纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土及其制备方法，属于道路建筑材料技术领域。


背景技术：

2.泡沫混合轻质土是高速公路工程中新兴的建筑材料，具有其强度大于传统填土且轻质性较传统填土高的优点。根据《山东省综合交通网中长期发展规划（2018-2035年）》，至2035年我省高速公路里程将超过9000公里，同时，山东省正全面加大高速公路改扩建力度，推进实施高速公路“四改六”、“四改八”，未来在高速公路的改扩建工程或改善道路桥头跳车问题中会需要数量庞大的泡沫混合轻质土，因此，泡沫混合轻质土新材料在高速公路工程中有广阔市场前景。泡沫混合轻质土在填筑后具有28d无侧限抗压强度高、抗冲击性能强、自立性好、附加荷载小等优点，在高速公路工程中受到了越来越多的关注。
3.因为在高速公路工程中需要庞大的工程量，所以在不明显损失泡沫混合轻质土性能的前提下，研发新型泡沫混合轻质土以降低实际工程的成本，具有极其迫切的需求，结合我国迅速且大规模的工业和基建发展产生了大量固体废弃物，如赤泥、脱硫石膏、粉煤灰等，以这些固体废弃物替代原有材料中掺合料，甚至部分取代固化材料，实现固废资源再生，就可以大幅降低材料生产成本，可产生显著的环境效益和经济成果。
4.中国专利cn109020614公开了一种赤泥基泡沫轻质土及其制备方法，该赤泥基泡沫轻质土以水泥和赤泥作为胶凝材料、脱硫石膏作为激发剂。该以水泥和赤泥为胶凝材料的赤泥基泡沫轻质土，因为不含粗骨料、并且由于泡沫轻质土本身的水灰比较大，所以制成的泡沫轻质土会存在干缩性大，极易在凝结硬化的过程中产生干缩裂缝的问题。
5.中国专利cn113149530 公开了一种赤泥改性泡沫轻质土及其制备方法和应用，该赤泥改性泡沫轻质土以高温烧结后的赤泥作为原料、减少水泥的用量、采用加大量的石灰作为掺合料、同时添加纤维，在提高强度的同时解决了凝结硬化的过程中产生干缩裂缝的问题。赤泥在经过高温煅烧后的活性会有一定程度的提高，但高温煅烧会加大实际工程应用的成本。除此之外，掺合料石灰的成本较高，当大量应用于路基工程时的工程成本会大幅度提高。


技术实现要素：

6.本发明提供一种纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土及其制备方法；在不增加成本且能保证强度的前提下，解决赤泥基泡沫轻质土凝结硬化的过程中容易产生干缩裂缝的问题。
7.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土，其原料以重量分数计包括：赤泥200-480份、水泥200-400份、熟石灰80-120份、泡沫100-130份、纤维3-25份和水360-520份；其湿密度为700-950kg/m
³
；
所述赤泥为未经过煅烧的赤泥；所述熟石灰，氢氧化钙含量在80%以上，密度在2.1g/cm
3-2.3g/cm3之间；所述泡沫为发泡液经稀释后利用物理发泡形成，泡沫群的密度在48kg/m
³‑
52kg/m
³
之间；所述纤维选自聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维和棕榈丝纤维的一种或两种以上，其长度为6mm-21mm。
8.原料配比优选为：赤泥250-430份、熟石灰85-115份、水泥220-390份、泡沫105-125份、纤维5-20份；更优选为：赤泥300-380份、熟石灰90-110份、水泥240-380份、泡沫110-120份、纤维6-15份。
