山西省公路建設(shè)采空區(qū)新型注漿材料關(guān)鍵技術(shù)研究

吳 偉，申鐵軍

(1.山西路橋第五工程有限公司,山西 太原 030006；2.山西路橋集團晉南項目管理有限公司,山西 太原 030006)

0 前 言

近年來，山西省赤泥在有價組分回收、污水處理、氣體凈化、催化材料、建筑材料及土壤改良等方面進行了機理研究和應(yīng)用進展,通過赤泥理化特征分析確定其各個應(yīng)用方向的優(yōu)勢及前景。造成目前赤泥綜合利用率低的最大因素是赤泥中含有大量堿性物質(zhì)和重金屬等,所以，山西省近年來進行了赤泥脫堿技術(shù)及赤泥毒性浸出研究，總結(jié)了山西省赤泥資源化途徑較為分散、對赤泥利用的系統(tǒng)研究不足、未真正實現(xiàn)赤泥最大程度資源化也未解決當前赤泥造成的現(xiàn)實及潛在環(huán)境安全等問題。

1 赤泥的概念

赤泥是氧化鋁冶煉工業(yè)生產(chǎn)過程中排出的固體廢棄物，是在提取氧化鋁過程中產(chǎn)生的強堿性廢渣。由于鋁土礦含鐵較高，使此廢棄物外觀顏色與赤色泥土相似而得名。赤泥具有膠結(jié)的孔架狀結(jié)構(gòu)，屬于高壓縮性、低抗剪強度廢渣，其含水量大，隨著堆放厚度不斷增大，赤泥不斷發(fā)生排水固結(jié)，其逐漸硬化[1]。

2 赤泥的危害

目前，山西省排放赤泥近8 000萬t。但是，目前如此排量巨大的赤泥由于技術(shù)的限制未能得到充分利用，仍以填埋堆存為主，對生態(tài)環(huán)境造成巨大污染。通過技術(shù)手段將赤泥用于制備采空區(qū)注漿充填材料，實現(xiàn)赤泥在公路采空區(qū)建設(shè)中的大規(guī)模、資源化利用，從而有效節(jié)約資源、保護生態(tài)環(huán)境，并降低采空區(qū)建設(shè)費用[2]。

3 山西省公路采空區(qū)現(xiàn)狀

山西省采空區(qū)分布廣泛，隨著高速公路建設(shè)由平原向山區(qū)發(fā)展，公路建設(shè)受采空區(qū)影響越來越突出，建設(shè)難度大幅增加，且處治費用高。采空區(qū)處治設(shè)計主要采用水泥粉煤灰漿液注漿充填，工程施工需消耗大量的水泥與粉煤灰。在粉煤灰不易得的地區(qū)，無疑會大幅提高建設(shè)成本。現(xiàn)行采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則明確提出：采空區(qū)是地質(zhì)環(huán)境與生態(tài)環(huán)境比較惡劣和脆弱地區(qū)，采空區(qū)公路建設(shè)應(yīng)因地制宜，綜合利用礦渣、尾礦等廢棄物作為筑路材料和采空區(qū)處治的充填材料。因此，基于減低建設(shè)成本、降低公路建設(shè)環(huán)境負荷考慮，有必要開展以工業(yè)固廢為主要原料的注漿充填材 料制備及應(yīng)用技術(shù)研究。

4 主要研究內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)路線、應(yīng)用研究

4.1 主要研究內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)

1)主要研究內(nèi)容。開展赤泥注漿充填材料的組成、性能與施工關(guān)鍵技術(shù)研究，研發(fā)以赤泥及爐渣為主要原料的注漿充填材料配比設(shè)計方法。同時研究開發(fā)注漿充填材料的攪拌、泵送與充填關(guān)鍵技術(shù)。

2)關(guān)鍵技術(shù)。

(1)系統(tǒng)分析赤泥的基本物理化學特性的基礎(chǔ)上，開展面向注漿充填材料體系的赤泥中CaO、SO3對膠凝材料漿體力學、脹縮性能影響規(guī)律的應(yīng)用基礎(chǔ)研究；基于此，分水泥赤泥注漿充填材料、水泥-赤泥注漿充填材料、赤泥干投料等三個體系，開展材料組成設(shè)計與相關(guān)性能研究，從而獲得赤泥注漿充填材料的材料組成設(shè)計方法；最后，依托實體工程，開展?jié){體高效攪拌與泵送工藝、干料混合與投料填充等施工關(guān)鍵技術(shù)研究，并進行注漿充填工程應(yīng)用，評價其對環(huán)境的影響性。

(2)針對當前注漿充填系統(tǒng)施工效率低、勞動強度大的問題，結(jié)合赤泥注漿充填材料顆粒細小、攪拌困難的情況，研究投料順序、攪拌時間等對赤泥注漿充填材料的工作性能與力學性能的影響規(guī)律，同時開展赤泥注漿材料泵送工藝的研究，從而獲得赤泥注漿充填材料的施工關(guān)鍵技術(shù)。

(3)基于高效環(huán)保的制漿工藝設(shè)計與設(shè)備配套，用于采空區(qū)注漿充填赤泥的技術(shù)要求與水泥赤泥漿液、赤泥干投料的組成設(shè)計。

