赤泥-煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能

工程科学学报，第40卷，第4期：438-445,2018年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.4:438-445,April 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.006:http://journals.ustb.edu.cn 赤泥一煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能 刘晓明D,唐彬文”，尹海峰”，Emile Mukiza) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学能源与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:iuxm@usth.cdu.cn 摘要以拜耳法赤泥、煤矸石和粉煤灰等工业固废为基本原料在实验室制备了一种公路路面基层材料，并研究了其力学性 能、耐久性能和环境性能.通过开展干湿循环以及冻融循环试验研究了该公路路面基层材料的耐久性能，并利用CP浸出试 验和放射性检测研究其环境性能.结果表明，赤泥一煤矸石基路面基层材料赤泥和煤矸石摻量之和75%、固废总摻量97%时， 7d养护后无侧限抗压强度达到6MPa以上；经过20个千湿循环后，矿渣掺量为5%的路面基层试块强度为5.98MPa,满足国 家标准：经过5个冻融循环后，路面基层材料的7d抗压强度仍然达到6.89MP,具有良好的耐久性能.浸出试验结果显示，浸 出液中Na'浓度均符合国家饮用水标准，同时浸出液中Z、Hg、Cu、P%、N等重金属均未检测出：放射性试验结果表明，试验所 用纯赤泥的放射性符合相应的国家标准.通过对该路面基层材料进行固碱分析以及能谱分析发现，硅铝体系能有效固结钠离 子.此公路路面基层材料具有良好的环境效益和社会效益，拓宽了路面基层材料的选材范围 关键词拜耳法赤泥：煤矸石：路面基层材料；耐久性能：环境性能 分类号TF09 Durability and environmental performance of Bayer red mud-coal gangue-based road base material LIU Xiao-ming,TANG Bin-wen,YIN Hai-feng,Emile Mukiza? 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Energy and Environment,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:liuxm@ustb.edu.cn ABSTRACT Red mud is the solid waste residue of bauxite ore digestion with caustic soda for alumina (Al,O,)production.China is currently the biggest producer of alumina worldwide.However,the comprehensive utilization rate of red mud is very low.Moreover, coal gangue is also a complex industrial solid waste,which is one of the largest in China.In this study,red mud,coal gangue,fly ash, and other industrial solid wastes were used to prepare a road base material in a laboratory to solve the environmental issues caused by these solid wastes.The mechanical and environmental properties and durability of Bayer red mud-coal gangue-based road base materials were investigated.Accordingly,20 drying and wetting cycles and five freezing and thawing cycles were used to study the durability of the road base material.An inductive coupled plasma emission spectrometer was adopted to analyze the leaching properties of the road base material,while scanning electron microscopy-energy-dispersive X-ray spectroscopy techniques were used to investigate its element distribution.The results show that the unconfined compressive