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(jì)南 250014；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250102)

0 引言

拜耳法生產(chǎn)氧化鋁是利用強(qiáng)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(zhì)和化合物經(jīng)過(guò)分離、洗滌、壓濾，所產(chǎn)生的固體殘?jiān)褪前荻ǔ嗄郲1]。拜耳法工藝具有流程簡(jiǎn)單、能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量高等特點(diǎn)，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(zhì)和絕大部分硅的不溶性化合物，同時(shí)攜帶大量堿性附液，含水量達(dá)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(qiáng)、顆粒細(xì)等特點(diǎn)，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(mǎn)足路基填筑材料的技術(shù)要求，必須經(jīng)過(guò)改良處理對(duì)其物理、力學(xué)性能進(jìn)行改善后才可用于路基填筑。本文采用化學(xué)改良的處理方法，選擇石灰、水泥、磷石膏及復(fù)合改性材料作為典型材料，按照重型擊實(shí)試驗(yàn)方法測(cè)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(duì)拜耳法赤泥擊實(shí)特性的影響，為拜耳法赤泥的改良方法選擇和工程應(yīng)用提供參考。

1 拜耳法赤泥的基本性質(zhì)

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(fù)雜,化學(xué)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(xué)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(guān)[4]。通過(guò)對(duì)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(xué)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(duì)山東鋁廠(chǎng)拜耳法赤泥樣品連續(xù)取樣后進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 拜耳法赤泥的化學(xué)成分

拜耳法工藝需要對(duì)鋁土礦進(jìn)行破碎和磨礦，然后加入NaOH溶液或Na2CO3溶液使Al2O3溶出，這就導(dǎo)致赤泥顆粒的粒度極細(xì)，并在顆粒表面吸附大量Na+和OH-。從宏觀(guān)上赤泥則表現(xiàn)出堿度高、親水性強(qiáng)、含水量高、密度小等特性。對(duì)山東鋁廠(chǎng)拜耳法赤泥進(jìn)行基本物理、水理指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 拜耳法赤泥的基本物理、水理測(cè)試指標(biāo)

2 拜耳法赤泥的擊實(shí)特性

擊實(shí)試驗(yàn)是確定不同土質(zhì)擊實(shí)特性的常用方法，也是判斷壓實(shí)效果的對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)一定擊實(shí)功能下土樣干密度隨含水率變化的關(guān)系曲線(xiàn)，可以得到最大干密度和最佳含水率指標(biāo)。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中的重型擊實(shí)方法對(duì)拜耳法赤泥進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)[5]。試驗(yàn)前，將拜耳法赤泥在105～110 ℃條件下烘干8 h，碾碎結(jié)塊通過(guò)2 mm篩，然后四分法準(zhǔn)備5個(gè)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(shí)筒內(nèi)徑為10 cm、高度為12.7 cm，試樣體積為997 cm3。擊實(shí)時(shí)采取五層法裝料，每層擊數(shù)為27次。

經(jīng)測(cè)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(shí)曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 拜耳法赤泥的擊實(shí)試驗(yàn)曲線(xiàn)

由擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)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(yuǎn)低于其塑限，具有特有的擊實(shí)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(tuán)聚體構(gòu)成孔架狀結(jié)構(gòu)，具有較大空隙，使赤泥微觀(guān)結(jié)構(gòu)疏松、密度較小[6]；(2)強(qiáng)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(jià)力、分子力以及氫鍵等力。在最佳含水率狀態(tài)下，除了潤(rùn)滑作用的顆粒表面水膜之外，還存在大量的表面結(jié)合水膜，過(guò)量的結(jié)合水使最佳含水率數(shù)值偏高。

3 改良材料的選擇

化學(xué)改良是通過(guò)向土中摻加一定比例的石灰、水泥、粉煤灰等材料，經(jīng)過(guò)物理化學(xué)反應(yīng)來(lái)改變土的顆粒組成與結(jié)構(gòu)，從而使改良土的強(qiáng)度、剛度和水穩(wěn)定性得到明顯改善。拜耳法赤泥存在級(jí)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(guò)加入改良材料并經(jīng)過(guò)物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，才能使赤泥顆粒的組成形態(tài)與結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從宏觀(guān)上提高其物理、力學(xué)性能。

