体系需额外添加氢氧化钠、生石灰、脱硫石膏等强碱性激发剂，方能有效激活粉煤灰的火山灰活性与矿渣的水硬活性。虽然短期内材料强度有所提升，但强碱环境易导致后期出现泛碱、孔隙结构劣化、界面腐蚀等问题，长期耐久性不足；同时，强碱原料的引入增加了施工工序复杂度、现场操作安全风险及环境负担，与绿色低碳的发展理念相悖。

4、（2）固废掺量与材料性能难以兼顾，现有技术中的单一固废或双固废泡沫轻质土体系，因活性组分有限，为保障力学性能与耐久性，普遍将固废总掺量控制在30%-80%范围内，水泥等胶凝组分占比较高。少数尝试提高固废掺量的技术方案中，赤泥占比多低于15%，且未能形成赤泥-粉煤灰-矿渣三元协同的精准配比与活性激发机制，无法实现90%高固废掺量条件下材料力学性能、耐久性与体积稳定性的统一达标。

5、（3）纤维增强技术适配性差，增强效率偏低，现有纤维改性方案多采用聚丙烯等有机纤维，该类纤维存在耐碱性弱、长期服役易老化、弹性模量偏低等问题，难以满足路基回填材料的长期稳定性要求。少数采用玄武岩纤维的技术方案，因未针对固废自激发体系的特定水化产物与界面特征进行表面优化处理，纤维与胶凝基体之间的粘结力较弱，需将纤维掺量提高至0.2%以上方能显现增强效果，且高掺量下易出现纤维结团、分散不均等问题，导致增强性价比低，无法同时兼顾轻质、高强、高韧与高固废消纳的多重目标。

6、综上所述，工业固废在道路工程领域的综合利用率较低。因此，开发一种无需外加强碱激发、可实现90%高固废掺量、兼具高性能纤维增强与长期耐久性的泡沫轻质土材料，并建立与之配套的标准化工程应用方案，已成为道路工程绿色低碳转型的迫切技术需求。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种赤泥-粉煤灰-矿渣基泡沫轻质土及其制备方法和应用，依托赤泥自身弱碱性（ph10.5-11.5）同步激发粉煤灰火山灰活性与矿渣水硬活性，实现90%高固废掺量下的稳定胶凝性能，并且，提供适配上述自激发体系的硅烷偶联剂（kh-550）改性玄武岩纤维增强方案，通过"干拌预分散+界面化学键合"机制，在低掺量（0.08%-0.15%）、不降低固废掺量、不显著增加成本的前提下，大幅提升材料强度（抗压提升70%以上）、抗裂性与长期耐候性。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种赤泥-粉煤灰-矿渣基泡沫轻质土，按质量百分比计，原料由以下组分组成：赤泥18%-22%、f类ⅱ级粉煤灰36%-40%、s95级矿粉 36%-40%、p·o42.5 级水泥8%-12%，赤泥、f类ⅱ级粉煤灰、s95级矿粉和p·o42.5级水泥质量之和为100%，羟丙基甲基纤维素，添加量为赤泥、f类ⅱ级粉煤灰、s95级矿粉和p·o42.5级水泥质量之和的0.05%-0.10%、a型高分子复合发泡剂以及拌合水，a型高分子复合发泡剂经水按质量比1:60稀释后制备成泡沫，泡沫体积占泡沫轻质土总体积 35%-55%，水胶比为0.55；

4、所述赤泥为拜耳法赤泥，ph值10.5-11.5，化学成分包括sio213%-14%、al2o314%-15%、fe2o329%-30%、cao14%-15%，经105℃烘干破碎过0.075mm筛。

5、进一步地，所述a型高分子复合发泡剂泡沫密度48-52kg/m3，1h沉降距≤5mm，1h泌水率≤25%。

6、进一步地，所述赤泥、f类ⅱ级粉煤灰与s95级矿粉的质量比为2:4:4，水泥掺量为所述赤泥、f类ⅱ级粉煤灰、s95级矿粉和p·o42.5级水泥总质量的10%，羟丙基甲基纤维素掺量为所述赤泥、f类ⅱ级粉煤灰、s95级矿粉和p·o42.5级水泥总质量的0.06%。

7、进一步地，所述赤泥-粉煤灰-矿渣基泡沫轻质土的原料还包括表面改性玄武岩短切纤维，按所述赤泥、f类ⅱ级粉煤灰、s95级矿粉和p·o42.5级水泥总质量计，表面改性玄武岩短切纤维掺量为0.08%-0.15%。

8、进一步地，所述表面改性玄武岩短切纤维掺量为所述赤泥、f类ⅱ级粉煤灰、s95级矿粉和p·o42.5级水泥总质量的0.12%。

9、进一步地，所述表面改性玄武岩短切纤维的长度为6-12mm，直径为13-17μm。

10、进一步地，所述表面改性玄武岩短切纤维的制备方法为：将玄武岩短切纤维浸入质量分数1%-2%的kh-550硅烷偶联剂乙醇溶液中，超声分散15-20min后取出，105℃烘干至恒重，得到表面改性玄武岩短切纤维。

