0 引言

近年来，随着冶金工业的高速发展，产生的赤泥、钢渣等工业废渣累积量已达到惊人的数量，我国钢渣累计堆积量远超10亿t ^[1-2]，赤泥累计堆存超过6亿t ^[3-4]。工业固废目前在我国利用率低，大量堆存将破坏土壤，污染地下水源，若将钢渣、赤泥经过处理后，替代部分骨料作为路面基层材料，降低水泥的用量，不仅可以缓解道路建材资源供应压力，实现固废资源化利用，而且还具有一定的经济和社会效益。

刘晓明^[5]利用赤泥、煤矸石、粉煤灰等工业固废为原材料制备了一种路面基层材料，并验证了其路用性能，拓宽了路面基层材料的选材范围。陈平^[6-10]研究了赤泥、电解锰渣、钢渣为主要原材料制备复合胶凝材料、赤泥对钢渣活性激发的研究以及电解锰渣激发钢渣活性的研究，研究表明复合胶凝材料具有良好的抗腐蚀性以及赤泥、锰渣可以激发钢渣活性。郝雅芬^[11]研究了赤泥、钢渣改性水泥土冻融循环次数对其抗压强度的影响，研究发现赤泥和钢渣可以有效地提高水泥土的强度。李召峰^[12]以赤泥、矿渣、钢渣为原材料进行注浆材料的试验研究，并利用扫描电镜、红外光谱分析了作用机理，研究发现钢渣对注浆材料强度具有一定的提升作用。吴发红^[13]研究了化学激发对钢渣胶凝活性的影响，研究发现硫酸钠、硅酸钠、硅灰作为激发剂可以提高钢渣活性，促使二次水化反应，提升材料强度。涂昆^[14]研究了钢渣粉和钢渣水泥复合粉的活性和水化机理，研究发现钢渣水泥胶砂的28 d强度高于水泥胶砂的28 d强度。上述众多优秀的研究学者均研究了固废相互作用，相互激发机理，但固废作为路面基层材料、路用性能和环境性能的研究较少。

本研究通过赤泥、水泥熟料作为碱性激发剂激发钢渣活性，制备赤泥-钢渣-水泥路面基层材料，通过抗压强度、间接抗拉强度、弯拉强度、冻融循环、干缩、有害元素检测(ICP检测)、XRD、电镜扫描(SEM)等试验及检测，获取赤泥-钢渣-水泥路面基层材料的最佳配合比，并验证其路用性能、耐久性能、长期稳定性能、环境性能以及强度形成机理的微观研究。为工程实际应用提供参考，拓宽路面基层材料选材范围。

1 原材料 1.1 钢渣

试验研究选用的精炼钢渣是不锈钢企业通过磨细处理收集的一种尾渣，自然风干后呈灰白色。采用X荧光光谱分析法对钢渣原材料的组成和含量进行分析，具体成分见表 1。并利用X射线衍射分析法对钢渣粉状样品进行晶相分析，矿物分析结果如图 1所示。

采用全谱拟合Rietveld方法，钢渣样品定量矿物学分析结果得出：钢渣中矿物相含量主要为橄榄石(γ-Ca₂SiO₄)、枪晶石Ca₄(Si₂O₇)(F, OH)₂、镁硅钙石Ca₃Mg(SiO₄)₂、方沸石(NaAlSi₂O₆ · H₂O)、方石英(SiO₂)、金红石(TiO₂)、透辉石(MgCaSi₂O₆)。

1.2 赤泥

试验选用的拜耳法赤泥天然含水率22.82%，外观呈红褐色，赤泥浸出液为碱性，采用X荧光光谱分析法对赤泥原材料的组成和含量进行分析，具体成分见表 2。并利用X射线衍射分析法对赤泥粉状样品进行晶相分析，矿物分析结果如图 2所示。