strength of the road base material,which cures for 7 days,is over 6MPa and meets the strength requirement of the Chinese national standard when 75%red mud-coal gangue and 97%total solid wastes are added to the road base material.The strength of the road base material reaches 5.98 MPa after 20 drying and wetting cycles,thereby meeting the Chinese national standard.The strength still reaches 6.89 MPa after five freezing and thawing cycles.The leaching results indicate that the Na'content in leachate is much lower than that required by the Chinese national standard for drinking water quality. 收稿日期：201801-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574024)：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-BR-16026A)

工程科学学报，第 40 卷，第 4 期: 438--445，2018 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 40，No． 4: 438--445，April 2018 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2018． 04． 006; http: / /journals． ustb． edu． cn 赤泥--煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能 刘晓明1) ，唐彬文1) ，尹海峰1) ，Emile Mukiza2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: liuxm@ ustb． edu． cn 摘 要 以拜耳法赤泥、煤矸石和粉煤灰等工业固废为基本原料在实验室制备了一种公路路面基层材料，并研究了其力学性 能、耐久性能和环境性能． 通过开展干湿循环以及冻融循环试验研究了该公路路面基层材料的耐久性能，并利用 ICP 浸出试 验和放射性检测研究其环境性能． 结果表明，赤泥--煤矸石基路面基层材料赤泥和煤矸石掺量之和 75% 、固废总掺量 97% 时， 7 d 养护后无侧限抗压强度达到 6 MPa 以上; 经过 20 个干湿循环后，矿渣掺量为 5% 的路面基层试块强度为 5. 98 MPa，满足国 家标准; 经过 5 个冻融循环后，路面基层材料的 7 d 抗压强度仍然达到 6. 89 MPa，具有良好的耐久性能． 浸出试验结果显示，浸 出液中 Na + 浓度均符合国家饮用水标准，同时浸出液中 Zn、Hg、Cu、Pb、Ni 等重金属均未检测出; 放射性试验结果表明，试验所 用纯赤泥的放射性符合相应的国家标准． 通过对该路面基层材料进行固碱分析以及能谱分析发现，硅铝体系能有效固结钠离 子． 此公路路面基层材料具有良好的环境效益和社会效益，拓宽了路面基层材料的选材范围． 关键词 拜耳法赤泥; 煤矸石; 路面基层材料; 耐久性能; 环境性能 分类号 TF09 收稿日期: 2018--01--11 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51574024) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( FＲF--BＲ--16--026A) Durability and environmental performance of Bayer red mud--coal gangue-based road base material LIU Xiao-ming1)  ，TANG Bin-wen1) ，YIN Hai-feng1) ，Emile Mukiza2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Energy and Environment，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: liuxm@ ustb． edu． cn ABSTＲACT Ｒed mud is the solid waste residue of bauxite ore digestion with caustic soda for alumina ( Al2O3 ) production． China is currently the biggest producer of alumina worldwide． However，the comprehensive utilization