11、本发明还提供一种赤泥-粉煤灰-矿渣基泡沫轻质土的制备方法，包括以下步骤：

12、（1）将赤泥在105℃烘箱中烘干至恒重，破碎后过0.075mm筛；粉煤灰、矿粉、水泥分别干燥至含水率≤1%；若掺加改性玄武岩纤维，将其干燥除杂至含水率≤1%，打散备用；

13、（2）将玄武岩短切纤维浸入质量分数1%-2%的kh-550硅烷偶联剂乙醇溶液中，超声分散15-20min后取出，105℃烘干至恒重，得到表面改性玄武岩短切纤维；

14、（3）将a型高分子复合发泡剂按1∶60的稀释倍率加水稀释，通过变频发泡机制备稳定泡沫，搅拌转速1200r/min、发泡压力20kpa，泡沫密度控制在48-52kg/m3；

15、（4）按比例称取赤泥、粉煤灰、矿粉、水泥及羟丙基甲基纤维素，若掺加改性玄武岩纤维则同步称取该原料，投入搅拌机中，以600rpm转速干拌3-6min，确保纤维均匀分散无结团；再加入预设量的拌合水，水胶比0.55，以1400rpm转速搅拌5-8min，制成均匀胶凝浆体；

16、（5）混合成型：将制备好的泡沫分层加入胶凝浆体中，上层以300rpm搅拌2-3min，底层以300rpm搅拌3-6min，确保泡沫与浆体混合均匀，湿密度控制在800-1000kg/m3；

17、（6）养护：将混合浆料倒入试模或填筑区域，20℃恒温覆盖养护24h后脱模，采用密封袋包裹或覆盖土工布，放入标准养护室养护至规定龄期，养护温度20±1℃、相对湿度≥95%。

18、本发明还提供一种赤泥-粉煤灰-矿渣基泡沫轻质土在路基回填工程中的应用，采用分层填筑、自流平浇筑方式施工，每层填筑高度≤2m，填筑层间摩擦系数≥0.35，与桥台基础接触面摩擦系数≥0.40，施工环境温度5-35℃，浇筑完成后覆盖土工布保湿养护≥7d。

19、进一步地，所述回填的总高度≤8m时，差异沉降≤10mm，工后沉降≤30mm。

20、与现有技术相比，本发明至少具有如下优势和技术效果：

21、本发明采用赤泥自激发三元协同胶凝泡沫轻质土体系，摒弃了传统碱激发材料对外加强碱激发剂的依赖，充分利用拜耳法赤泥自身携带的弱碱性环境，缓慢持续激发粉煤灰中活性sio2、al2o3与矿渣活性组分，并与水泥水化生成的ca(oh)2反应生成c-s-h凝胶、钙矾石等胶凝产物；同时赤泥中的铁、钙组分参与水化进程并填充孔隙，形成致密稳定的胶凝骨架，在固废总掺量高达90%的条件下，实现800级湿密度对应抗压强度突破2.3mpa，远高于同类高固废泡沫土1.0-1.5mpa的普遍水平，且避免了传统碱激发体系常见的泛碱、界面腐蚀、后期强度倒缩等长期病害，材料的水稳定性、抗冻性及耐候性显著增强，服役寿命大幅延长。此外，均匀分布的封闭泡沫结构使材料干密度仅为传统填料的35%-45%，有效减少地基附加沉降，且微孔结构可释放部分收缩内应力，缓解干燥收缩与温度变形，提升体积稳定性。

22、针对玄武岩纤维与固废胶凝基体界面粘结弱的共性难题，本发明采用硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行表面改性，在其表面引入活性官能团，一端与纤维表面硅羟基形成化学键合，另一端与c-s-h凝胶等水化产物形成化学键结合，显著提升了纤维–基体界面粘结强度；仅需0.08%-0.15%的极低掺量即可在基体中形成均匀三维网络，钉扎水化早期微裂纹，抑制裂纹萌生与扩展，受力时通过纤维桥接、拔出效应吸收大量断裂能，实现强度提升70%以上，从根本上改善了固废胶凝材料的脆性特征，同时保留了玄武岩纤维优异的耐碱性、耐候性与高模量特性，更适配路基长期服役环境，其增强效率远高于未改性玄武岩纤维及常规聚丙烯纤维。

23、本发明材料具备良好的自流平特性，浇筑后无需重型压实设备即可自行流平、填充密实，可便捷填充狭小异形空间及复杂结构部位，纤维改性工序可与原料预处理同步完成，不额外增加施工复杂度，综合施工效率较传统填土材料提高3-5倍。在低碳经济方面，本发明大幅减少水泥用量，每立方米可降低碳排放80-100kg，固废原料来源广泛、成本低廉，配合施工工序的简化，基础体系综合成本较传统材料降低30%-40%，纤维增强体系成本仅小幅增加，综合技术经济效益突出，为高附加值消纳大宗工业固废、推动道路工程绿色低碳发展提供了切实可行的技术路径。