采用全谱拟合Rietveld方法，赤泥样品定量矿物学分析结果得出：赤泥中矿物相含量主要为石英(SiO₂)、方钠石Na₈(Al₆Si₆O₂₄)Cl₂、针铁矿(FeOOH)、勃姆石(AlOOH)、方解石(CaCO₃)、赤铁矿(Fe₂O₃)、三水铝矿Al(OH)₃、金红石(TiO₂)。

1.3 水泥

试验选用普通硅酸盐水泥，其各项性能指标如表 3所示，化学成分如表 4所示。

2 赤泥-钢渣-水泥路面基层材料配合比设计及路用性能测试 2.1 配合比设计

依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，将烘干钢渣、赤泥，均过4.75 mm方孔筛，选用A组(钢渣∶赤泥=70%∶30%)、B组(钢渣∶赤泥=50%∶50%)、C组(钢渣∶赤泥=30%∶70%)3种配比通过重型击实试验，绘制击实曲线分别得到3组赤泥、钢渣混合料最佳含水量与最大干密度，试验结果如表 5所示。

7 d龄期无侧限抗压强度作为配合比设计的主要指标，探究不同水泥掺量对混合料强度影响规律，以上述重型击实试验为基础，选用2%~12%水泥掺量，制作径高比为1∶1，尺寸为ϕ50 mm×50 mm标准圆柱形试件，静压成型每组不少于6个试件，标准养护7 d后，通过1 mm/min的加载速率进行加载，记录试件破坏时的最大压力P，无侧限抗压强度计算公式如下：

(1)

式中, R_c为试件的无侧限抗压强度; P为试件破坏时的最大压力; A为试件的横截面积。

在同组试件试验中，对数据采用3倍均方差剔除异常值，且变异系数C_v(%)、抗压强度保证率R_c0.95需满足规范要求，则不同掺量水泥下的3组7 d无侧限抗压强度试验结果如图 3所示。

试验结果表明：

通过对比3组混合料的7 d无侧限抗压强度得出各组水泥的最佳掺量为：A组水泥掺量4%~12%，B组水泥掺量6%~12%，C组水泥掺量8%~12%，在最佳水泥掺量范围内均可以满足高速公路和一级公路基层在极重、特重交通荷载条件下的5 MPa强度规范要求^[15]，进一步探究其路用性能。

2.2 赤泥-钢渣-水泥路面基层材料路用性能 2.2.1 28 d无侧限抗压强度

为分析后期抗压强度变化规律，将A组水泥掺量4%~12%，B组水泥掺量6%~12%，C组水泥掺量8%~12%这3组混合料试件标准养护28 d，进行抗压强度测试，抗压强度变化规律如图 4所示。

通过试验分析得出：随着养护龄期的增长，3组试件的抗压强度均呈现上升趋势，水化反应持续进行中，未出现后期强度降低现象。

2.2.2 90 d间接抗拉强度

90 d间接抗拉强度又称为劈裂强度，是圆柱形试件在受到径向压力作用下破坏时的最大压力，它可以反映出路面基层水平受力抵抗变形的能力。依据规范^[16]将A组水泥掺量4%~12%、B组水泥掺量6%~12%、C组水泥掺量8%~12%这3组混合料试件标准养护90 d后，通过1 mm/min的加载速率进行加载，记录试件破坏时的最大压力P，间接抗拉强度计算公式如下：

(2)

式中，R_i为试件间接抗拉强度; P为试件破坏时的最大压力；d为试件的直径；h为浸水后试件的高度；α为压条对应的圆心角；a为压条宽度。3组混合料间接抗拉强度结果如图 5所示。

通过对比A，B，C这3组试件间接抗拉强度结果得出：3组试件的间接抗拉强度均在0.6 MPa以上，具有较好的抵抗横向受力变形的能力。

2.2.3 90 d弯拉强度

90 d弯拉强度即为抗折强度，反映路面基层竖向受力抵抗变形的能力。在满足强度要求的前提下同时需要考虑经济性，从上述A，B，C组中选取：A₁组(水泥掺量4%)，A₂组(水泥掺量6%)，B₁组(水泥掺量6%)，B₂组(水泥掺量8%)，C₁组(水泥掺量8%)，C₂组(水泥掺量10%)，依据规范制作标准梁形试件，标养90 d，采用三分点加压的方式，加载速率控制在50 mm/min测试这6组梁形试件的弯拉强度，计算公式如下：