rate of red mud is very low． Moreover， coal gangue is also a complex industrial solid waste，which is one of the largest in China． In this study，red mud，coal gangue，fly ash， and other industrial solid wastes were used to prepare a road base material in a laboratory to solve the environmental issues caused by these solid wastes． The mechanical and environmental properties and durability of Bayer red mud-coal gangue-based road base materials were investigated． Accordingly，20 drying and wetting cycles and five freezing and thawing cycles were used to study the durability of the road base material． An inductive coupled plasma emission spectrometer was adopted to analyze the leaching properties of the road base material，while scanning electron microscopy--energy-dispersive X-ray spectroscopy techniques were used to investigate its element distribution． The results show that the unconfined compressive strength of the road base material，which cures for 7 days，is over 6 MPa and meets the strength requirement of the Chinese national standard when 75% red mud--coal gangue and 97% total solid wastes are added to the road base material． The strength of the road base material reaches 5. 98 MPa after 20 drying and wetting cycles，thereby meeting the Chinese national standard． The strength still reaches 6. 89 MPa after five freezing and thawing cycles． The leaching results indicate that the Na + content in leachate is much lower than that required by the Chinese national standard for drinking water quality．

刘晓明等：赤泥一煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能 ·439· Meanwhile,the radioactivity results of the pure red mud used herein meet the Chinese national standard for outdoor building materials. The energy spectrum and the mechanism of the alkali fixation results show that the silicon aluminum system could be more effective in consolidating Na'.The silicon and aluminum contents in the red mud-coal gangue-based road base material are relatively high,ex- plaining the better Na'consolidation.The results show good environmental and social benefits that can provide more options for road base materials. KEY WORDS Bayer red mud;coal gangue;road base material;durability properties:environmental performance 赤泥是铝土矿生产氧化铝过程中产生的高碱性 60%~70%,而国内对煤矸石的综合利用率只有 的固体浸出物，由于铝土矿矿石品位的不一，每生产 30%左右) 1t氧化铝大约要产生1.0~1.8t的赤泥-.