9.以水泥和赤泥为胶凝材料的赤泥基泡沫轻质土，因为不含粗骨料、并且由于泡沫轻质土本身的水灰比较大，所以制成的泡沫轻质土会存在干缩性大，极易在凝结硬化的过程中产生干缩裂缝的问题。虽然在采用经过高温煅烧后的赤泥、降低水泥用量的前提下，纤维能很好地减少干收缩的现象，对提高泡沫混凝土抗冲击、抗折和抗疲劳有一定效果。但是，在采用未经煅烧的赤泥、水泥用量不减少、采用少量生石灰作为掺合料的情况下，即使添加纤维，所制备的赤泥基泡沫轻质土依然存在抗折强度、抗压强度较低的技术问题。本技术通过用熟石灰代替生石灰，依然采用未经煅烧的赤泥、水泥用量不减少，添加纤维后所制备的赤泥基泡沫轻质土的抗折强度、抗压强度明显提高。本技术通过研究发现可能的原因是：在泡沫轻质土的制作过程中采用生石灰时，生石灰会优先与浆液中的水发生反应，使得浆液变得更加粘稠，导致搅拌不充分等问题，当在泡沫轻质土的制作中加入熟石灰时，则会有效地提高浆液的流动度，使搅拌更加充分。另外，本技术虽然采用未经高温煅烧的赤泥作为胶凝材料，但是通过采用熟石灰作为激发剂对赤泥进行激发，提高了赤泥基胶凝材料的强度。由此可见，本技术通过用熟石灰代替生石灰且用量减少、采用未经烧结的赤泥、不降低水泥用量的技术手段，在不增加成本且能保证强度的前提下，解决赤泥基泡沫轻质土凝结硬化的过程中容易产生干缩裂缝的问题。
10.通过进一步研究发现：赤泥在使用前进行烘干预处理，可以提高赤泥作为凝胶材料的活性。可能的原因是烘干赤泥时可能会使赤泥中硅铝酸盐物相的结构转变，使更多的活性硅铝参与反应。具体的，所述赤泥在使用前进行如下预处理：在105℃下烘干48小时以上再破碎、过筛；预处理后的赤泥，最大颗粒直径不超过4um，密度在2.8g/cm
3-2.95g/cm3之间。
11.赤泥是氧化铝工业过程中排出的固体废弃物，从不同常见获得不同批次的赤泥的成分并不完全相同，其作为胶凝材料的活性有所差异，进而导致其与其他原料配合之后形成的抗裂性赤泥基泡沫轻质土的强度性能存在差异。实验表面，相对于其他成分的赤泥，成分为23%-27%al2o3、34%-38�2o3、14%-18%si2o3、5%-7�o、0.8%-2.2%tio2、10%-14%na2o的赤泥，与水泥、熟石灰的配合后所制备的抗裂性赤泥基泡沫轻质土的抗压抗折性能较好。％为质量百分数。
12.赤泥可以分为烧结法赤泥或拜耳法赤泥；采用烧结法赤泥或拜耳法赤泥或烧结法赤泥与拜耳法赤泥的组合均可以实现本技术的发明目的。但是，实验证明，在其他原料、制备工艺相同的情况下，对于采用烧结法赤泥采用拜耳法赤泥抗裂性赤泥基泡沫轻质土的抗压强度、抗折强度性能更好。可能的原因是烧结法赤泥相较于拜耳法赤泥具有较高的水化
活性，在碱性激发剂的激发作用下可以制备性能更加优异的赤泥基胶凝材料。
13.纤维可以明显提高泡沫轻质土的抗裂性能，减少裂缝的产生和发展，同时，纤维的存在也提高了泡沫轻质土的抗渗性能和抗冲击性能。实验表明，当掺入纤维的长度为6-21mm时，例如纤维的长度为6mm、9mm、12mm、15mm、18mm、21mm时，泡沫轻质土的抗压强度和抗折强度有着不同程度的提高，其中以纤维的长度为12mm时的效果最佳。。
14.采用硅烷偶联剂的无水乙醇溶液处理纤维时，硅烷偶联剂的一端可以与纤维的表面结合而另一端可以与水泥的部分物质结合，使得纤维与水泥的结合更加紧密。采用二甲苯溶液处理纤维时，二甲苯可以使得纤维的表面产生较多的微小的孔隙或者裂缝，这些微小的孔隙或裂缝的存在可以使胶凝材料的浆液更加轻松的进入纤维的内部，使得纤维可以与胶凝材料紧密地结合在一起。表面改性剂处理后的纤维的性能会有较大程度的提高。因此，纤维在使用之前用表面改性剂浸泡；所述表面改性剂选自1%的硅烷偶联剂的无水乙醇溶液和二甲苯溶液中的一种；所述1%为质量百分数。具体的，是将纤维打散后放入表面改性剂中浸泡2h后捞出用清水清洗掉多余的表面改性剂。
15.二甲苯溶液指二甲苯乙醇溶液，二甲苯的质量分数在90%以上；所述二甲苯是指指邻二甲苯、间二甲苯和对二甲苯中的一种或两种以上。
16.本技术还提供了纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土的现场制备方法：将赤泥、石灰、水泥和纤维按比例称取后搅拌成质地均匀的混合干料，向混合干料中加入称量好的水搅拌成浆液，向浆液中通入泡沫搅拌均匀即可。
17.当所用纤维为用表面改性剂浸泡后的纤维时，可以先将赤泥、石灰、水泥混合均匀后再与纤维混合均匀。