本研究選擇了石灰、水泥、磷石膏及復(fù)合改性材料對(duì)赤泥進(jìn)行化學(xué)改良。石灰和水泥作為兩種性能優(yōu)良且相對(duì)廉價(jià)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(duì)拜耳法赤泥顆粒細(xì)、親水性強(qiáng)、附液堿性高等特點(diǎn)，試驗(yàn)又選擇了磷石膏和復(fù)合改性材料作為改良材料。復(fù)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(yàn)所選四種改良材料的主要作用機(jī)理如下：(1)石灰。通過(guò)離子交換、火山灰反應(yīng)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(yīng)形成絮凝團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。(2)水泥。通過(guò)水解、水化反應(yīng)，分解出Ca(OH)2和水化反應(yīng)物，在赤泥微粒間形成水化水泥石骨架，對(duì)赤泥顆粒產(chǎn)生膠結(jié)約束達(dá)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(jié)成晶體聚成團(tuán)粒。(4)復(fù)合改性材料。堿-激發(fā)效應(yīng)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(yīng)機(jī)理的差異性和復(fù)雜性，勢(shì)必對(duì)拜耳法赤泥的擊實(shí)特性產(chǎn)生不同影響。四種改良材料分別按赤泥干質(zhì)量的4%、6%、8%、10%和12%五種不同劑量進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，以對(duì)比與分析四種典型改良材料對(duì)拜耳法赤泥擊實(shí)特性的影響程度與變化趨勢(shì)。

4 數(shù)據(jù)分析

化學(xué)改良赤泥采取與拜耳法赤泥相同的方法和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。擊實(shí)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(fù)合改性材料按干赤泥質(zhì)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(shí)試驗(yàn)要求在1 h內(nèi)完成。四種典型材料在不同摻量試驗(yàn)條件下改良赤泥的最大干密度與最佳含水率分布曲線(xiàn)如圖2—圖5所示。

圖2 不同劑量石灰改良赤泥的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)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(dāng)劑量超過(guò)8%時(shí)，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(shí)試驗(yàn)結(jié)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(dá)10%以上時(shí)，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(shí)試驗(yàn)結(jié)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(shì)的拐點(diǎn)發(fā)生在10%劑量左右。

圖5 不同劑量復(fù)合改性材料改良赤泥的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可以看出，隨著復(fù)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(kāi)始發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，由于不同材料與赤泥之間化學(xué)反應(yīng)速率、時(shí)間和類(lèi)型的差異性，以及不同改良材料本身物理化學(xué)性質(zhì)的不同，最終使改良赤泥擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)上述不同的變化趨勢(shì)。從圖2—圖5可以看出，當(dāng)改良材料劑量在4%～10%范圍內(nèi)時(shí)，改良赤泥的擊實(shí)特性表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性。當(dāng)改良材料超過(guò)10%后，最佳含水率和最大干密度的變化幅值明顯增大，說(shuō)明高摻量條件下改良材料本身的物理性質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)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(cè)試結(jié)果和變化趨勢(shì)，可以為拜耳法赤泥在工程實(shí)踐中改良材料、劑量的選擇以及改良赤泥強(qiáng)度、模量等力學(xué)指標(biāo)的進(jìn)一步評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)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(jié)論和建議。

(1)拜耳法赤泥的擊實(shí)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(jī)理、化學(xué)反應(yīng)速率和類(lèi)型的差異性和復(fù)雜性，石灰、水泥、磷石膏和復(fù)合改性材料對(duì)拜耳法赤泥擊實(shí)特性的影響具有明顯的差異性。

(3)改良材料的劑量對(duì)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(yàn)結(jié)果可以選取4%～10%作為工程應(yīng)用合理?yè)脚浔壤膮⒖挤秶?/p>