(3)

式中，R_s为弯拉强度；P为破坏极限荷载；L为两支点距离；b为试件宽度；h为试件高度；弯拉强度结果如表 6所示。

试验表明：上述6组试件均满足弯拉强度规范要求^[17]，综合考虑经济性与水泥掺量对基层材料收缩性能的影响，选用满足各项强度要求且水泥掺量最少的A₁组，B₁组，C₁组的配合比进行冻融循环试验，验证其长期稳定性。

2.2.4 冻融循环

基层在整个路面结构层中主要起承重作用，冻胀病害也是基层病害之一，所以无机结合料的抗冻性能研究显得尤为重要。依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》选用A₁组，B₁组，C₁组进行试验，分别制作径高比为1∶1圆柱形试件，标准养生28 d，通过5次冻融循环，进行冻融和非冻融对比试验，冻融循环后抗压强度损失、质量变化率计算公式如下：

(4)

式中, BDR为冻融循环后抗压强度损失；R_DC为冻融循环后试件的抗压强度；R_C为对比试件的抗压强度。

(5)

式中, W_n为冻融循环后质量变化率；m₀为冻融循环前试件的质量；m_n为冻融后试件的质量。冻融循环试验结果如表 7所示。

通过上述试验分析得出：A₁，B₁组经过5次冻融循环，试件表面依然光滑平整，而C₁组经过5次冻融循环试件表面极不平整、有较多的蜂窝麻面，且质量损失远大于A₁，B₁组。虽然C₁组经过5次冻融循环后抗压强度损失达到83.93%，满足高速公路和一级公路重冻区BDR规范要求，但冻融后的抗压强度4.7 MPa不能满足5 MPa的强度要求，体现为试件表面极不完整，所以选用A₁，B₁组进行后续干缩试验验证。

2.2.5 干缩性能

路面基层材料干燥收缩后生成裂缝，从而导致面层产生反射裂缝，造成道路多种病害影响使用年限。从而验证路面基层材料的干燥收缩性能尤为重要，依据试验规范将A₁组，B₁组进行干缩试验，制作标准梁形试件标养7 d，将试件置于收缩仪安装千分表，然后移入干缩养护箱进行龄期180 d数据测量并按规范要求进行读数，干缩量变化趋势如图 6所示。

试验结果表明：由于试件前期失水率较大，所以前期干缩量增长速率较后期快，随着龄期逐渐增长干缩量趋于平缓，达到180 d干缩龄期时，两组试件干缩量不足3.5 mm，干缩量较小，说明两组试件干缩性能较好且具有一定的长期稳定性。

3 赤泥-钢渣-水泥路面基层材料环境性能

赤泥、钢渣属于工业固废，主要含有的重金属物质有：Na⁺、F(氟)、Cr⁶⁺、铅(Pb)、镍(Ni)、砷(As)、硒(Se)、锌(Zn)等。在道路工程中，路面基层材料会受到地表水与地下水的冲刷与浸泡，难免会对土壤环境及地下水资源造成影响，所以在赤泥、钢渣材料应用于实际道路工程前，应依据规范检测其浸泡液中危险元素含量是否满足国家标准与行业标准。本试验依据规范要求^[18]，将A₁组, B₁组试件，按照液固比为10∶1置于提取瓶内进行浸泡振荡，振荡和静置满足规范要求后，提取浸出液进行ICP检测，浸出液检测结果如表 8所示。

从水泥赤泥稳定钢渣基层材料浸出液检测结果来看，浸泡液中重金属元素质量浓度远远低于规范对其的限定，说明水泥赤泥钢渣三者的协同性较好，可以有效固化原材料中的重金属物质。所以水泥赤泥稳定钢渣路面基层材料环境性能较好，是良好的道路工程建筑材料。