据统 在以往的公路路面基层建设过程中，大量使用 计，2016年我国氧化铝年产量已达6091万吨，赤泥 诸如石灰、水泥、石子等道路材料，这些材料无凝是 年产量达8000多万吨，成为全球第一大氧化铝生产 可行的，但如果可以利用赤泥和煤矸石等工业固体 国和赤泥排放国，截止2016年，我国赤泥堆存量已 废弃物生产道路材料，替代或部分替代应用在道路 达到3.5亿吨.大量堆存的赤泥不仅对生态环境造 工程中日渐紧俏和昂贵的水泥和沙石资源，将是道 成破坏，污染地表和地下水，同时也造成土壤碱化等 路建设和大宗利用工业固废的重要发展方向之 一系列问题，对氧化铝厂周边的居民造成严重的影 一.为了使氧化铝厂产生的赤泥得到资源化利 响.目前，根据生产方法的不同，可将氧化铝的 用，并结合我国有大量囤积的煤矸石这一现状，提出 生产工艺分为联合法、拜耳法和烧结法三种方法. 利用赤泥、煤矸石等工业固废制备生态耐久路面基 由于采用烧结法和联合法生产氧化铝产生的赤泥中 层材料.本文从力学性能、耐久性能、环境性能等方 2Ca0·Si0,等活性矿物组分较多，故可以将其大量应 面研究了赤泥一煤矸石基路面基层材料. 用于建筑材料的生产，而拜耳法赤泥的化学成分不 1试验方法 均衡，胶凝活性较低，不利于大宗利用，相较烧结法 赤泥更加难以资源循环利用 1.1试验原料 煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的一种固体废 试验用赤泥为山西华兴铝业有限公司的拜耳 弃物.我国仅2016年产生煤矸石约6.8亿吨，据不 法赤泥，所用煤矸石取自山西兴县煤矸石，水淬高 完全统计，2020年我国煤矸石产生量将达到7.29 炉矿渣取自山西中阳钢铁厂，赤泥、煤矸石、高炉 亿吨，煤矸石已经成为我国排放量和堆存量最大的 矿渣以及粉煤灰的化学成分采用日本岛津公司的 工业固废之一. 国外一些国家对煤矸石等工业固 X射线荧光光谱仪(XRF-1800)检测，结果如表1 废进行了较早的研究和利用，故利用率普遍能达到 所示 表1原料的主要化学成分组成（质量分数） Table 1 Main chemical composition of the raw materials % 原料 Si02 Fe203 Ca0 Al203 Mgo K20 Na,O TiOz S03 烧矢量 赤泥 23.02 17.59 12.06 20.52 0.21 0.54 10.49 2.58 0.42 10.93 煤矸石 50.82 1.70 1.08 30.94 0.34 1.08 0.17 1.32 1.04 11.25 粉煤灰 43.23 3.36 4.49 36.47 0.36 0.74 0.14 1.32 1.28 8.20 高炉矿渣 30.46 0.29 39.94 15.66 8.49 0.42 0.38 0.67 2.93 由表1可以发现，赤泥的主要化学组成为S02、 对比土壤分类标准发现，其物理性质与黏土的物理 Fe203和Al20,碱性Na20和Ca0含量也较高，所以 性质相似，由于拜耳法赤泥质软、粒度细，有较好的 赤泥呈碱性.使用X射线衍射仪(XRD)对粉磨后 塑性，因此拜耳法赤泥可替代黏土用来做路面基层 的赤泥进行分析，结果如图1所示，结果表明赤泥中 材料 的结晶态物质主要为赤铁矿、水化石榴石、钙霞石和 由表1可知，煤矸石的化学组成满足Si02、 水合铝硅酸钠.使用数显式土壤液塑限联合测定仪 Fe,03和Al,03总量（质量分数）大于70%的要求. 对拜耳法赤泥进行液塑限测定，结果表明拜耳法赤 根据《公路路基设计规范》(JTGD30一2015)中对煤 泥液限为57.79，塑限为37.55，塑性指数为20.24， 矸石路基填料的烧失量的要求（不应大于20%），可

刘晓明等: 赤泥--煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能 Meanwhile，the radioactivity results of the pure red mud used herein meet the Chinese national standard for outdoor building materials． The energy spectrum and the mechanism of the alkali fixation results show that the silicon aluminum system could be more effective in consolidating Na + ． The silicon and aluminum contents in the red mud--coal gangue-based road base material are relatively high，ex￾plaining the better Na + consolidation． The results show good environmental and social benefits that can provide more options for road base materials． KEY WOＲDS Bayer red mud; coal gangue; road base material; durability properties; environmental performance 赤泥是铝土矿生产氧化铝过程中产生的高碱性 的固体浸出物，由于铝土矿矿石品位的不一，每生产 1 t 氧化铝大约要产生 1. 