化學改良對拜耳法赤泥擊實特性的影響研究

李 彬 孫兆云 楊偉剛 韓兆友 閆翔鵬

(1.山東高速股份有限公司，山東濟南 250014；2.山東省交通科學研究院，山東濟南 250102)

0 引言

拜耳法生產(chǎn)氧化鋁是利用強堿將鋁土礦中的氧化鋁溶出形成鋁酸鈉溶液，而礦石中不溶性雜質和化合物經(jīng)過分離、洗滌、壓濾，所產(chǎn)生的固體殘渣就是拜耳法赤泥[1]。拜耳法工藝具有流程簡單、能耗低、產(chǎn)品質量高等特點，成為最廣泛采用的生產(chǎn)工藝[2]。拜耳法赤泥中的固體成分主要為鋁土礦石中的鐵、鈦等雜質和絕大部分硅的不溶性化合物，同時攜帶大量堿性附液，含水量達40%左右。拜耳法生產(chǎn)工藝決定了赤泥具有堿性高、天然含水率高、親水性強、顆粒細等特點，與自然土的工程特性有明顯差異[3]。

大量研究表明，拜耳法赤泥的液限、塑限較高、塑性指數(shù)低、水穩(wěn)定性差，其路用性能不能滿足路基填筑材料的技術要求，必須經(jīng)過改良處理對其物理、力學性能進行改善后才可用于路基填筑。本文采用化學改良的處理方法，選擇石灰、水泥、磷石膏及復合改性材料作為典型材料，按照重型擊實試驗方法測定不同改良材料、不同摻配比例條件下改性赤泥的最大干密度和最佳含水率，分析不同典型改良材料對拜耳法赤泥擊實特性的影響，為拜耳法赤泥的改良方法選擇和工程應用提供參考。

1 拜耳法赤泥的基本性質

鋁土礦是生產(chǎn)氧化鋁所必需的礦石原料，自然界中的鋁土礦組成復雜,化學成分變化很大。根據(jù)礦石中鋁礦物的成分與含量，一般可將鋁土礦分為三水鋁石型、一水軟鋁石型、一水硬鋁石型和混合型等。

拜耳法赤泥的礦物組成、化學成分與鋁土礦原礦石的礦物成分和氧化鋁生產(chǎn)工藝密切相關[4]。通過對拜耳法赤泥的物相分析，表明其礦物組成主要為鈣霞石、鈣鈦礦、一水硬鋁石、伊利石、赤鐵礦等。拜耳法赤泥的化學成分主要以Fe2O3、Al2O3、SiO2、CaO為主，但由于鋁土礦產(chǎn)地的不同，各成分的含量存在一定的差異性。對山東鋁廠拜耳法赤泥樣品連續(xù)取樣后進行化學成分測試，結果見表1。

表1 拜耳法赤泥的化學成分

拜耳法工藝需要對鋁土礦進行破碎和磨礦，然后加入NaOH溶液或Na2CO3溶液使Al2O3溶出，這就導致赤泥顆粒的粒度極細，并在顆粒表面吸附大量Na+和OH-。從宏觀上赤泥則表現(xiàn)出堿度高、親水性強、含水量高、密度小等特性。對山東鋁廠拜耳法赤泥進行基本物理、水理指標測試，結果見表2。

表2 拜耳法赤泥的基本物理、水理測試指標

2 拜耳法赤泥的擊實特性

擊實試驗是確定不同土質擊實特性的常用方法，也是判斷壓實效果的對照標準。通過一定擊實功能下土樣干密度隨含水率變化的關系曲線，可以得到最大干密度和最佳含水率指標。按照《公路土工試驗規(guī)程》中的重型擊實方法對拜耳法赤泥進行擊實試驗[5]。試驗前，將拜耳法赤泥在105～110 ℃條件下烘干8 h，碾碎結塊通過2 mm篩，然后四分法準備5個試樣，加水量按2%～3%遞增，充分拌和均勻后悶料一夜備用。擊實筒內徑為10 cm、高度為12.7 cm，試樣體積為997 cm3。擊實時采取五層法裝料，每層擊數(shù)為27次。

經(jīng)測試，拜耳法赤泥樣品的最大干密度為1.603 g/cm3、最佳含水率為27.7 %，擊實曲線如圖1所示。

圖1 拜耳法赤泥的擊實試驗曲線

由擊實試驗結果可以看出，拜耳法赤泥的最大干密度較一般自然土明顯偏低，最佳含水率較高但遠低于其塑限，具有特有的擊實特性。分析原因如下：(1)拜耳法赤泥雖含大量鈣、硅、鐵等元素，具有較大的顆粒比重，但赤泥微粒以凝聚體、集粒體和團聚體構成孔架狀結構，具有較大空隙，使赤泥微觀結構疏松、密度較小[6]；(2)強堿溶出工藝使赤泥顆粒表面附帶大量帶電離子，存在較大的剩余價力、分子力以及氫鍵等力。在最佳含水率狀態(tài)下，除了潤滑作用的顆粒表面水膜之外，還存在大量的表面結合水膜，過量的結合水使最佳含水率數(shù)值偏高。

