楊偉剛，孫兆云，李玉鑫，馬士杰，龐世華

(1.山東高速股份有限公司，山東 濟南 250014；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟南 250102；3.高速公路養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山東 濟南 250102)

拜耳法生產(chǎn)氧化鋁工藝最早由奧地利工程師K.J.拜耳提出，經(jīng)不斷改進已被世界上95%的制鋁企業(yè)所使用。拜耳法工藝從鋁土礦中溶出、分離、焙燒，得到氧化鋁后，所排出的固體廢棄物即為拜耳法赤泥[1]。赤泥作為我國典型的大宗工業(yè)固體廢棄物，一般采用筑壩形式堆存，不僅占用大量土地、增加維護管理費用，還可能產(chǎn)生揚塵、滲透污染周圍水體，帶來環(huán)境污染的風(fēng)險。為此國內(nèi)外學(xué)者對赤泥的再生循環(huán)利用做了大量研究。其中，在建筑材料與工程應(yīng)用領(lǐng)域，赤泥可用于水泥的生產(chǎn)、水泥混凝土的摻配材料、道路基層的添加材料等多種途徑[2-6]。但目前我國的赤泥整體綜合利用率非常低，規(guī)?；瘧?yīng)用是赤泥減量消耗與利用的有效途徑。

公路、鐵路等工程建設(shè)中修建路基需要消耗大量的填筑材料，使用傳統(tǒng)的土、石材料既浪費土地資源又破環(huán)生態(tài)環(huán)境。拜耳法赤泥顆粒細(xì)、持水性強、水穩(wěn)定性差，工程性質(zhì)不能滿足道路路基填料的技術(shù)要求，經(jīng)改良處理后才能用于路基填筑[7]。不良路基填料一般采用物理或化學(xué)方式進行改良處理?；瘜W(xué)改良的基本方法是通過摻加石灰、水泥、粉煤灰等無機膠凝材料與土粒發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，從而改變土體微觀結(jié)構(gòu)，提高強度、剛度和水穩(wěn)定性[8]。本文通過化學(xué)方式對拜耳法赤泥進行改良處理，并分析了不同改良材料及劑量條件下改良赤泥及試驗路基的力學(xué)特性，為改良材料選擇、劑量確定及路基力學(xué)性能的評價提供參考依據(jù)。

1 拜耳法赤泥工程特性

拜耳法氧化鋁生產(chǎn)工藝的基本流程是利用氫氧化鈉溶出鋁土礦制得鋁酸鈉溶液，再經(jīng)稀釋和添加氫氧化鋁晶種分離析出氫氧化鋁，焙燒后最終得到產(chǎn)品氧化鋁，如圖1所示。在強堿溶出工藝過程中，鋁土礦所含的鐵、鈣、鈦等氧化物不與氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)而形成的固體殘渣，經(jīng)分離壓濾后就是拜耳法赤泥。

圖1 氧化鋁生產(chǎn)工藝流程

為提高鋁酸鈉溶出率和后續(xù)反應(yīng)速度，拜耳法對鋁土礦的粉碎磨礦工藝使赤泥的顆粒極細(xì)，具有較強的分散性。經(jīng)堿性溶出后，拜耳法赤泥以氧化鐵、二氧化硅、氧化鈣、氧化鋁等為主要成分。赤泥顆粒中的礦物成分帶有負(fù)電荷，使微粒結(jié)合水膜厚度較大，含水率和持水性明顯高于一般土[9]。赤泥失水或重塑壓實成型后，可形成一定強度，但遇水后立刻發(fā)生崩解，水穩(wěn)定性差。參照路基填料的性質(zhì)要求，對拜耳法赤泥基本物理、水理指標(biāo)進行測試，結(jié)果如表1所示。

表1 拜耳法赤泥的基本性能試驗結(jié)果

2 化學(xué)改良方案

經(jīng)過對多個產(chǎn)地不同拜耳法赤泥樣品的大量室內(nèi)物理力學(xué)性能的測試與分析，可發(fā)現(xiàn)其不良工程特性主要體現(xiàn)在水穩(wěn)定性差、自然含水率高、液塑限高等方面。必須采取一定的化學(xué)改良措施，使其物理力學(xué)性能滿足相關(guān)技術(shù)要求，才能應(yīng)用于道路路基的填筑。

