二灰穩(wěn)定燒結法赤泥基層試驗研究

張嘉明，張濤，李昶

(1.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096；2.淄博市公路局，山東 淄博 255038)

二灰穩(wěn)定燒結法赤泥基層試驗研究

張嘉明1，張濤2，李昶1

(1.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096；2.淄博市公路局，山東 淄博 255038)

為有效利用赤泥，減少對自然環(huán)境的破壞，研究將赤泥應用在道路基層的可行性。進行二灰穩(wěn)定赤泥的配合比設計，根據(jù)擊實試驗和無側限抗壓強度試驗優(yōu)選出m(赤泥)：m(石灰)：m(粉煤灰)=70：7.5：22.5為最佳配合比。以此配合比為基礎，用掃描電子顯微鏡對二灰穩(wěn)定赤泥無側限抗壓強度試件進行觀察，說明二灰穩(wěn)定赤泥的強度形成機理。對二灰穩(wěn)定赤泥進行完整的性能試驗，得出一系列性能和力學指標，表明二灰穩(wěn)定赤泥符合規(guī)范的相關要求，可以用于道路基層。

二灰穩(wěn)定赤泥；配合比設計；強度形成機理；性能試驗；力學試驗

赤泥是鋁土礦經(jīng)過物理和化學過程處理，制取氧化鋁產(chǎn)品后剩余的紅色泥狀、含水量較高的強堿性固體廢料。因礦石品位、生產(chǎn)方法和技術水平的不同，大約每生產(chǎn)1 t氧化鋁要排放1.0～1.8 t的赤泥[1]。商用氧化鋁精煉方法有燒結法、拜耳法和組合處理法(拜耳燒結法)，在我國燒結法赤泥的存量遠比其他兩種方法多[2]，一般采用建設堆場集中堆積的方法處理，占用大量農田用地；另外,如果防護措施不完善，赤泥廢液還可能污染地下水源，使其永久堿化[3]。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對環(huán)境問題愈加重視，赤泥處理逐漸成為一個熱點話題。

目前對赤泥的利用主要集中在從特定方法產(chǎn)生的赤泥中回收鐵、鈧、鈦等金屬，用作生產(chǎn)玻璃陶瓷的原料，處理廢氣廢水、作為新型建筑材料使用以及用于生產(chǎn)化肥等[4-13]。因赤泥具有凝結性，如果將大量的赤泥材料與合適的無機結合料混合后用作道路基層或底基層材料，可以消耗大量的赤泥。前蘇聯(lián)最早將赤泥應用到道路基層，1981年鋪筑了以赤泥作為道路基層的試驗路[14]。但是到目前為止，將赤泥材料用于道路基層的技術仍然處于起步階段，并沒有一套成熟的理論[15]。

為有效利用赤泥，減少對自然環(huán)境的破壞,以某公司生產(chǎn)氧化鋁排放的燒結法赤泥為原料，對二灰穩(wěn)定燒結法赤泥材料進行配合比設計，得出最佳配合比；然后在掃描電子顯微鏡下對二灰穩(wěn)定燒結法赤泥材料的微觀結構進行觀察，說明其強度形成的機理；最后進行較完整的性能試驗和力學試驗，并測定包括抗壓回彈模量和間接抗拉強度等的力學參數(shù)，驗證二灰穩(wěn)定燒結法赤泥用作路面基層或底基層的可行性。

1 配合比設計

1.1原材料

二灰穩(wěn)定赤泥的原材料包括燒結法赤泥、石灰、粉煤灰和水。

1)赤泥。選用某公司生產(chǎn)氧化鋁排放的燒結法赤泥，制備試件用的赤泥已被破碎、分散。由于赤泥質地較軟，在篩分過程中會進一步破碎，造成級配變化，因此采用天然級配進行試驗。其化學組成如表1所示。

表1 赤泥的化學組成

2)石灰。石灰質量應符合Ⅲ級以上技術標準，本文采用Ⅰ級消石灰，有效氧化鈣和氧化鎂的質量分數(shù)之和達到83.9%，符合試驗要求[16]。

3)粉煤灰。試驗采用某熱電廠生產(chǎn)的二級粉煤灰，檢測結果如表2所示，滿足道路基層的使用要求[16]。

表2 粉煤灰檢測結果

4)水。按飲用水標準選用。

1.2配合比設計

二灰穩(wěn)定赤泥配合比設計的目標是確定燒結法赤泥、石灰和粉煤灰材料相互配合的最佳組成比例，使之既滿足無機結合料穩(wěn)定材料的技術要求又符合經(jīng)濟性的原則。二灰穩(wěn)定赤泥的配合比設計的基本步驟與一般二灰穩(wěn)定類混合料一致，首先制備相同集料、不同二灰劑量的混合料，進行擊實試驗，由此確定最佳水的質量分數(shù)(最佳含水量)和最大干密度，再分別以最佳水的質量分數(shù)和最大干密度制備不同比例的試件，最后用無側限抗壓強度試驗確定二灰穩(wěn)定赤泥混合料的最佳配合比。