3 改良材料的選擇

化學改良是通過向土中摻加一定比例的石灰、水泥、粉煤灰等材料，經(jīng)過物理化學反應來改變土的顆粒組成與結構，從而使改良土的強度、剛度和水穩(wěn)定性得到明顯改善。拜耳法赤泥存在級配不良、天然含水率高、液限塑限高、遇水軟化等不良工程特性，通過加入改良材料并經(jīng)過物理化學反應過程，才能使赤泥顆粒的組成形態(tài)與結構發(fā)生變化，從宏觀上提高其物理、力學性能。

本研究選擇了石灰、水泥、磷石膏及復合改性材料對赤泥進行化學改良。石灰和水泥作為兩種性能優(yōu)良且相對廉價的改良材料，被廣泛用于道路填筑材料的穩(wěn)定固化[7-8]。針對拜耳法赤泥顆粒細、親水性強、附液堿性高等特點，試驗又選擇了磷石膏和復合改性材料作為改良材料。復合改性材料主要由礦渣微粉、水泥、石灰粉、高分子穩(wěn)定劑等材料按一定比例配制而成。試驗所選四種改良材料的主要作用機理如下：(1)石灰。通過離子交換、火山灰反應及碳化作用，生成水化硅酸鈣等不溶性膠體，與赤泥顆粒反應形成絮凝團聚結構。(2)水泥。通過水解、水化反應，分解出Ca(OH)2和水化反應物，在赤泥微粒間形成水化水泥石骨架，對赤泥顆粒產(chǎn)生膠結約束達到固化效果。(3)磷石膏。攜帶酸液與赤泥附液發(fā)生中和，磷石膏中大量Ca2+與赤泥中Na+交換作用后使吸附水膜減薄，使赤泥微粒單體相互接近逐漸結成晶體聚成團粒。(4)復合改性材料。堿-激發(fā)效應下水泥水化、礦渣微粉二次水化、高分子材料吸附聚合的相互作用，使赤泥微粒得到穩(wěn)定固化。

不同改良材料的穩(wěn)定固化反應機理的差異性和復雜性，勢必對拜耳法赤泥的擊實特性產(chǎn)生不同影響。四種改良材料分別按赤泥干質量的4%、6%、8%、10%和12%五種不同劑量進行擊實試驗，以對比與分析四種典型改良材料對拜耳法赤泥擊實特性的影響程度與變化趨勢。

4 數(shù)據(jù)分析

化學改良赤泥采取與拜耳法赤泥相同的方法和參數(shù)標準進行擊實試驗。擊實前，將拜耳法赤泥加入不同含水量悶料備用，再分別將石灰、水泥、磷石膏、復合改性材料按干赤泥質量的4%、6%、8%、10%、12%與悶好的赤泥充分拌和均勻，各改良材料不同摻量下的單組擊實試驗要求在1 h內完成。四種典型材料在不同摻量試驗條件下改良赤泥的最大干密度與最佳含水率分布曲線如圖2—圖5所示。

圖2 不同劑量石灰改良赤泥的擊實試驗結果

由圖2可以看出，隨著石灰劑量的增加，石灰改良赤泥的最佳含水率不斷升高，而最大干密度逐漸減小，尤其當劑量超過8%時，最大干密度值降幅明顯。

圖3 不同劑量水泥改良赤泥的擊實試驗結果

由圖3可以看出，隨著水泥劑量的增加，水泥改良赤泥的最佳含水率不斷降低，最大干密度則逐漸增大，水泥劑量達10%以上時，最大干密度得到顯著提升。

圖4 不同劑量磷石膏改良赤泥的擊實試驗結果

由圖4可以看出，隨著磷石膏劑量的增加，磷石膏改良赤泥的最佳含水率先升高后降低，最大干密度則先減小后增大，變化趨勢的拐點發(fā)生在10%劑量左右。

圖5 不同劑量復合改性材料改良赤泥的擊實試驗結果

由圖5可以看出，隨著復合改性材料劑量的增加，改良赤泥的最佳含水率略有升高，而最大干密度也逐漸增大且增幅較為明顯。

改良材料與赤泥拌和后即開始發(fā)生復雜的化學反應，由于不同材料與赤泥之間化學反應速率、時間和類型的差異性，以及不同改良材料本身物理化學性質的不同，最終使改良赤泥擊實試驗結果呈現(xiàn)上述不同的變化趨勢。從圖2—圖5可以看出，當改良材料劑量在4%～10%范圍內時，改良赤泥的擊實特性表現(xiàn)出較強的規(guī)律性。當改良材料超過10%后，最佳含水率和最大干密度的變化幅值明顯增大，說明高摻量條件下改良材料本身的物理性質對試驗結果影響較大。

綜上所述，根據(jù)改良赤泥最大干密度和最佳含水率的測試結果和變化趨勢，可以為拜耳法赤泥在工程實踐中改良材料、劑量的選擇以及改良赤泥強度、模量等力學指標的進一步評價提供參考依據(jù)。

5 結論

通過對比不同改良材料、不同劑量條件下拜耳法赤泥最大干密度和最佳含水率的增減幅度和變化規(guī)律，可以得到以下結論和建議。

(1)拜耳法赤泥的擊實特性具有明顯的特殊性，與自然土具有較大區(qū)別。

(2)由于改良機理、化學反應速率和類型的差異性和復雜性，石灰、水泥、磷石膏和復合改性材料對拜耳法赤泥擊實特性的影響具有明顯的差異性。

(3)改良材料的劑量對改良赤泥最大干密度和最佳含水率影響程度不同，根據(jù)試驗結果可以選取4%～10%作為工程應用合理摻配比例的參考范圍。