赤泥摻加硅灰用于道路基層材料的試驗研究*

王 輝 焦莎莎 葛 瀅 湯紅妍 張景會

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095；2.河南科技大學(xué)化工與制藥學(xué)院,河南 洛陽 471023)

赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時排出的污染性廢渣，一般平均生產(chǎn)1 t氧化鋁，附帶產(chǎn)生 1～2 t赤泥。我國作為世界第4大氧化鋁生產(chǎn)國，每年排放的赤泥高達數(shù)百萬噸。目前，赤泥的處理方式仍然是傳統(tǒng)的建庫堆存，大量的赤泥不僅占用土地資源，而且赤泥中的堿性成分會發(fā)生滲漏，對土壤和水體造成污染，引起環(huán)境問題。赤泥中含有大量有價值的成分，長期大量堆存也是一種浪費，因此綜合利用赤泥具有實際意義。目前，我國主要是將赤泥作礦物原料，從整體上加以利用，用于生產(chǎn)水泥、建筑磚、礦山膠結(jié)充填膠凝材料、路基固結(jié)材料、高性能混凝土摻合料、化學(xué)結(jié)合陶瓷復(fù)合材料、保溫耐火材料、環(huán)保材料等[1]。此外，從赤泥中提取稀散金屬元素也是赤泥綜合利用的有效途徑，但是提取技術(shù)不夠成熟，仍處于實驗室研究階段。赤泥還可用于道路基層材料。將赤泥應(yīng)用于道路基層材料，能降低道路維修和建設(shè)費用，其關(guān)鍵問題是探索綠色環(huán)保型的赤泥固化技術(shù)和筑路工藝。謝源等[2]通過試驗得出，赤泥、粉煤灰、石灰質(zhì)量比為80∶10∶10是二灰法(石灰、粉煤灰)固化赤泥的最佳配合比。在該配合比下，7 d無側(cè)限抗壓強度超過2.0 MPa[3]。二灰法固化赤泥適用于一級公路和高速公路的瀝青路面基層。當固化劑中石灰、石膏、粉煤灰和硫酸鈉的質(zhì)量分數(shù)分別為72%、20%、5%、3%以及固化劑、赤泥質(zhì)量比為1∶10時，生成的赤泥固化體抗壓強度高、耐久性好，具有較高的推廣價值[4]。

赤泥用于道路基層材料吃渣量大、成本低、性能高，具有廣闊的市場前景。但是，赤泥具有強堿性，含有眾多有害重金屬元素，開發(fā)成本大，可能超過開發(fā)價值[5]，如何以高效、節(jié)能、環(huán)保的方式將赤泥用于道路基層材料，需要廣大科研人員的共同努力。本研究選用洛陽某鋁業(yè)尾礦庫赤泥為試驗材料，添加不同量的水泥、粉煤灰和硅灰，探索赤泥用于道路基層材料的最佳配合比。

表1 赤泥的主要化學(xué)成分

表2 水泥的主要化學(xué)成分

1 材料與方法

1.1 試驗材料

赤泥采自洛陽某鋁業(yè)尾礦庫的赤泥堆場，放置過程中因失水而結(jié)塊，使用時要進行破碎和研磨，過5 mm的圓孔篩，赤泥的化學(xué)成分如表1所示。由表1可看出，赤泥含有的CaO和SiO2占總質(zhì)量65.00%以上，鐵鋁氧化物(包括Fe2O3和Al2O3)占18.00%左右，與畢詩文等[6]的研究結(jié)果一致。赤泥中還含有少量的MgO、TiO2、Na2O、K2O和幾種微量稀散元素[7]。赤泥pH為11.9。

粉煤灰是電廠燃煤產(chǎn)生的固體廢棄物，本研究所用粉煤灰采自洛陽某電廠的二級粉煤灰。試驗采用32.5#普通硅酸鹽水泥(以下簡稱水泥)，其主要化學(xué)成分見表2。洛陽某單晶硅公司日常生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量硅灰[8]，本次試驗所用硅灰采集于此公司。

1.2 試驗方法

結(jié)合洛陽道路施工實際情況，確定水泥、粉煤灰與硅灰的大致比例[9]，研究不同硅灰摻量對赤泥固化體性能的影響；同時，還研究減少水泥摻量對赤泥固化體性能的影響，力求尋找一種最佳配合比。

依據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)，同時參照《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 034—2000)固化赤泥。采用水泥、粉煤灰和硅灰為試驗材料，因素水平見表3。

表3 因素水平表

注：1)均為質(zhì)量分數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

將赤泥、水泥、粉煤灰、硅灰混合料在壓實度為95%的條件下，制成赤泥固化體，測量其7、14、28 d無側(cè)限抗壓強度，結(jié)果如表4所示。

養(yǎng)護7、14、28 d的赤泥固化體抗壓強度無明顯變化。Z4～Z9的7 d無側(cè)限抗壓強度≥2.00 MPa，均符合JTJ 034—2000中水泥穩(wěn)定土的抗壓強度標準。Z4～Z9的粉煤灰和硅灰摻量均為5%～15%，其中Z4～Z6的水泥摻量為10%，Z7～Z9的水泥摻量為15%。當水泥和粉煤灰摻量均為10%～15%時，隨著硅灰摻量的增加，其抗壓強度呈現(xiàn)遞增趨勢。