根據(jù)二灰穩(wěn)定材料的相關資料和經(jīng)驗，赤泥用量初始定為70%、80%和90%，石灰與粉煤灰的質量比初定為1:2、1:3、1:4和2:3，共有12個組合，每個組合同時做擊實試驗，確定最大干密度及最佳水的質量分數(shù)，然后再根據(jù)每個組合的最大干密度和最佳水的質量分數(shù)分別做7 d和28 d的無側限抗壓強度試驗。試驗結果如表3所示。

表3 不同配比的二灰穩(wěn)定赤泥的最佳水的質量分數(shù)和最大干密度

根據(jù)文獻[16]的相關規(guī)定，公路基層和底基層的7 d無側限抗壓強度應符合表4的要求。

表4 公路基層和底基層的7 d無側限抗壓強度標準 MPa

由表3可知：當赤泥的質量分數(shù)為70%時，混合料7 d和28 d無側限抗壓強度較高，可以達到高速公路和一級公路基層的要求；赤泥的質量分數(shù)為80%和90%時，基本可以滿足二級及以下公路基層和各級公路底基層的要求(見表4)。二灰穩(wěn)定赤泥具有緩凝性能， 與7 d無側限抗壓強度相比,28 d無側限抗壓強度平均提高2倍以上，證明其后期強度增長顯著?？紤]到赤泥的質量分數(shù)在70%左右時混合料強度較高，同時考慮用料的經(jīng)濟性與合理性，選擇m(赤泥):m(石灰):m(粉煤灰)=70:7.5:22.5的配合比作為最佳配合比，并以此配合比為代表，作為后續(xù)試驗的配合比。

2 強度形成機理分析

二灰穩(wěn)定赤泥混合料在壓實成型后，由固相(石灰、粉煤和灰赤泥)、液相(水溶液)和氣相(空氣)三相組成，三相之間相互作用的結果使得二灰穩(wěn)定赤泥混合料具有較高的強度和剛度[15]。將不同齡期的試件放在掃描電子顯微鏡下觀察可以更為直觀地觀察二灰穩(wěn)定赤泥的強度發(fā)展過程。

選擇混合料的配合比為m(赤泥)：m(石灰)：m(粉煤灰)=70：7.5：22.5，水的質量分數(shù)為37%。由于不易在電鏡下觀察成型原狀赤泥，進一步將其粉碎成細粒土狀進行試驗。制作無側限抗壓強度試驗試件，放入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)生。試件達到養(yǎng)生期后，將其從標準養(yǎng)護室拿出，放入80 ℃的烘箱中烘干24 h，確保試件中不再含有自由水。再從烘干的試件上取直徑小于2 cm的試塊若干，將表面處理平整后，在每個試塊擬觀察的表面上噴銀，待銀層凝固后，再用掃描電子顯微鏡(SEM)不同的放大倍數(shù)進行觀察，然后利用掃描電鏡拍攝有特征的微區(qū)形貌[17]。根據(jù)傳統(tǒng)無機結合料穩(wěn)定材料的強度增長規(guī)律，選擇7、14和28 d 3個齡期進行觀察。7 d齡期的試件在掃描電子顯微鏡下的形貌如圖1所示。

a)放大600倍 b)放大3 000倍圖1 7 d齡期二灰穩(wěn)定燒結法赤泥SEM形貌

圖1中的條狀物為石灰，球狀物為粉煤灰，不規(guī)則形狀物為赤泥顆粒。在試件成型初期，塊狀赤泥顆粒堆積在一起，石灰和粉煤灰堆積在赤泥顆粒的表面。試件中有少部分石灰和粉煤灰已經(jīng)開始反應。14 d齡期的試件在掃描電子顯微鏡下的形貌如圖2所示。

a)放大600倍 b)放大3 000倍圖2 14 d齡期二灰穩(wěn)定燒結法赤泥SEM形貌

由圖2可見，大部分赤泥顆粒和少量粉煤灰顆粒的表面開始變粗糙，有片狀物生成，這表明有新的生成物，且生成物主要來源于石灰和赤泥。28 d齡期的試件在掃描電子顯微鏡下的形貌如圖3所示。

a)放大600倍 b)放大3 000倍圖3 28 d齡期二灰穩(wěn)定燒結法赤泥SEM形貌

由圖3可見，相比于7 d齡期和14 d齡期，此時的生成物更多，石灰、粉煤灰和赤泥顆粒反應較為完全，生成物在赤泥顆粒之間形成了網(wǎng)狀結構，混合料逐漸形成為一個整體。