18.本发明的技术原理为：（1）未采用高温煅烧的赤泥在单独作为胶凝材料使用时的活性很低，因此本发明采用熟石灰（氢氧化钙）作为碱性激发剂对赤泥进行碱激发，提高了赤泥基胶凝材料的强度。
19.（2）由于赤泥的黏度较高，加入熟石灰可以起到提高浆液的流动度的作用，提高了泡沫轻质土的可泵性，提高了泡沫轻质土在工程实践中的实用性。
20.（3）由于赤泥作为胶凝材料使用时的开裂较为明显，少量掺入纤维可以明显提高泡沫轻质土的抗裂性能，减少裂缝的产生和发展，同时，纤维的存在也提高了泡沫轻质土的抗渗性能和抗冲击性能。
21.（4）本发明提出的纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土的制备流程简单，操作容易。纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土自重低、强度大、抗裂性能好且流动度高，相较于传统的填土，减少了沉降、开裂等风险，具有良好的工程实用性。
具体实施方式
22.下面结合实施例对本发明进一步说明。
23.下面通过具体实例对本发明进行进一步的说明，实施例中所指出的材料均为常规商业途径可获得的材料或经过现代技术加工之后可获得的材料，实施例中的配合比可以作为参考，具体配合比可根据不同的工程实践进行调整。
24.在以下的实施例中，所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥。所述赤泥a为山东铝业公司
生产的拜耳法赤泥，其密度为2850kg/m3，需在105℃下烘干48小时以上再经破碎后用筛孔规格为250目的筛网筛选所得，赤泥a成分的质量百分比为：23%-27%al2o3、34%-38�2o3、14%-18%si2o3、5%-7�o、0.8%-2.2%tio2、10%-14%na2o。所述赤泥b为山东铝业公司生产的拜耳法赤泥，其密度为2850kg/m3。所述赤泥c为山东铝业公司生产的烧结法赤泥，其密度为2850kg/m3，需在105℃下烘干48小时以上再经破碎后用筛孔规格为250目的筛网筛选所得。所述熟石灰，氢氧化钙含量在80%以上，密度在2.1g/cm
3-2.3g/cm3之间。所述发泡剂为威海中盛公司生产的高分子复合水泥发泡剂，按照1：60的稀释倍率稀释为发泡液，制作出的气泡群密度为49kg/m3，标准气泡柱静置1h的沉降距为4mm，标准气泡柱静置1h的泌水量为23ml，发泡倍数为20倍。所述纤维为泰利化纤制品有限公司生产的聚丙烯纤维，长度为9mm。纤维称好之后置于表面改性剂a中浸泡2h以上后捞出，并用清水清洗掉纤维表面多余的表面改性剂即得饱水纤维a。纤维称好之后置于表面改性剂b中浸泡2h以上后捞出，并用清水清洗掉纤维表面多余的表面改性剂即得饱水纤维b。纤维称好之后置于水中浸泡2h以上即得饱水纤维c。所述表面改性剂a为硅烷偶联剂与无水乙醇配制成的，硅烷偶联剂质量含量为1％。所述表面改性剂b为邻二甲苯乙醇溶液，邻二甲苯的质量分数为90%。
25.实施例1本例纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土所采用的原料组成为：赤泥a350份、水泥320份、熟石灰100份、水466份、泡沫38份、纤维12份；所述份数为重量份。
26.制作步骤如下：（1）将赤泥a、水泥、熟石灰按比例加入搅拌机中，开动搅拌器搅拌1min直至干料搅拌均匀；（2）向搅拌机加入饱水纤维a，开动搅拌器搅拌1min直至干料和饱水纤维a搅拌均匀；（3）向搅拌机中的混合干料中加入称量好的清水，开动搅拌机搅拌直至浆液搅拌均匀且浆液中的纤维分散均匀；（4）向浆液中通入计算好的一定质量的气泡群，再开动搅拌机搅拌直至浆液均匀；（5）将搅拌好的浆液倒入模具中，轻轻振捣之后刮平表面，覆上保鲜膜后养护3d脱模，将脱模后的试件放在塑料袋内置于25℃的环境下标准养护4d、25d后测试其抗压强度和抗折强度。