0 ～ 1. 8 t 的赤泥［1--2］． 据统 计，2016 年我国氧化铝年产量已达 6091 万吨，赤泥 年产量达 8000 多万吨，成为全球第一大氧化铝生产 国和赤泥排放国，截止 2016 年，我国赤泥堆存量已 达到 3. 5 亿吨． 大量堆存的赤泥不仅对生态环境造 成破坏，污染地表和地下水，同时也造成土壤碱化等 一系列问题，对氧化铝厂周边的居民造成严重的影 响［3--4］． 目前，根据生产方法的不同，可将氧化铝的 生产工艺分为联合法、拜耳法和烧结法三种方法． 由于采用烧结法和联合法生产氧化铝产生的赤泥中 2CaO·SiO2等活性矿物组分较多，故可以将其大量应 用于建筑材料的生产，而拜耳法赤泥的化学成分不 均衡，胶凝活性较低，不利于大宗利用，相较烧结法 赤泥更加难以资源循环利用［5］． 煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的一种固体废 弃物． 我国仅 2016 年产生煤矸石约 6. 8 亿吨，据不 完全统计，2020 年我国煤矸石产生量将达到 7. 29 亿吨，煤矸石已经成为我国排放量和堆存量最大的 工业固废之一［6］． 国外一些国家对煤矸石等工业固 废进行了较早的研究和利用，故利用率普遍能达到 60% ～ 70% ，而国内对煤矸石的综合利用率只有 30% 左右［7］． 在以往的公路路面基层建设过程中，大量使用 诸如石灰、水泥、石子等道路材料，这些材料无疑是 可行的，但如果可以利用赤泥和煤矸石等工业固体 废弃物生产道路材料，替代或部分替代应用在道路 工程中日渐紧俏和昂贵的水泥和沙石资源，将是道 路建设和大宗利用工业固废的重要发展方向之 一［8--9］． 为了使氧化铝厂产生的赤泥得到资源化利 用，并结合我国有大量囤积的煤矸石这一现状，提出 利用赤泥、煤矸石等工业固废制备生态耐久路面基 层材料． 本文从力学性能、耐久性能、环境性能等方 面研究了赤泥--煤矸石基路面基层材料． 1 试验方法 1. 1 试验原料 试验用赤泥为山西华兴铝业有限公司的拜耳 法赤泥，所用煤矸石取自山西兴县煤矸石，水淬高 炉矿渣取自山西中阳钢铁厂，赤泥、煤矸石、高炉 矿渣以及粉煤灰的化学成分采用日本岛津公司的 X 射线荧光光谱仪( XＲF--1800) 检测，结果如表 1 所示． 表 1 原料的主要化学成分组成( 质量分数) Table 1 Main chemical composition of the raw materials % 原料 SiO2 Fe2O3 CaO Al2O3 MgO K2O Na2O TiO2 SO3 烧矢量 赤泥 23. 02 17. 59 12. 06 20. 52 0. 21 0. 54 10. 49 2. 58 0. 42 10. 93 煤矸石 50. 82 1. 70 1. 08 30. 94 0. 34 1. 08 0. 17 1. 32 1. 04 11. 25 粉煤灰 43. 23 3. 36 4. 49 36. 47 0. 36 0. 74 0. 14 1. 32 1. 28 8. 20 高炉矿渣 30. 46 0. 29 39. 94 15. 66 8. 49 0. 42 0. 38 0. 67 2. 93 — 由表 1 可以发现，赤泥的主要化学组成为 SiO2、 Fe2O3和 Al2O3，碱性 Na2O 和 CaO 含量也较高，所以 赤泥呈碱性． 使用 X 射线衍射仪( XＲD) 对粉磨后 的赤泥进行分析，结果如图 1 所示，结果表明赤泥中 的结晶态物质主要为赤铁矿、水化石榴石、钙霞石和 水合铝硅酸钠． 使用数显式土壤液塑限联合测定仪 对拜耳法赤泥进行液塑限测定，结果表明拜耳法赤 泥液限为 57. 79，塑限为 37. 55，塑性指数为 20. 24， 对比土壤分类标准发现，其物理性质与黏土的物理 性质相似，由于拜耳法赤泥质软、粒度细，有较好的 塑性，因此拜耳法赤泥可替代黏土用来做路面基层 材料． 由 表 1 可 知，煤矸石的化学组成满足 SiO2、 Fe2O3和 Al2 O3 总量( 质量分数) 大于 70% 的要求． 根据《公路路基设计规范》( JTG D30—2015) 中对煤 矸石路基填料的烧失量的要求( 不应大于 20% ) ，可 · 934 ·

·440 工程科学学报，第40卷，第4期 知试验采用的煤矸石烧失量满足要求.经过对煤矸 1)℃、相对湿度为(95±1)%的条件下养护至相应 石进行X射线衍射分析，结果如图2所示，发现煤 龄期，用于力学性能、耐久性能、环境性能等测试 矸石中主要矿物组成为石英和高岭石. 1.3力学性能试验及方法 粉煤灰中Si02和A山，03质量分数大于70%，含 重型击实试验按照《公路工程无机结合料稳定 碳量低于10%，满足作为道路材料使用的标准.矿 材料试验规程》(JTGE51一2009)执行，混合料的压 渣中的Ca0和Si02质量分数较大，约占了总量的 实密度和含水量直接影响着混合料的强度，采用重 70%,其次为A山203和Mg0,约占总量的25%.矿渣 型击实，分5层击实，每层击实59次.无侧限抗压 物相组成以玻璃态为主，且含有大量的非结晶态结 强度试验按照《公路路面基层施工技术细则》(TG一 构物质，有潜在的水硬胶凝性能，经激发剂作用后可 T-F20一2015)中的标准，试件养护第6天，应该将 显示出水硬胶凝性能0-☑ 试件浸泡水中，水的深度应使水面在试件顶面以上 3000 约2.5cm.