由3個齡期的電子顯微鏡照片可見，7 d齡期試件中只有少部分石灰和粉煤灰開始了反應，這時的強度主要由赤泥顆粒之間的擠嵌力構成，因此試件強度較低。14 d齡期時，反應的生成物主要來源于3個方面：消石灰水化后的結晶作用形成的氫氧化鈣晶體、消石灰與空氣中二氧化碳反應生成的碳酸鈣晶體以及石灰與赤泥顆粒之間的火山灰反應。與石灰相比，赤泥含量較多，空氣中二氧化碳含量較少，消石灰的水化反應和碳酸化作用并不明顯，因此生成物主要是火山灰反應的產(chǎn)物，但是此時反應仍然不完全。28 d齡期時，火山灰反應繼續(xù)進行，并且可以看到粉煤灰也參與了火山灰反應，這時火山灰反應相對比較完全，試件強度主要由火山灰反應的產(chǎn)物產(chǎn)生的粘聚力構成。由此可見火山灰作用是混合料強度增長的主要原因，且隨著齡期的增長，火山灰作用也在逐漸增強。火山灰反應是一個漫長的反應，作用時間很長，因此后期二灰穩(wěn)定赤泥的強度很高，板體性也很好。

綜上所述，通過在電子顯微鏡下觀察3個齡期的二灰穩(wěn)定赤泥試件，可以看出與一般二灰穩(wěn)定類材料相似，二灰穩(wěn)定赤泥在試件成型初期的強度主要由赤泥顆粒之間的嵌擠力構成，強度較低；隨著齡期的增長，石灰和粉煤灰之間、石灰和赤泥之間產(chǎn)生的離子交換作用、結晶作用、碳酸化作用和火山灰作用等形成了粘聚力，使混合料慢慢固結成一個整體，強度和板體性隨之提高，達到路面基層所需的強度和剛度。

3 性能和力學試驗

在初步選定配合比后，還需進行一系列試驗對二灰穩(wěn)定赤泥材料用作道路基層的可行性進行驗證。因此按照文獻[18]中規(guī)定的試驗方法進行了一系列試驗。

3.1穩(wěn)定性試驗

穩(wěn)定性試驗包括抗凍性試驗、干縮試驗、溫縮試驗、凍融試驗和抗沖刷試驗等性能試驗，同樣以m(赤泥)：m(石灰)：m(粉煤灰)=70：7.5：22.5的配合比混合料為代表進行了試驗，結果如表5所示。

表5 二灰穩(wěn)定赤泥性能試驗結果

文獻[19]中規(guī)定，路面基層材料的凍后強度比≥70%，顯然二灰穩(wěn)定赤泥符合規(guī)范要求；二灰穩(wěn)定赤泥會發(fā)生干縮和溫縮，是典型的無機結合料穩(wěn)定材料的特征，且其平均干縮系數(shù)大于平均溫縮系數(shù)，表明二灰穩(wěn)定赤泥的縮裂主要來源于干縮，因此須在養(yǎng)生期注意保持濕度；另外，凍融試驗的強度損失較低，表明二灰穩(wěn)定赤泥有較好的凍融穩(wěn)定性；由抗沖刷試驗結果可知，二灰穩(wěn)定赤泥的質量損失極低，表明其水穩(wěn)定性也比較好。因此，由以上一系列的穩(wěn)定性試驗，二灰穩(wěn)定赤泥作為路面基層的穩(wěn)定性較好，符合相關規(guī)范的要求。

3.2疲勞試驗

以山東淄博地區(qū)常用的二灰細粒土作為對比，對二灰穩(wěn)定赤泥進行疲勞試驗。試驗中二灰細粒土采用m(細粒土)：m(石灰)：m(粉煤灰)=70：7.5：22.5的配合比，二灰穩(wěn)定赤泥采用m(赤泥)：m(石灰)：m(粉煤灰)=70：7.5：22.5的配合比，在最大干密度對應的最佳水的質量分數(shù)處成型，荷載頻率均為10 Hz，以0.79、0.84和0.89 3種應力強度比進行試驗，試驗結果如表6所示。