27.实施例2本例纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土所采用的原料组成为：赤泥a360份、水泥330份、熟石灰115份、水466份、泡沫51份、纤维12份。
28.制作步骤如下：（1）将赤泥a、水泥、熟石灰按比例加入搅拌机中，开动搅拌器搅拌1min直至干料搅拌均匀；（2）向搅拌机加入饱水纤维a，开动搅拌器搅拌1min直至干料和饱水纤维a搅拌均匀；（3）向搅拌机中的混合干料中加入称量好的清水，开动搅拌机搅拌直至浆液搅拌均匀且浆液中的纤维分散均匀；（4）向浆液中通入计算好的一定质量的气泡群，再开动搅拌机搅拌直至浆液均匀；（5）将搅拌好的浆液倒入模具中，轻轻振捣之后刮平表面，覆上保鲜膜后养护3d脱模，将脱模后的试件放在塑料袋内置于25℃的环境下标准养护4d、25d后测试其抗压强度和抗折强度。
29.实施例3本例纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土所采用的原料组成为：赤泥a360份、水泥320份、熟石灰110份、水460份、泡沫38份、纤维6份。
30.制作步骤如下：（1）将赤泥a、水泥、熟石灰按比例加入搅拌机中，开动搅拌器搅拌1min直至干料搅拌均匀；（2）向搅拌机加入饱水纤维a，开动搅拌器搅拌1min直至干料和饱
水纤维a搅拌均匀；（3）向搅拌机中的混合干料中加入称量好的清水，开动搅拌机搅拌直至浆液搅拌均匀且浆液中的纤维分散均匀；（4）向浆液中通入计算好的一定质量的气泡群，再开动搅拌机搅拌直至浆液均匀；（5）将搅拌好的浆液倒入模具中，轻轻振捣之后刮平表面，覆上保鲜膜后养护3d脱模，将脱模后的试件放在塑料袋内置于25℃的环境下标准养护4d、25d后测试其抗压强度和抗折强度。
31.实施例4本例纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土所采用的原料组成为：赤泥a350份、水泥330份、熟石灰100份、水460份、泡沫40份、纤维3份。
32.制作步骤如下：（1）将赤泥a、水泥、熟石灰按比例加入搅拌机中，开动搅拌器搅拌1min直至干料搅拌均匀；（2）向搅拌机加入饱水纤维a，开动搅拌器搅拌1min直至干料和饱水纤维a搅拌均匀；（3）向搅拌机中的混合干料中加入称量好的清水，开动搅拌机搅拌直至浆液搅拌均匀且浆液中的纤维分散均匀；（4）向浆液中通入计算好的一定质量的气泡群，再开动搅拌机搅拌直至浆液均匀；（5）将搅拌好的浆液倒入模具中，轻轻振捣之后刮平表面，覆上保鲜膜后养护3d脱模，将脱模后的试件放在塑料袋内置于25℃的环境下标准养护4d、25d后测试其抗压强度和抗折强度。
33.实施例5本例纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土所采用的原料组成为：赤泥b360份、水泥320份、熟石灰110份、水460份、泡沫38份、纤维6份。
34.制作步骤如下：（1）将赤泥b、水泥、熟石灰按比例加入搅拌机中，开动搅拌器搅拌1min直至干料搅拌均匀；（2）向搅拌机加入饱水纤维a，开动搅拌器搅拌1min直至干料和饱水纤维a搅拌均匀；（3）向搅拌机中的混合干料中加入称量好的清水，开动搅拌机搅拌直至浆液搅拌均匀且浆液中的纤维分散均匀；（4）向浆液中通入计算好的一定质量的气泡群，再开动搅拌机搅拌直至浆液均匀；（5）将搅拌好的浆液倒入模具中，轻轻振捣之后刮平表面，覆上保鲜膜后养护3d脱模，将脱模后的试件放在塑料袋内置于25℃的环境下标准养护4d、25d后测试其抗压强度和抗折强度。
35.实施例6本例纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土所采用的原料组成为：赤泥c360份、水泥320份、熟石灰110份、水460份、泡沫38份、纤维6份。
