磷石膏摻量對赤泥抗剪特性的影響

朱豪偉 劉長武 李宣霖3

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院；2.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室）

鋁土礦、高嶺土等礦物資源中賦存大量的鋁資源，鋁土礦作為目前工業(yè)冶煉金屬鋁最主要的來源，在中國分布廣，類型多樣［1］。在鋁土礦的冶煉過程中會產(chǎn)生大量的殘渣，因其含有大量氧化鐵且外觀與赤色泥土相似，因而得名赤泥。赤泥產(chǎn)量巨大，一般每生產(chǎn)1 t氧化鋁大約產(chǎn)出1～1.3 t赤泥［2］，赤泥具有粒度小、含水率大、透水性差、壓縮性高、抗剪強度低、pH值高等特性［3］，由于缺乏有效的工業(yè)化處理方法，煉鋁行業(yè)一般采用堆存法處治，這種處治方法在占用土地的同時還對環(huán)境造成污染，更是一種對資源的浪費［4］。國內(nèi)外學(xué)者對赤泥的資源化利用進行了大量有益的探索，包括有價組分回收［5］、污水處理［6］、氣體凈化、催化材料、建筑材料［7-8］及土壤改良等［9］。

赤泥的高堿性特點是對其資源化利用過程中需要重點考慮的問題，但是目前的脫堿方法費用較高，且易造成二次污染［10］。近年來，利用磷石膏對赤泥進行改性的研究相繼報道，以磷石膏處理赤泥，以廢治廢。磷石膏是在工業(yè)生產(chǎn)磷肥、磷酸等產(chǎn)品時排放出的固體廢棄物，堆存量巨大，呈酸性。研究發(fā)現(xiàn)，利用磷石膏能有效對赤泥進行改性，改性后的赤泥具備固結(jié)性能。為降低赤泥中的堿分，喻陽華等［10］探索了磷石膏和碳酸鈣為脫堿劑脫除赤泥中堿分的效果，結(jié)果表明磷石膏能在一定程度上降低赤泥的堿性。李義偉等［11］開展了磷石膏對赤泥堿性改良的研究，結(jié)果表明，磷石膏最優(yōu)添加量為1.5 wt%，赤泥的pH值得到一定程度的降低。孫兆云［12］對比石灰、水泥、磷石膏和復(fù)合改性材料對拜耳法赤泥進行改性研究，得到改性處理后的赤泥可用作路基填筑材料。

目前，對于磷石膏改性赤泥材料力學(xué)性能的研究相對較少。將磷石膏改性赤泥應(yīng)用于礦山充填、路基填筑等工程中時，材料的抗剪特性是關(guān)鍵指標。為此，本研究開展了赤泥、磷石膏和赤泥—磷石膏混合材料的直接剪切試驗，揭示不同磷石膏摻量下赤泥—磷石膏材料抗剪強度特性的變化規(guī)律。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

試驗采用貴陽某鋁業(yè)的拜耳法赤泥，取樣前已進行一定脫堿處理，滿足堆存要求。試驗采用的磷石膏取自四川成都邛崍市，顏色灰黑，含水率0.1%。用液塑限聯(lián)合測定儀測定了赤泥和磷石膏的液限和塑限，用固結(jié)儀測定了赤泥的壓縮系數(shù)為0.13 MPa-1，屬于中壓縮性土類別，赤泥和磷石膏主要物理參數(shù)見表1。

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1.2 試驗儀器

材料比重采用比重瓶測定，液塑限采用LP-100D型數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測定儀測定，赤泥壓縮系數(shù)采用WGA-1C型三聯(lián)高壓固結(jié)儀測定。

直剪試驗采用的是南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的ZJ（DSJ-3）型電動四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀，最大剪切力1.2 kN，速率分手動、0.02、0.1、0.8、2.4 mm/min共5檔，設(shè)備簡單，操作方便，可同時進行4個試樣的剪切試驗。

1.3 試樣制備及試驗方案

制樣前需要對赤泥和磷石膏進行預(yù)處理，將赤泥和磷石膏自然風(fēng)干后碾碎并過2 mm方孔篩，剔除雜物，用烘箱烘干至恒重，密封保存?zhèn)溆谩?/p>