表6 二灰穩(wěn)定赤泥疲勞試驗結果

由表6可知，二灰穩(wěn)定赤泥的疲勞性能與淄博地區(qū)常用的普通二灰細粒土相當，因此可以用于道路基層或底基層的使用。

3.3力學指標試驗

對二灰穩(wěn)定赤泥進行了抗壓回彈模量和間接抗拉強度試驗，平均抗壓回彈模量為1 151 MPa，間接抗拉強度為0.318 MPa，抗壓回彈模量和間接抗拉強度的變異系數(shù)較低，分別為5.53%和0.68%，抗壓回彈模量和間接抗拉強度的95%的保證率值分別為894.43和0.314 MPa。其他路面基層或底基層常用半剛性材料的抗壓回彈模量和間接抗拉強度的取值[20]如表7所示。

表7 其他材料的力學指標

由表7可知，與其他常用材料相比，二灰穩(wěn)定赤泥的抗壓回彈模量較高，而間接抗拉強度與其他常用材料相當。由于我國瀝青路面中瀝青面層一般較薄，承載能力一般由基層和底基層來滿足，因此具有較高抗壓回彈模量的二灰穩(wěn)定赤泥作為基層或底基層材料具有很好的使用價值。

4 結論

1)設計二灰穩(wěn)定赤泥的配合比，通過擊實試驗和無側限抗壓強度試驗確定赤泥的質量分數(shù)為70%左右比較合理，石灰的質量分數(shù)不宜過大，最終確定m(石灰):m(粉煤灰)=1:3，最終配合比為m(赤泥)：m(石灰)：m(粉煤灰)=70:7.5:22.5，最佳水的質量分數(shù)為36.4%。

2)通過無側限抗壓強度試驗，可以看出優(yōu)選配合比試件的7 d無側限抗壓強度都大于等于文獻[16]規(guī)定的限值，可以用于高速和一級公路的路面基層。

3)二灰穩(wěn)定赤泥在拌合初期，其強度主要由赤泥顆粒之間的嵌擠力構成，強度較低；隨著齡期的增長，強度以石灰和粉煤灰之間、石灰和赤泥之間產(chǎn)生的離子交換作用、結晶作用、碳酸化作用和火山灰作用等形成的粘聚力為主。

4)二灰穩(wěn)定赤泥的抗凍性、收縮性和抗沖刷性能等表現(xiàn)良好，疲勞性能與淄博地區(qū)常用二灰土相當；與常用半剛性材料相比，二灰穩(wěn)定赤泥的抗壓回彈模量較高，而間接抗拉強度則與常用半剛性材料相當。

綜上所述，利用生產(chǎn)氧化鋁排放的燒結法赤泥經(jīng)過石灰和粉煤灰穩(wěn)定后的材料用于道路基層是可行的，并且具有很好的實用性和經(jīng)濟性。

[1]南相莉,張廷安,劉燕，等.我國赤泥綜合利用分析[J].過程工程學報,2010,10(增1):264-270. NAN Xiangli, ZHANG Tingan, LIU Yan, et al. Analysis of comprehensive utilization of red mud in China[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2010, 10(z1):264-270.

[2]LIU Wanchao, CHEN Xiangqing, LI Wangxing, et al. Environmental assessment, management and utilization of red mud in China[J]. Journal of Cleaner Production, 2014, 84(1): 606-610.

[3]陳凡. 不同年份赤泥路面基層材料性能比較及強度機理[D].武漢：華中科技大學，2007. CHEN Fan. Comparison of performance of road base materials made from red mud with different storage time and its strength mechanism[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2007.

[4]王慧琴. 赤泥的綜合利用研究[D].上海：上海大學, 2007. WANG Huiqin. Study on comprehensive utilization of red mud[D].Shanghai: Shanghai University, 2007.

[5]竇廣陵. 赤泥-粉煤灰加氣混凝土新型自保溫墻體材料的試驗研究[D].重慶：重慶交通大學，2011. DOU Guangling. Experiment research on the red mud and fly-ash aerated concrete as a new insulating wall material[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2011.

[6]張華英. 用于筑壩的赤泥的固化試驗研究[D].桂林：桂林理工大學，2005. ZHANG Huaying. Experimental research on the red mud reinforcement of the red mud dam[D]. Guilin:Guilin University of Technology, 2005.

[7]張以河，王新珂，呂鳳柱, 等. 赤泥脫堿及功能新材料研究進展[J]. 環(huán)境工程學報, 2016, 10(7): 3383-3390. ZHANG Yihe. WANG Xinke, LYU Fengzhu, et al. Study progress of alkali removal from red mud and novel functional materials[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2016, 10(7): 3383-3390.

