赤泥基水泥穩(wěn)定碎石基層材料制備及性能研究

歐陽旻奇 范萌萌 柯卉 彭中帥 黃燕

摘要：為解決大量堆積赤泥資源化利用問題，文章研究以不同比例赤泥取代水泥穩(wěn)定碎石中的集料部分，利用堿激發(fā)原理，使用礦渣和脫硫石膏取代部分水泥用量，并驗(yàn)證其路用性能。結(jié)果表明：30%赤泥摻量不但可以大量消納赤泥，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性較好，能滿足路用性能的要求；利用堿激發(fā)原理，膠凝材料比例為礦渣∶脫硫石膏∶水泥=13∶5∶7時(shí)，強(qiáng)度既能滿足高速公路基層所需，也能減小干縮量，適合實(shí)體工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：赤泥；水泥穩(wěn)定材料；固廢協(xié)同；路面基層

中圖分類號：U416.214? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0034-03

0 引言

赤泥是鋁土礦工業(yè)生產(chǎn)氧化鋁過程中所排放出的固體廢棄物。目前，廣西地區(qū)氧化鋁生產(chǎn)工藝主要為拜耳法，拜耳法赤泥由于成分復(fù)雜且含堿量高、結(jié)構(gòu)彌散，難以對其進(jìn)行高效、經(jīng)濟(jì)的再利用，目前赤泥整體利用率僅為4%左右。僅平果地區(qū)赤泥存量近8 000×104 t且每年新增赤泥80×104 t。目前赤泥的處理方式仍然是傳統(tǒng)的筑壩堆存，大量堆存的赤泥不僅占用良田，而且耗費(fèi)較多的堆場建設(shè)和維護(hù)管理費(fèi)用，因此，亟須尋求對赤泥進(jìn)行大規(guī)模、資源化利用的途徑。

國內(nèi)外研究表明，作為建筑材料是赤泥大規(guī)模資源化利用的有效途徑。我國在河南、山西、云南等地已有添加赤泥來制備水泥混凝土、加氣混凝土、免蒸壓磚等建筑材料的方法。

孫梔子等［1］研究表明，赤泥中含有相當(dāng)數(shù)量的無定型鋁硅酸鹽物質(zhì)，具有一定的水硬活性，因此將赤泥應(yīng)用于水泥和混凝土制品中，能有助于節(jié)約水泥用量，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境“雙贏”效益。邢建華、張鋒劍等［2-3］利用赤泥替代粉煤灰，制備高性能再生混凝土并測定其本構(gòu)關(guān)系，結(jié)果表明：赤泥的摻量不應(yīng)超過水泥質(zhì)量的20%。L.Senff等［4］也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論。齊建召、李卓智等［5-6］利用赤泥替代碎石，研究了二灰穩(wěn)定赤泥基層的配合比設(shè)計(jì)及其各項(xiàng)力學(xué)性能，結(jié)果表明，當(dāng)石灰∶粉煤灰∶赤泥=10∶10∶80時(shí)，該基層性能滿足高速公路或一級公路的要求，并在山東淄博鋪筑了長4 km、寬15 m左右的試驗(yàn)段。以上研究表明：赤泥具有一定的火山灰活性，具有作為礦物摻合料的可行性，同時(shí)較大比例的赤泥摻量可以提供堿性環(huán)境，可以使混合料發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)和離子交換作用，形成化學(xué)鍵相結(jié)合的骨架，從而形成強(qiáng)度。

1 原材料

1.1 赤泥

本研究所用赤泥取自廣西平果地區(qū)鋁業(yè)公司生產(chǎn)氧化鋁過程產(chǎn)生的原始赤泥經(jīng)除鐵工藝后所得，其主要化學(xué)成分如表1所示，XRD圖譜如圖1所示。

經(jīng)過除鐵工藝的赤泥，堿含量偏高，外觀為紅褐色，其中Al2O3、SiO2和CaO三者總含量為45.09%，pH值為9.7～10.8。

1.2 集料

所用集料統(tǒng)一為普通石灰?guī)r碎石，粒徑分為（5～10）mm、（10～20）mm、（20～30）mm三個(gè)規(guī)格，細(xì)集料規(guī)格為（0～5）mm。

1.3 水泥

使用海螺牌42.5號水泥，水泥的物理性能如表2所示。

1.4 其他

所用脫硫石膏主要成分為二水硫酸鈣CaSO4·2H2O，含量≥93%，所用礦渣為S95級高爐礦渣粉。

2 赤泥基水泥穩(wěn)定碎石基層混合料配合比設(shè)計(jì)及性能測試[HS）]

2.1 赤泥摻量

為追求盡可能多的消耗赤泥固廢，初步擬定赤泥分別代替集料總量的20%、30%、40%成型無機(jī)結(jié)合料試件，其余集料均保持統(tǒng)一級配。不同赤泥摻量試件的最佳含水率、最大干密度及7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表3所示。

分析表3數(shù)據(jù)可知，隨著赤泥摻量的增加，混合料最佳含水率不斷升高，最大干密度降低，這是因?yàn)槌嗄嘣诟稍餇顟B(tài)下呈粉狀，比表面積較大，在拌和過程中所需水分較多，當(dāng)赤泥摻量為20%時(shí)，7%水泥摻量的混合料已經(jīng)能滿足高速公路基層抗壓強(qiáng)度的需求；當(dāng)赤泥摻量為30%時(shí)，水泥用量8%可滿足高速公路基層抗壓強(qiáng)度的需求；當(dāng)赤泥摻量為40%時(shí)，水泥用量需10%才可滿足高速公路基層抗壓強(qiáng)度的需求。