36.制作步骤如下：（1）将赤泥c、水泥、熟石灰按比例加入搅拌机中，开动搅拌器搅拌1min直至干料搅拌均匀；（2）向搅拌机加入饱水纤维a，开动搅拌器搅拌1min直至干料和饱水纤维a搅拌均匀；（3）向搅拌机中的混合干料中加入称量好的清水，开动搅拌机搅拌直至浆液搅拌均匀且浆液中的纤维分散均匀；（4）向浆液中通入计算好的一定质量的气泡群，再开动搅拌机搅拌直至浆液均匀；（5）将搅拌好的浆液倒入模具中，轻轻振捣之后刮平表面，覆上保鲜膜后养护3d脱模，将脱模后的试件放在塑料袋内置于25℃的环境下标准养护4d、25d后测试其抗压强度和抗折强度。
37.实施例7本例纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土所采用的原料组成为：赤泥c360份、水泥320份、熟石灰110份、水460份、泡沫38份、纤维6份。
38.制作步骤如下：（1）将赤泥c、水泥、熟石灰按比例加入搅拌机中，开动搅拌器搅拌
1min直至干料搅拌均匀；（2）向搅拌机加入饱水纤维c，开动搅拌器搅拌1min直至干料和饱水纤维c搅拌均匀；（3）向搅拌机中的混合干料中加入称量好的清水，开动搅拌机搅拌直至浆液搅拌均匀且浆液中的纤维分散均匀；（4）向浆液中通入计算好的一定质量的气泡群，再开动搅拌机搅拌直至浆液均匀；（5）将搅拌好的浆液倒入模具中，轻轻振捣之后刮平表面，覆上保鲜膜后养护3d脱模，将脱模后的试件放在塑料袋内置于25℃的环境下标准养护4d、25d后测试其抗压强度和抗折强度。
39.实施例8本例纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土所采用的原料组成为：赤泥b360份、水泥320份、熟石灰110份、水460份、泡沫38份、纤维6份。
40.制作步骤如下：（1）将赤泥b、水泥、熟石灰按比例加入搅拌机中，开动搅拌器搅拌1min直至干料搅拌均匀；（2）向搅拌机加入饱水纤维c，开动搅拌器搅拌1min直至干料和饱水纤维c搅拌均匀；（3）向搅拌机中的混合干料中加入称量好的清水，开动搅拌机搅拌直至浆液搅拌均匀且浆液中的纤维分散均匀；（4）向浆液中通入计算好的一定质量的气泡群，再开动搅拌机搅拌直至浆液均匀；（5）将搅拌好的浆液倒入模具中，轻轻振捣之后刮平表面，覆上保鲜膜后养护3d脱模，将脱模后的试件放在塑料袋内置于25℃的环境下标准养护4d、25d后测试其抗压强度和抗折强度。
41.对比例1本例纤维加筋的抗裂性赤泥基泡沫轻质土所采用的原料组成为：赤泥b360份、水泥320份、生石灰110份、水460份、泡沫38份、纤维6份。
42.制作步骤如下：（1）将赤泥b、水泥、生石灰按比例加入搅拌机中，开动搅拌器搅拌1min直至干料搅拌均匀；（2）向搅拌机加入饱水纤维c，开动搅拌器搅拌1min直至干料和饱水纤维c搅拌均匀；（3）向搅拌机中的混合干料中加入称量好的清水，开动搅拌机搅拌直至浆液搅拌均匀且浆液中的纤维分散均匀；（4）向浆液中通入计算好的一定质量的气泡群，再开动搅拌机搅拌直至浆液均匀；（5）将搅拌好的浆液倒入模具中，轻轻振捣之后刮平表面，覆上保鲜膜后养护3d脱模，将脱模后的试件放在塑料袋内置于25℃的环境下标准养护4d、25d后测试其抗压强度和抗折强度。
43.抗压强度测试将实施例1-7和对比例1的赤泥基泡沫轻质土试件分别进行7d和28d的无侧限抗压强度测试，按照cjj/t177-2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规范》，采用材料试验机对试件进行测试。
44.抗折强度测试将实施例1-7和对比例1的赤泥基泡沫轻质土试件分别进行7d和28d的抗折强度测试，按照《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》（gbt-17671-1999）。
45.实施例1-8、对比例1的测试结果如表1所示。
46.表1
。
47.上述虽然结合本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。