泡水24h后即第7天，从水中取出并擦 1赤铁矿 2水化石榴石 拭干净，进行抗压强度试验.7d的无侧限抗压强度 2500 3钙霞石 4水合铝硅酸钠 是无机结合料稳定材料重要的技术指标. 1.4耐久性能试验及方法 1500 1.4.1千湿循环 养护28d试件用于干湿循环试验，试件浸水 1000 (常温)5h,然后放入烘干箱，70℃条件下烘干42h, 随后空气中干燥1h,此为一个循环(48h).测试抗 压强度前应浸水2h,空气干燥至少2h.分别测试 30 50 209 1、3、6、9、15和20个循环后的无侧限抗压强度，与 图1赤泥的X射线衍射谱图 未进行干湿循环的试件抗压强度比较，以研究干湿 Fig.1 X-tay diffraction patter of red mud 循环对抗压强度的影响 1.4.2冻融循环 10000 1石英 分别将冻融组试件，按编号开始冻融试验.可 2高岭石 程式恒温恒湿试验机温度为-18℃，冻结时间为16 8000H h,保证试件周围20mm空隙，有利于冷空气流通. 6000 冻结试验结束后，取出试件量高称重：然后立即放入 20℃的水槽进行融化，融化时间为8h,槽中水面至 4000 少高出试件表面20mm,融化完毕，取出试件擦干后 量高、称质量，为一次冻融循环结束.然后放入可程 2000 式恒温恒湿试验机进行第二次冻融循环.龄期28 60 80 100 d,冻融5次循环.达到规定循环次数进行抗压强度 20M9 (RDC)试验. 图2煤矸石的X射线衍射谱图 1.5环境性能试验及方法 Fig.2 X-ray diffraction pattern of coal gangue 1.5.1浸出试验 1.2制备路面基层材料 参照H田/T300一2007《個体废物浸出毒性浸出 试验过程为将拜耳法赤泥与粉煤灰混合，破碎 方法醋酸缓冲溶液法》，将样品破碎，通过9.5mm 后，加水搅拌均匀.将煤矸石破碎至0~4.75、4.75 筛，确定使用何种浸提剂后，称取75~100g试样，置 ~9.5、9.5~19.5mm三个粒径，按照一定级配筛分 于容积为2L的提取瓶中，按液固比为20：1(L· 后与矿渣和赤泥粉煤灰混合料按一定比例混合搅拌 kg)加入蒸馏水作为浸提剂，盖紧瓶盖后固定在翻 均匀，同时使其含水量达到施工道路材料要求，闷料 转式振荡装置，调节转速为30±2r·min-1,于23± 24h.依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规 2℃下振荡18±2h,过滤并收集浸出液，摇匀后供分 程》(JTGE51一2009)中的试验方法，在试验时加入 析用. 少量的水泥，按照标注方法将结合料压制成型，试件 1.5.2放射性试验 规格为50mm×50mm圆柱形，试件成型后在(20± 依据国家标准GB6566一2010《建筑材料放射

工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 知试验采用的煤矸石烧失量满足要求． 经过对煤矸 石进行 X 射线衍射分析，结果如图 2 所示，发现煤 矸石中主要矿物组成为石英和高岭石． 粉煤灰中 SiO2和 Al2O3质量分数大于 70% ，含 碳量低于 10% ，满足作为道路材料使用的标准． 矿 渣中的 CaO 和 SiO2 质量分数较大，约占了总量的 70% ，其次为 Al2O3和 MgO，约占总量的 25% ． 矿渣 物相组成以玻璃态为主，且含有大量的非结晶态结 构物质，有潜在的水硬胶凝性能，经激发剂作用后可 显示出水硬胶凝性能［10--12］． 图 1 赤泥的 X 射线衍射谱图 Fig． 1 X-ray diffraction pattern of red mud 图 2 煤矸石的 X 射线衍射谱图 Fig． 2 X-ray diffraction pattern of coal gangue 1. 2 制备路面基层材料 试验过程为将拜耳法赤泥与粉煤灰混合，破碎 后，加水搅拌均匀． 将煤矸石破碎至 0 ～ 4. 75、4. 75 ～ 9. 5、9. 5 ～ 19. 5 mm 三个粒径，按照一定级配筛分 后与矿渣和赤泥粉煤灰混合料按一定比例混合搅拌 均匀，同时使其含水量达到施工道路材料要求，闷料 24 h． 依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规 程》( JTG E51—2009) 中的试验方法，在试验时加入 少量的水泥，按照标注方法将结合料压制成型，试件 规格为 50 mm × 50 mm 圆柱形，试件成型后在( 20 ± 1) ℃、相对湿度为( 95 ± 1) % 的条件下养护至相应 龄期，用于力学性能、耐久性能、环境性能等测试． 1. 3 力学性能试验及方法 重型击实试验按照《公路工程无机结合料稳定 材料试验规程》( JTG E51—2009) 执行，混合料的压 实密度和含水量直接影响着混合料的强度，采用重 型击实，分 5 层击实，每层击实 59 次． 无侧限抗压 强度试验按照《公路路面基层施工技术细则》( JTG-- T--F20—2015) 中的标准，试件养护第 6 天，应该将 试件浸泡水中，水的深度应使水面在试件顶面以上 约 2. 5 cm． 泡水 24 h 后即第 7 天，从水中取出并擦 拭干净，进行抗压强度试验． 7 d 的无侧限抗压强度 是无机结合料稳定材料重要的技术指标． 1. 4 耐久性能试验及方法 1. 4. 