考慮到大規(guī)模消納赤泥和實(shí)際應(yīng)用時(shí)經(jīng)濟(jì)性的需要，優(yōu)選30%赤泥摻量進(jìn)行下一步試驗(yàn)研究。

2.2 堿激發(fā)膠結(jié)料降低水泥用量機(jī)理

為了進(jìn)一步提高赤泥基水泥穩(wěn)定碎石基層混合料的經(jīng)濟(jì)性，考慮采用礦渣、脫硫石膏取代一部分水泥。

有研究表明［7］，較大比例的赤泥摻量可以提供堿性環(huán)境，基于堿激發(fā)原理，充分利用赤泥中的堿性物質(zhì)激發(fā)礦渣粉中的二氧化硅、氧化鋁等活性物質(zhì)，從而形成強(qiáng)度。同時(shí)，還可以減少赤泥中的自由堿含量，降低混合料的pH值，即利用堿激發(fā)材料所形成的水化產(chǎn)物化學(xué)固化Na+并物理固封重金屬離子。

此外，摻入脫硫石膏形成AFt膨脹，從而抑制基層材料的干縮，提高抗裂性能。

2.3 膠結(jié)料不同比例對混合料性能的影響

保持赤泥摻量30%、級配及膠凝材料總量保持不變，改變礦渣、脫硫石膏、水泥的比例，對比混合料的7 d抗壓強(qiáng)度以及28 d干縮量。結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，隨著礦渣和脫硫石膏的比例增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所降低，這是因?yàn)榈V渣和脫硫石膏的強(qiáng)度相對較低，隨著比例的增加，整體強(qiáng)度也會下降，對比第1、第3組試驗(yàn)，水泥比例的增加會影響混合料的干縮性能，同時(shí)也會提升混合料強(qiáng)度；對比第1、第2組及第3、第4組試驗(yàn)，脫硫石膏比例的提升會增加混合料的早期強(qiáng)度，同時(shí)由于AFt膨脹，干縮程度也會得到一定的緩解。

綜上所述，在保證7 d抗壓強(qiáng)度滿足高速公路基層的要求下，膠凝材料比例以礦渣∶脫硫石膏∶水泥=13∶5∶7最優(yōu)。

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

以1 km長廣西地區(qū)最常見的路面基層結(jié)構(gòu)形式為例，車道寬11.25 m，厚度一般為40 cm，水泥穩(wěn)定碎石基層的水泥用量一般為5%，壓實(shí)度98%，水泥穩(wěn)定碎石基層和赤泥基水泥穩(wěn)定碎石基層的密度約為2 350 kg/m3和2 100 kg/m3。在中國水泥網(wǎng)和中國砂石網(wǎng)詢散裝某品牌普通硅酸鹽水泥P.O 42.5價(jià)格約為420元/t；石灰?guī)r砂石價(jià)格約為62元/t；礦渣和脫硫石膏價(jià)格分別約為220元/t和230元/t；赤泥價(jià)格10元/t。1 km長的高速公路需要4 500 m3水泥穩(wěn)定基層材料，各不同配合比造價(jià)如下頁表5所示。

通過表5不同配合比水泥穩(wěn)定基層造價(jià)對比，相對于傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石基層，赤泥基水泥穩(wěn)定碎石基層的造價(jià)每公里減少135 832.4元；同時(shí)，大量赤泥造就的堿性環(huán)境，可用堿激發(fā)礦渣和脫硫石膏取代部分水泥用量，進(jìn)一步降低成本，每公里較傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石基層造價(jià)降低243 222.4元，在大量消納固廢赤泥的同時(shí)降低基層造價(jià)，具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

3 結(jié)語

（1）相較于普通水泥穩(wěn)定碎石混合料，使用赤泥替代30%集料的赤泥基水泥穩(wěn)定碎石基層混合料要滿足高速公路基層路用性能，其所需膠凝材料的比例更大，同時(shí)最佳含水率上升，最大干密度下降。

（2）增加赤泥摻量可以使混合料處于堿性環(huán)境下，基于堿激發(fā)反應(yīng)，通過摻加礦渣及脫硫石膏可以降低水泥的用量，實(shí)際水泥用量不到被穩(wěn)定材料總質(zhì)量的3%，大大提高了混合料的經(jīng)濟(jì)性。

（3）膠凝材料比例為礦渣∶脫硫石膏∶水泥=13∶5∶7時(shí)，強(qiáng)度既能滿足高速公路基層所需，同時(shí)能減小28 d干縮量，適合實(shí)體工程使用。

（4）增大比例消納赤泥的同時(shí)減少基層造價(jià)，利用堿激發(fā)材料所形成的水化產(chǎn)物化學(xué)固化Na+并物理固封重金屬離子，同時(shí)降低混合料的pH值，赤泥基水泥穩(wěn)定碎石基層混合料安全可靠，可作為道路基層材料使用。

參考文獻(xiàn)

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［3］張鋒劍，師 政，劉瑞芳，等.赤泥混凝土梁受彎性能試驗(yàn)研究［J］.河南城建學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（5）：33-38.

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［7］張 云，陳 偉，陳 瀟.赤泥基應(yīng)用于路基半剛性基層材料性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.山西建筑，2018，44（35）：111-112.

基金項(xiàng)目：2021年度交通運(yùn)輸部交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目清單“多固廢協(xié)同激發(fā)拜耳法赤泥規(guī)模化路用關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用示范”（編號：2021-MS5-124）

作者簡介：歐陽旻奇（1992—），碩士，工程師，主要從事瀝青與瀝青混合料原材料檢測及新材料研發(fā)工作。