4 赤泥-钢渣-水泥路面基层材料微观机理

基于上述路用性能试验研究，选用A₁组：(钢渣∶赤泥=70%∶30%)，水泥掺量4%的试件成品进行XRD试验，取部分试样磨细，并通过200目的方孔筛，得到X射线衍射样品进行测试，结果分析如图 7所示。

将A₁组试样烘干且破碎后的试块用导电双面胶粘于样品台上，利用Quorum SC7620离子溅射仪在其表面喷镀一层金膜，溅射电流为7 mA，溅射时间为300 s，采用Tescan Mira 4型扫描电镜(SEM)观察样品断面微观形貌，采用高真空二次电子模式观察，SEM图像如图 8所示。

从XRD图谱可以看出水化产物主要包括：水化硅酸钙(C-S-H)、钙矾石(AFt)，Ca(OH)₂，Mg(OH)₂等。在电镜扫描(SEM)10 000倍数下，图 8可观察到细长针棒状晶体，层状、板块状晶体，形貌呈现大小不一、形状不规则的球体，以及片状、叠片状晶体，依据文献[21-22]分析得出细长针棒状晶体为钙矾石(AFt)，层状、板块状晶体为Ca(OH)₂晶体。依据文献[23-25]分析得出大小不一、形状不规则的球体为水化硅酸钙凝胶(C-S-H)，片状、叠片状晶体为Mg(OH)₂。所以从这些水化产物可以推断出水泥赤泥稳定钢渣路面基层材料利用碱激发反应原理，赤泥和水泥熟料作为碱性激发剂激发钢渣活性，掺入赤泥主要形成较强的碱性环境，水泥水化过程同样形成碱性环境，进而提供了有利于钢渣水化的碱性条件，钢渣中的玻璃体会发生硅氧键和铝氧键的断裂与分解，释放出硅单体结构与铝单体结构，并与水泥熟料水化产物Ca(OH)₂反应，产生水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，与此同时Mg²⁺在碱性环境下生成Mg(OH)₂，形成较高强度的水泥赤泥稳定钢渣基层材料。钢渣、水泥、赤泥中含有大量S，Ca，Al的化合物，当这些化合物混合在一起，满足钙矾石化学计量比时就会形成钙矾石(AFt)，且AFt具有体积微膨胀性，可以抑制细料类基层材料的收缩变形，使水泥赤泥稳定钢渣基层材料具有一定的长期稳定性能。

5 结论

(1) 通过配合比设计，水泥赤泥稳定钢渣路面基层材料A₁组，B₁组7 d无侧限抗压强度分别达到5.7，5.4 MPa，满足高速公路和一级公路路面基层在极重、特重交通荷载条件下的5 MPa强度规范要求，且A₁组与B₁组28 d无侧限抗压强度均有提升，满足规范要求。

(2) A₁组，B₁组进行路用性能测试，间接抗拉、弯拉强度均满足规范要求，因此A₁组与B₁组具有良好的抵抗横、竖向变形能力；通过干缩、冻融循环试验，两组试件干缩量不足3.5 mm且5次冻融循环也满足规范要求，所以水泥赤泥稳定钢渣路面基层材料具有良好的长期稳定性。

(3) 通过环境性能分析，浸泡液中重金属元素质量浓度远远低于规范限值，说明水泥赤泥钢渣三者的协同性较好，可以有效的固化原材料中的重金属物质。所以水泥赤泥稳定钢渣路面基层材料环境性能较好，是良好的道路工程建筑材料。

(4) 通过XRD与扫描电镜(SEM)共同分析赤泥-钢渣-水泥路面基层材料的水化产物及微观形貌，水化产物主要有硅酸钙(C-S-H)凝胶、钙矾石(AFt)等，形成较高强度的水泥赤泥稳定钢渣基层材料，钙矾石(AFt)的产生是基层材料收缩变形小的主要原因。