1 干湿循环 养护 28 d 试件用于干湿循环试验，试件浸水 ( 常温) 5 h，然后放入烘干箱，70 ℃条件下烘干 42 h， 随后空气中干燥 1 h，此为一个循环( 48 h) ． 测试抗 压强度前应浸水 2 h，空气干燥至少 2 h． 分别测试 1、3、6、9、15 和 20 个循环后的无侧限抗压强度，与 未进行干湿循环的试件抗压强度比较，以研究干湿 循环对抗压强度的影响． 1. 4. 2 冻融循环 分别将冻融组试件，按编号开始冻融试验． 可 程式恒温恒湿试验机温度为 － 18 ℃，冻结时间为 16 h，保证试件周围 20 mm 空隙，有利于冷空气流通． 冻结试验结束后，取出试件量高称重; 然后立即放入 20 ℃的水槽进行融化，融化时间为 8 h，槽中水面至 少高出试件表面 20 mm，融化完毕，取出试件擦干后 量高、称质量，为一次冻融循环结束． 然后放入可程 式恒温恒湿试验机进行第二次冻融循环． 龄期 28 d，冻融 5 次循环． 达到规定循环次数进行抗压强度 ( ＲDC) 试验． 1. 5 环境性能试验及方法 1. 5. 1 浸出试验 参照 HJ /T 300—2007《固体废物浸出毒性浸出 方法醋酸缓冲溶液法》，将样品破碎，通过 9. 5 mm 筛，确定使用何种浸提剂后，称取 75 ～ 100 g 试样，置 于容积为 2 L 的提取瓶中，按液固比为 20 ∶ 1 ( L· kg － 1 ) 加入蒸馏水作为浸提剂，盖紧瓶盖后固定在翻 转式振荡装置，调节转速为 30 ± 2 r·min － 1，于 23 ± 2 ℃下振荡 18 ± 2 h，过滤并收集浸出液，摇匀后供分 析用． 1. 5. 2 放射性试验 依据国家标准 GB6566—2010 《建筑材料放射 · 044 ·

刘晓明等：赤泥一煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能 ·441· 性核素限量》的标准在国家建筑材料测试中心和山 需要对路面基层的基本物理力学性能进行研究，还 西省水泥质检站分别进行放射性检测. 需研究路面基层材料的抗冻性和抗干湿循环能力. 2.2.1矿渣掺量对路面基层材料强度的影响 2结果与分析 试验研究了不同矿渣掺量对路面基层材料强度 2.1力学性能 的影响，通过改变矿渣占路面基层材料中比例，研究 使用三个不同配比的路面基层材料进行了击实 不同矿渣掺量对路面基层材料物理力学性能的影 试验与无侧限抗压强度试验.击实试验显示三个不 响，矿渣掺量分别为2%、5%和8%.由图3可以得 同配比的路面基层材料最大干密度分别为1.824、 出，三种配比路面基层材料的无侧限抗压强度均随 1.792和1.832g·cm3,最佳含水率质量分数分别 养护时间的延长而增加，且早期强度增加十分明显， 为16.2%、17.4%和16.6%.无侧限抗压强度结果 养护14d后，养护时间对强度增加影响较小：2%矿 显示，当配比为赤泥掺（质量分数）30%，矿渣掺 渣掺量的路面基层材料经过不同养护时间后的强度 5%,此时的最大干密度为1.832gcm3,最佳含水 明显低于5%和8%矿渣掺量的路面基层材料的相 率为16.6%时，7d的抗压强度效果最好，为6.37 应强度：当路面基层材料的矿渣掺量分别为5%和 MPa.超过国家标准规定的7d无侧限抗压强度 8%时，它们的强度随养护时间延长的增长趋势几乎 要求 相同，因此从力学性能和经济效益的角度考虑，赤泥 试验研究了不同水泥掺量对路面基层材料强度 煤矸石基路面基层材料的最佳矿渣掺量为5%. 的影响.对以最优配比为标准掺加不同水泥含量在 矿渣质量分数2% 标准条件下养护至7d的路面基层试件进行无侧限 分数5% 一可矿渣质量分数8% 抗压强度测试，结果如表2所示.由表2可以得出， 水泥掺量对路面基层材料的力学性能有较大影响， 当水泥掺量为1%时7d抗压强度为2.95MPa,并不 满足国家标准对路面基层养护7d的强度标准，当 水泥掺量为3%、5%和7%时，7d抗压强度随水泥 掺量的增加而增加，分别为6.37、6.95和7.81MPa, 强度满足国家标准，但是增加效果不明显。这是因 10152025 30 为粉磨后的矿渣，潜在的活性被激发出来.矿渣和 养护时间 水泥对路面基层材料强度的提高主要取决于火山灰 图3不同矿渣掺量路面基层材料无侧限抗压强度随养护时间 效应和微集料效应).考虑到要尽可能少的使用 变化的趋势 水泥等能耗较高的原料，故掺3%水泥就可以满足 Fig.3 Unconfined compressive strength of the road base materials varying with the curing time 国家标准并能很好的提高赤泥一煤矸石基路面基层 材料的无侧限抗压强度 2.2.2 干湿循环 干湿循环是路面基层材料耐久性的一个重要试 表2水泥掺量对路面基层材料无侧限抗压强度的影响 Table 2 Effect of the cement content on the unconfined compressive 验，路面基层材料受气候条件的影响，南方夏季多雨 strength of the road base materials 且高温，经常处于干湿交替状态，材料中水分不断变 配比 水泥掺量（质量分数）1%7d无侧限抗压强度/MPa 化，水对高等级路面基层的强度和稳定性具有较大 1 2.95 影响，会引起路面基层中混合料的膨胀和收缩，因此 b 6.37 需对路面基层材料的抗干湿能力进行研究. 6.95 本文对矿渣掺量分别为2%、5%和8%，养护 d > 7.81 28d后的试块进行干湿循环试验，研究不同配比条 件下无侧限抗压强度与质量损失随干湿循环次数增 2.2耐久性能 加的变化.图4和图5分别为不同矿渣掺量路面基 半刚性基层具有强度与承载能力较高、水稳定 层材料抗压强度与质量损失随干湿循环次数变化的 性好等特点，运用于北方，需要经历漫长冬季的考 趋势，可以看出矿渣掺量为2%、5%和8%时，试块 验，若运用于南方，南方多雨且夏季漫长，路面基层 的强度随干湿循环次数的增加先增加后下降，质量 材料长时间处于一种干湿循环的状态.因此，除了 损失基本随循环次数的增加而增加.0到3个循环