(4)基于上述研究成果，形成赤泥注漿充填材料施工關(guān)鍵技術(shù)。

3)創(chuàng)新點。

(1)研發(fā)新型固廢赤泥注漿充填材料，提出從原材料要求到施工質(zhì)量驗收的成套工藝方案。

(2)基于赤泥注漿充填材料及采空區(qū)注漿工程需求，研發(fā)高效環(huán)保的制漿工藝設(shè)計與配套設(shè)備。

4.2 主要技術(shù)路線與應(yīng)用研究

1)赤泥基本特性。

(1)研究赤泥的化學成分、礦物組成、外觀形貌、表觀密度、顆粒組成的關(guān)鍵物理化學性能，為注漿充填材料的組成設(shè)計提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)分顆粒粒級研究赤泥的化學成分、礦物組成、外觀形貌、表觀密度、吸水率、壓碎值等關(guān)鍵物理化學性能，為注漿充填材料的組成設(shè)計提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2)赤泥注漿充填體系設(shè)計的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

(1)研究在不同水泥摻量(10%～30%)下，通過硬石膏調(diào)整赤泥中S03在 3.5%～10%的波動，檢測凈漿的凝結(jié)時間、力學性能以及脹縮系數(shù)，并同時檢測孔溶液的pH值以及微觀形貌，綜合分析出不同水泥摻量、S03含量等對膠凝體系關(guān)鍵性能的影響規(guī)律以及其作用機理；

(2)在不同水泥摻量(10%～30%)下，固定赤泥中S03含量，通過摻入生石灰調(diào)整赤泥中CaO的含量，檢測凈漿的安定性、凝結(jié)時間、力學性能以及脹縮系數(shù)，并同時檢測孔溶液的pH值以及微觀形貌，綜合分析出不同水泥摻量、f-CaO含量等對膠凝體系關(guān)鍵性能的影響規(guī)律以及其作用機理。

3)赤泥注漿充填材料的組成設(shè)計與性能研究。

針對赤泥注漿充填材料、赤泥復合制備注漿充填材料等兩種注漿充填材料開展組成設(shè)計與性能研究，具體如下。

(1)赤泥注漿充填材料：研究水泥摻量、水膠比、外加劑種類與摻量等因素對赤泥注漿充填材料的工作性能、力學性能與膨脹性能的影響規(guī)律，通過微觀測試手段揭示赤泥注漿充填材料強度形成機理與性能演變機制，提出赤泥注漿充填材料配比設(shè)計方法。

(2)赤泥注漿填充材料：研究水泥摻量、赤泥摻量、水膠比、爐渣粒級與級配、外加劑種類與摻量對赤泥注漿充填材料的工作性能(可泵性、注充性)、力學性能與膨脹性能的影響規(guī)律，通過微觀測試手段揭示赤泥注漿充填材料強度形成機理與性能演變機制，提出赤泥注漿充填材料配比設(shè)計方法。

(3)赤泥干投料：研究赤泥比例對吸水自硬化性能的影響，提出赤泥灰渣干投料的組成設(shè)計方法。

4)赤泥注漿充填材料的施工關(guān)鍵技術(shù)與環(huán)境影響評價。

開展赤泥注漿充填材料的工程應(yīng)用研究，并對其應(yīng)用效果進行檢測評價；同時，通過研究赤泥注漿充填材料浸出液的堿度、重金屬離子含量等測定，以及地下水資源中污染性物質(zhì)含量的監(jiān)控，對赤泥注漿充填材料對環(huán)境的影響進行評價。

5 國內(nèi)應(yīng)用實例

1)2019年，山東省首次將拜耳法赤泥用于實際公路工程建設(shè),并作為交通部科技示范項目應(yīng)用于濟青高速公路改擴建工程。

2)山東省淄博市淄川區(qū)修建了一條寬約15 m、長約4 km的赤泥路面基層材料公路。經(jīng)過現(xiàn)場鉆芯取樣，表明赤泥路面基層達到了石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定土的一級和高速路的強度。

3)山東鋁業(yè)股份有限公司在距離山鋁第一赤泥堆場建設(shè)了一條約10 km的赤泥基層示范路，配合比為赤泥∶粉煤灰∶石灰=75∶15∶10(干質(zhì)量比)。根據(jù)觀測結(jié)果，其強度完全可以達到高速公路和一級公路的標準要求[3]。

圖1為工業(yè)固廢赤泥原狀圖，圖2為赤泥路基試驗路，圖3為實驗段施工前技術(shù)交底，圖4為實驗段施工后專家評審。

圖1 工業(yè)固廢赤泥原狀圖

圖2 赤泥路基試驗路

圖3 試驗段施工前技術(shù)交底

圖4 試驗段施工后專家評審

6 結(jié)束語

本次研究內(nèi)容針對越來越多固體廢物再生品用于高速公路的現(xiàn)狀與未來預期，構(gòu)建固廢再生用于高速公路的全生命周期效益評估體系，旨在為以固廢再生品為主的高速公路的綠色建設(shè)起到積極作用，為山西省綠色交通的發(fā)展提供借鑒意義。

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