研究過程中分別選擇了石灰、水泥兩種無機材料以及綜合改良的化學(xué)改良方法：

1)石灰和水泥作為傳統(tǒng)改良材料，具有來源廣泛、性能穩(wěn)定、價格低廉等特點。廣泛應(yīng)用于公路、鐵路工程中不良或特殊土質(zhì)與路基填料的改良處理。合理的材料選擇和摻入比，能夠改善不良填料的強度、水穩(wěn)定性和工作性能。

2)綜合改良材料是將水泥、石灰粉、礦渣微粉和有機高分子材料按一定比例復(fù)配而成。綜合利用水泥的水化反應(yīng)、石灰粉的離子交換作用、礦渣微粉在堿-激發(fā)效應(yīng)下的二次水化及高分子穩(wěn)定材料物理包裹與化學(xué)吸附固化等一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，從微觀上改變赤泥顆粒表面吸附水膜及顆粒結(jié)構(gòu)，從而降低界限含水率，提高整體強度及水穩(wěn)定性。

石灰、水泥、綜合改良材料均按赤泥干質(zhì)量的4%、6%、8%和10%四個不同劑量進行摻配。按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)中的重型擊實試驗方法，確定三種材料在不同劑量下改良赤泥的最大干密度γd與最佳含水率w，然后按試驗設(shè)計條件進行改良赤泥無側(cè)限抗壓強度以及改良赤泥固化材料填筑路基的回彈模量測試。

3 試驗結(jié)果與分析3.1 無側(cè)限抗壓強度

根據(jù)重型擊實最大干密度γd與最佳含水率w的試驗結(jié)果，以96%壓實度為控制標(biāo)準(zhǔn)，成型直徑39.1 mm、高度8 mm的圓柱體試件。成型密封后放置在溫度20±1 ℃、相對濕度大于90%的環(huán)境中養(yǎng)護至3 d、7 d、28 d齡期，7 d和28 d齡期各增加一組破型前浸水1 d的對比試驗，養(yǎng)護期滿進行無側(cè)限抗壓強度試驗[10]。

不同測試齡期下，石灰、水泥和綜合改良摻加劑量對赤泥強度的影響程度如圖2～圖4所示。

圖2 石灰劑量對改良赤泥強度的影響

圖3 水泥劑量對改良赤泥強度的影響

圖4 綜合改良材料劑量對改良赤泥強度的影響

圖2表明，改良赤泥強度隨石灰劑量增加而得到提高。當(dāng)石灰劑量超過8%時，會使改良赤泥的早期強度(3 d齡期)出現(xiàn)下降趨勢。石灰劑量為4%和6%時，改良赤泥的后期強度增幅較小。圖3表明，雖然水泥能夠快速提高改良赤泥的早期強度，但7 d與28 d的齡期強度基本持平，不利于后期強度的持續(xù)增長。圖4表明，綜合改良材料能均衡改良赤泥的強度形成過程，隨材料劑量及齡期的增加強度呈較為穩(wěn)定的增長趨勢。通過圖2～圖4對比可以得到：3種改良材料均能不同程度地提高赤泥無側(cè)限抗壓強度，其中綜合改良材料相對效果最好。

浸水強度試驗是使改良赤泥試件吸水，以評價其強度衰減情況。浸水1 d試驗條件對7 d、28 d養(yǎng)護齡期的石灰、水泥和綜合改良赤泥強度呈現(xiàn)不同的軟化影響，測試結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 7 d齡期不同改良赤泥的強度損失

圖6 28 d齡期不同改良赤泥的強度損失

從圖5、圖6可以看出，石灰改良赤泥的強度損失最大、水泥改良次之、綜合改良最優(yōu)。石灰改良赤泥的7 d齡期強度損失率為63%～71%，28 d齡期時為61%～68%，養(yǎng)護時間的增長對其浸水強度衰減影響不大。水泥改良赤泥的7 d齡期強度損失率為44%～53%，28d齡期時為39%～48%，隨養(yǎng)護時間的增長可以一定程度地降低浸水強度衰減程度。綜合改良赤泥的7 d齡期強度損失率為15%～19%，28d齡期時為14%～17%，隨養(yǎng)護時間增長使損失率略有降低，但改良赤泥的整體耐水性較好。