2.2 pH變化

分別測定養(yǎng)護7、14、28 d后的赤泥固化體浸出液pH。取水泥摻量為10%，粉煤灰摻量為10%，養(yǎng)護時間分別為7、14、28 d，硅灰摻量分別為5%、10%、15%的赤泥固化體，風(fēng)干后碾碎過2 mm篩，根據(jù)《固體廢物 浸出毒性浸出方法 水平振蕩法》(GB 5086.2—1997)中的毒性浸出方法，將過篩的赤泥固化體粉末與去離子水按質(zhì)量比為1∶10混合，振蕩8 h后靜置16 h，取浸出液的上清液并抽真空過0.45 μm的濾膜，將過濾后的浸出液用pH計測定，pH變化如圖1所示。

表4 無側(cè)限抗壓強度

圖1 赤泥固化體浸出液pH

由圖1可以看出，隨著硅灰摻量的增加，赤泥固化體浸出液pH呈下降趨勢。硅灰摻量為15%時，赤泥固化體浸出液pH顯然低于硅灰摻量分別為5%、10%的赤泥固化體。隨著養(yǎng)護時間的延長，赤泥固化體浸出液pH呈略微上升趨勢。其中，養(yǎng)護時間為7 d、硅灰摻量為15%的赤泥固化體浸出液pH最低，相比赤泥(pH為11.9)的堿性明顯降低。因此，控制水泥摻量為10%、粉煤灰摻量為10%、硅灰摻量為15%時，赤泥固化體浸出液pH最低，可大大降低筑路成本，而且能變廢為寶，有較好的環(huán)境效益和社會經(jīng)濟效益。

2.3 含氟量變化

取養(yǎng)護時間為28 d，水泥摻量分別為10%、15%，粉煤灰摻量為10%，硅灰摻量分別為5%、10%、15%的赤泥固化體，參照《土壤質(zhì)量 氟化物的測定 離子選擇電極法》(GB/T 22104—2008)測量含氟量，并確定固化赤泥的最佳方案。

由圖2可見，隨著硅灰摻量的增加，水泥摻量為10%時的赤泥固化體浸出液含氟量要略低于水泥摻量為15%時，但相差不大。硅灰摻量為5%時，赤泥固化體浸出液含氟量最低；硅灰摻量為15%時次之，硅灰摻量為10%時，赤泥固化體浸出液含氟量最高。因此，控制水泥摻量為10%、粉煤灰摻量為10%、硅灰摻量為5%，最有利于氟化物固定。但硅灰摻量為15%時，赤泥浸出液含氟量與硅灰摻量為5%時相差不大，且增加硅灰摻量還能減少水泥摻量，故本研究將最佳硅灰摻量設(shè)定為15%。

圖2 赤泥固化體浸出液含氟量

2.4 微觀形貌

取水泥、粉煤灰、硅灰摻量分別為10%、10%、15%的赤泥固化體，養(yǎng)護7 d后在掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察其微觀形貌。

由圖3(a)可見，在低倍SEM下，赤泥固化體表面雖凹凸不平，但未見明顯空洞，整體密實。由圖3(b)可見，在高倍SEM下，赤泥顆粒在水泥的膠結(jié)作用下，由于硅灰的摻入形成球狀顆粒連結(jié)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因而，赤泥顆粒和硅灰、粉煤灰在水泥的膠結(jié)作用下聯(lián)結(jié)牢靠，提高了赤泥固化體的強度。

圖3 赤泥固化體在SEM下的微觀形貌

3 結(jié)論與建議

綜合赤泥固化體抗壓強度及其浸出液的pH、含氟量，并利用SEM觀察赤泥固定體的微觀形貌，

確定了一種最佳的固化劑配合比，即水泥摻量10%、粉煤灰摻量10%、硅灰摻量15%。該配合比一方面可以解決赤泥堆場占用良田、污染環(huán)境、存在安全隱患等一些列問題，同時也使粉煤灰、硅灰等工業(yè)污染物得到了合理利用。與傳統(tǒng)的二灰法固化技術(shù)相比，本研究的創(chuàng)新之處在于摻加硅灰，在一定程度上減小了水泥摻量。并且硅灰顆粒極細，可有效提高赤泥固化體的抗壓強度和抗?jié)B性，延長道路使用壽命。固化劑中的粉煤灰和硅灰在不影響固化效果的基礎(chǔ)上應(yīng)以最大量使用，從而節(jié)省水泥摻量，達到環(huán)境效益和經(jīng)濟效益雙贏的目的。

在道路基層施工中，由于赤泥中的堿性成分較高，加入固化劑和水后，容易形成顆粒狀的堿性沉淀物。因此，要充分注意固化劑的消解。若在施工過程中，固化劑內(nèi)部出現(xiàn)未消解的顆粒狀物質(zhì)，將會影響路面的使用壽命和養(yǎng)護條件。另外，參照水泥穩(wěn)定土的施工規(guī)定，赤泥道路基層宜在春末和氣溫較高季節(jié)組織施工。施工期的日最低氣溫應(yīng)在5 ℃以上。在冰凍地區(qū)，應(yīng)在第1次重冰凍到來之前半個月到1個月完成施工。在雨季施工時，應(yīng)特別注意氣候變化，勿使赤泥固化體遭雨淋。采用路拌法施工時，應(yīng)采取措施排除下承層的表面水，勿使道路基層材料過分潮濕。

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