[8]賴蘭萍，周李蕾，韓磊, 等. 赤泥綜合回收與利用現(xiàn)狀及進展[J]. 四川有色金屬, 2008 (1): 43-48. LAI Lanping, ZHOU Lilei, Han Lei, et al. The red mud reclaims synthetically and makes use of current situation and progress[J]. Sichuang Nonferrous Metals, 2008 (1): 43-48.

[9]劉福剛. 赤泥綜合利用技術應用回顧和展望[J]. 化學工程師, 2011, 25(6): 45-46. LIU Fugang. Review and prospect of application of red mud[J]. Chemical Engineer, 2011, 25(6): 45-46.

[10]許智芳，蘇愛玲，張新峰, 等. 氧化鋁赤泥的綜合回收及利用現(xiàn)狀[J]. 山東冶金, 2010, 32(3): 8-12. XU Zhifang, SU Ailing, ZHANG Xinfeng, et al. Comprehensive recovery and utilization status of alumina red mud[J]. Shandong Metallurgy, 2010, 32(3): 8-12.

[11]李冬，潘利祥，趙良慶, 等. 赤泥綜合利用的研究進展[J]. 環(huán)境工程, 2014 (增1): 616-618. LI Dong, PAN Lixiang, ZHAO Liangqing, et al. Advance research of utilization technology of red mud[J].Environmental Engineering, 2014 (S1): 616-618.

[12]朱軍，蘭建凱. 赤泥的綜合回收與利用[J]. 礦產(chǎn)保護與利用,2008 (2): 52-54. ZHU Jun, LAN Jiankai. Comprehensive recovery and utilization of red mud[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2008 (2): 52-54.

[13]劉淑清. 淺議赤泥的綜合利用[J]. 輕金屬, 2010 (7): 26-28. LIU Shuqing. Brief discussion of the comprehensive utilization of red mud from alumina production[J]. Light Metal, 2010 (7): 26-28.

[14]梁旭. 工業(yè)廢渣赤泥在公路中的應用技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2009. LIANG Xu. Application technology of red mud as road materials[D]. Chongqing:Chongqing Jiaotong University, 2009.

[15]齊建召. 赤泥道路材料的試驗研究[D].武漢：華中科技大學，2005. QI Jianzhao. Experimental research on road materials of red mud[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2005.

[16]交通運輸部公路科學研究院. 公路路面基層施工技術細則：JTG/T F20—2015 [S]. 北京: 人民交通出版社，2015.

[17]李福海，葉躍忠，趙人達. 再生集料混凝土微觀結構分析[J]. 混凝土，2008 (5): 30-33. LI Fuhai, YE Yuezhong, ZHAO Renda. Microstructural analysis of recycled-aggregate concrete[J]. Concrete, 2008 (5): 30-33.

[18]交通運輸部公路科學研究院. 公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程：JTG E51—2009[S]. 北京: 人民交通出版社，2009.

[19]中交路橋技術有限公司. 公路瀝青路面設計規(guī)范：JTG D50—217[S]. 北京: 人民交通出版社，2017.

[20]齊建召，楊家寬，王梅, 等. 赤泥做道路基層材料的試驗研究[J]. 公路交通科技，2005, 22(06): 30-33. QI Jianzhao, YANG Jiakuan, WANG Mei, et al. Experiment research on road base material of red mud[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2005, 22(06): 30-33.

ExperimentalStudyonLimeandFly-AshStabilizedSinteredRedMudinRoadBase

ZHANGJiaming1,ZHANGTao2,LIChang1

(1.SchoolofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China; 2.ZiboHighwayBureau,Zibo255038,China)

In order to utilize the red mud efficiently and reduce the pollution of the natural environment, an experimental study is carried to verify if it could be used in the road base. According to compaction tests and unconfined compression strength tests, 70:7.5:22.5 is the optimum mixture ratio of materials. Then, the samples of fly-ash stabilized sintered red mud with this mixture ratio are observed by using scanning electron microscopy to describe the strength mechanism. A series of tests for performance and mechanics are carried out with the optimum mixture ratio. It turns out that the fly-ash stabilized sintered red mud can meet some relevant requirements of standard and it can be used in road base.

fly ash stabilized sintered red mud; mixture design; strength mechanism; performance test; mechanical test

U414.1

：A

：1672-0032(2017)03-0081-07

(責任編輯：郎偉鋒)

2017-01-13

張嘉明(1992—)，男，沈陽人，碩士研究生，主要研究方向為路基路面工程，E-mail: seutranser@foxmail.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.03.013