由此可見，化學(xué)改良可以使赤泥浸水后不會立刻發(fā)生崩解而失去強度，但不同材料對改良赤泥的水穩(wěn)定性影響較大，這與不同改良材料化學(xué)反應(yīng)進程與產(chǎn)物及赤泥顆粒結(jié)構(gòu)的重構(gòu)密切相關(guān)。

3.2 路基回彈模量

路基回彈模量是豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)剛度大小的直接描述指標(biāo)，也是路基整體承載性能的宏觀反映，直接影響著上覆路面結(jié)構(gòu)層在車輛荷載作用下的使用性能[11]。在工程應(yīng)用中，現(xiàn)場回彈模量能夠綜合反映填料變形模量、強度性能及碾壓含水量、壓實度等因素影響下的路基變形控制能力，符合路基實際工作受力狀態(tài)，其結(jié)果通常作為路基力學(xué)性能評價指標(biāo)和路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)。

路基的變形具有非線性特征，回彈模量的測試與計算是建立在軸對稱彈性半空間理論基礎(chǔ)上?，F(xiàn)場測試參照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTGE60-2008)中的承載板法，測試剛性承載板直徑為30 cm、板厚20 mm。通過對承載板的分級加載、卸載，測讀每級荷載pi下相應(yīng)路基回彈變形值Li，按式(1)計算得到路基回彈模量值[12]

(1)

式中：E0為土基回彈模量；D為承載板直徑；pi為各級承載板壓力值；Li為各級實測回彈變形值；μ為土的泊松比。

根據(jù)石灰、水泥、綜合改良赤泥無側(cè)限抗壓強度和浸水強度損失的試驗結(jié)果，擇優(yōu)選擇綜合改良方案鋪筑工程試驗段。試驗段同樣選取4%、6%、8%和10%的摻加劑量，壓實度按96%標(biāo)準(zhǔn)控制。對不同劑量路段的路基頂面進行回彈模量測試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 綜合改良赤泥的回彈模量p-L曲線

路基回彈模量的主要影響因素包括應(yīng)力狀態(tài)、物理狀態(tài)(壓實度、含水量)及填料性質(zhì)等。當(dāng)試驗路段的測試荷載、物理狀態(tài)等外部條件保持一致時，測試結(jié)果可以反映填筑材料的性能差異。從圖7可以看出：赤泥試驗段綜合改良材料劑量為4%、6%、8%和10%時，路基回彈模量測試值分別為69.9 MPa、128.8 MPa、165.6 MPa和199.1 MPa。同時，圖7中四組p-L曲線可以反映出路基在20～400 kPa荷載作用范圍內(nèi)，荷載與變形基本呈線性關(guān)系，未出現(xiàn)因測試荷載逐級增加而模量相應(yīng)減小的曲線向下彎曲現(xiàn)象，表明路基的整體強度和剛度較好。因此，當(dāng)汽車荷載作用下路基頂面實際受力工作狀態(tài)承受壓力約為100 kPa時，路基具有良好的線彈性性質(zhì)。

另外，《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTGD50-2017)中對不同交通荷載等級下的路基頂面回彈模量做出了相應(yīng)規(guī)定。綜合改良赤泥路基的回彈模量測試值可為材料設(shè)計參數(shù)的選擇提供參考依據(jù)，但還需要考慮干濕與凍融循環(huán)作用及平衡濕度狀態(tài)影響。

4 結(jié) 論

拜耳法赤泥具有持水性強、強度低、水穩(wěn)性差等特性，不能作為道路填筑材料?；瘜W(xué)改良是對不良路基填料的有效固化處理方式，選取石灰、水泥和綜合改良材料對赤泥進行化學(xué)改良處理，通過對比分析不同改良赤泥固化材料的路用力學(xué)特性，得到以下幾點結(jié)論：

1)石灰、水泥、綜合化學(xué)改良方式均可提高拜耳法赤泥的強度和水穩(wěn)定性能。

2)石灰摻量過量(大于8%)會不利于改良赤泥早期強度的形成；水泥改良赤泥7d齡期后的強度增長緩慢；綜合改良赤泥的強度隨齡期增長較為均衡，浸水條件對其強度衰減影響較小，整體力學(xué)性能相對最好。

3)綜合改良赤泥路基的“荷載-變形”呈良好的線性關(guān)系，回彈模量測試結(jié)果高于規(guī)范設(shè)計取值，具有良好的路用力學(xué)性能。