制樣時將磷石膏按照不同的比例與赤泥充分拌合，按含水率36%（磷石膏試樣含水率22%）計算用水量，加水拌合均勻后燜料10 h。試樣的制備方法根據(jù)《土工試驗規(guī)程》（SL237—1999）采用擊實法制樣，將調(diào)制好的混合料分層裝入環(huán)刀（直徑61.8 mm，高度20 mm），每個試樣分3層擊實，每層擊實后用調(diào)土刀刨毛表面防止試樣分層，直至擊實最后一層，刮平試樣表面，最后將所有制得的試樣恒溫恒濕養(yǎng)護3 d后，再進行直剪試驗。直剪選用快剪，剪切模型示意圖如圖1所示，通過砝碼施加不同的垂直壓力P（100，200，300和400 kPa）后立即進行剪切，并在3～5 min內(nèi)剪壞，剪切過程中觀察手輪，手輪每轉(zhuǎn)動1圈測記1次量力環(huán)的讀數(shù)，根據(jù)量力環(huán)讀數(shù)得出剪切力T，其余操作按照《土工試驗規(guī)程》（SL237—1999）進行。同時進行了純赤泥和純磷石膏材料的直剪對比試驗，試驗方案見表2，其中15%、30%、45%、60%分別代指赤泥—磷石膏試樣中的磷石膏摻量。

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2 試驗結(jié)果及分析

2.1 抗剪強度的變化規(guī)律

根據(jù)剪切試驗數(shù)據(jù)，以剪應(yīng)力為縱坐標，剪切位移為橫坐標，繪制不同磷石膏摻量試樣的剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線，如圖2所示。

對比赤泥（圖2（a））和磷石膏（圖2（f））的剪應(yīng)力—剪切位移曲線可以看出，赤泥試樣的關(guān)系曲線為典型的應(yīng)變硬化型，隨著剪切位移的增加，剪應(yīng)力先線性增大，到達最大值后基本穩(wěn)定不變；而磷石膏試樣的關(guān)系曲線為典型的應(yīng)變軟化型，剪應(yīng)力增加到最大值后逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，有一定的殘余強度。摻量為15%、30%和45%混合材料的關(guān)系曲線均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，且剪切應(yīng)力在到達峰值后迅速減小，在比例為15%時尤為明顯；隨著磷石膏摻量的增加，試樣關(guān)系曲線逐漸趨于硬化，磷石膏摻量為60%時試樣關(guān)系曲線變?yōu)閼?yīng)變硬化型，剪切應(yīng)力到達峰值后變化不大。

取曲線上剪應(yīng)力的最大值或剪切位移為4 mm對應(yīng)的剪應(yīng)力值為抗剪強度［13］，以抗剪強度為縱坐標，垂直荷載為橫坐標，繪出4個不同垂直荷載下的數(shù)據(jù)點，并用直線擬合4個數(shù)據(jù)點；取直線的傾角為試樣的內(nèi)摩擦角φ，直線的截距為黏聚力c，繪制不同垂直荷載下各組試樣的抗剪強度變化關(guān)系（圖3）。由圖3可看出，添加磷石膏后，赤泥—磷石膏混合材料的抗剪強度相比于赤泥均得到了一定程度的提升，隨著磷石膏摻量從15%增加到60%，膠結(jié)材料的抗剪強度有所降低。

2.2 磷石膏摻量對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，分別繪制了不同磷石膏摻量下膠結(jié)材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角大小的柱狀圖（圖4）。

由圖4可以看出，隨著磷石膏摻量從15%增加到60%，材料的黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角先增大后減小，在摻量為15%時黏聚力最大，在摻量為30%時內(nèi)摩擦角最大。除了磷石膏摻量為60%的試樣，磷石膏摻入后試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均高于赤泥和磷石膏，說明磷石膏對赤泥有一定的改性效果，能改善赤泥的力學(xué)性能。根據(jù)前人的研究，磷石膏對赤泥的改性機理在于磷石膏中Ca+和赤泥中Na+的交換，并且生成有一定膠凝硬化效果的物質(zhì)，如Ca（OH）2，從而使得赤泥膠粒逐漸結(jié)成晶體，聚成團粒并形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而達到穩(wěn)定固化的效果［12］。實際工程中將赤泥用作路基材料或者充填材料時，可以考慮添加一定量的磷石膏，添加比例在30%以內(nèi)效果較好，但同時需進一步得出最優(yōu)的配比，并綜合考慮材料對環(huán)境的影響。

3 結(jié)論

（1）磷石膏摻量為15%、30%、45%試樣的剪應(yīng)力—剪切位移曲線為應(yīng)變軟化型，摻量增加至60%時變?yōu)閼?yīng)變硬化型。

（2）隨著磷石膏摻量從15%增加到60%，試樣的黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角先增大后減小，且磷石膏摻量在15%至45%時，試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角均優(yōu)于赤泥和磷石膏；摻量為15%時試樣的黏聚力最大，摻量為30%時內(nèi)摩擦角最大。

（3）磷石膏對赤泥有一定的改性作用，能增大赤泥的抗剪強度，在一定程度上改善力學(xué)性能，實際工程中可考慮將磷石膏和赤泥協(xié)同處置利用，但需考慮二者混合后的環(huán)境可行性。