刘晓明等: 赤泥--煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能 性核素限量》的标准在国家建筑材料测试中心和山 西省水泥质检站分别进行放射性检测． 2 结果与分析 2. 1 力学性能 使用三个不同配比的路面基层材料进行了击实 试验与无侧限抗压强度试验． 击实试验显示三个不 同配比的路面基层材料最大干密度分别为 1. 824、 1. 792 和 1. 832 g·cm － 3，最佳含水率质量分数分别 为 16. 2% 、17. 4% 和 16. 6% ． 无侧限抗压强度结果 显示，当配比为赤泥掺( 质量分数) 30% ，矿渣掺 5% ，此时的最大干密度为 1. 832 g·cm － 3，最佳含水 率为 16. 6% 时，7 d 的抗压强度效果最好，为 6. 37 MPa． 超过国家标准规定的 7 d 无侧限抗压强度 要求． 试验研究了不同水泥掺量对路面基层材料强度 的影响． 对以最优配比为标准掺加不同水泥含量在 标准条件下养护至 7 d 的路面基层试件进行无侧限 抗压强度测试，结果如表 2 所示． 由表 2 可以得出， 水泥掺量对路面基层材料的力学性能有较大影响， 当水泥掺量为 1% 时 7 d 抗压强度为 2. 95 MPa，并不 满足国家标准对路面基层养护 7 d 的强度标准，当 水泥掺量为 3% 、5% 和 7% 时，7 d 抗压强度随水泥 掺量的增加而增加，分别为 6. 37、6. 95 和 7. 81 MPa， 强度满足国家标准，但是增加效果不明显． 这是因 为粉磨后的矿渣，潜在的活性被激发出来． 矿渣和 水泥对路面基层材料强度的提高主要取决于火山灰 效应和微集料效应［13］． 考虑到要尽可能少的使用 水泥等能耗较高的原料，故掺 3% 水泥就可以满足 国家标准并能很好的提高赤泥--煤矸石基路面基层 材料的无侧限抗压强度． 表 2 水泥掺量对路面基层材料无侧限抗压强度的影响 Table 2 Effect of the cement content on the unconfined compressive strength of the road base materials 配比 水泥掺量( 质量分数) /% 7 d 无侧限抗压强度/MPa a 1 2. 95 b 3 6. 37 c 5 6. 95 d 7 7. 81 2. 2 耐久性能 半刚性基层具有强度与承载能力较高、水稳定 性好等特点，运用于北方，需要经历漫长冬季的考 验，若运用于南方，南方多雨且夏季漫长，路面基层 材料长时间处于一种干湿循环的状态． 因此，除了 需要对路面基层的基本物理力学性能进行研究，还 需研究路面基层材料的抗冻性和抗干湿循环能力． 2. 2. 1 矿渣掺量对路面基层材料强度的影响 试验研究了不同矿渣掺量对路面基层材料强度 的影响，通过改变矿渣占路面基层材料中比例，研究 不同矿渣掺量对路面基层材料物理力学性能的影 响，矿渣掺量分别为 2% 、5% 和 8% ． 由图 3 可以得 出，三种配比路面基层材料的无侧限抗压强度均随 养护时间的延长而增加，且早期强度增加十分明显， 养护 14 d 后，养护时间对强度增加影响较小; 2% 矿 渣掺量的路面基层材料经过不同养护时间后的强度 明显低于 5% 和 8% 矿渣掺量的路面基层材料的相 应强度; 当路面基层材料的矿渣掺量分别为 5% 和 8% 时，它们的强度随养护时间延长的增长趋势几乎 相同，因此从力学性能和经济效益的角度考虑，赤泥 煤矸石基路面基层材料的最佳矿渣掺量为 5% ． 图 3 不同矿渣掺量路面基层材料无侧限抗压强度随养护时间 变化的趋势 Fig． 3 Unconfined compressive strength of the road base materials varying with the curing time 2. 2. 2 干湿循环 干湿循环是路面基层材料耐久性的一个重要试 验，路面基层材料受气候条件的影响，南方夏季多雨 且高温，经常处于干湿交替状态，材料中水分不断变 化，水对高等级路面基层的强度和稳定性具有较大 影响，会引起路面基层中混合料的膨胀和收缩，因此 需对路面基层材料的抗干湿能力进行研究． 本文对矿渣掺量分别为 2% 、5% 和 8% ，养护 28 d 后的试块进行干湿循环试验，研究不同配比条 件下无侧限抗压强度与质量损失随干湿循环次数增 加的变化． 图 4 和图 5 分别为不同矿渣掺量路面基 层材料抗压强度与质量损失随干湿循环次数变化的 趋势，可以看出矿渣掺量为 2% 、5% 和 8% 时，试块 的强度随干湿循环次数的增加先增加后下降，质量 损失基本随循环次数的增加而增加． 0 到 3 个循环 · 144 ·

·442 工程科学学报，第40卷，第4期 内，试块的强度随循环次数的增加而增加，第3个循 度最大，这是质量损失（代表结构变化）与水化反应 环之后强度逐渐开始下降，可将强度变化归结于水 共同作用决定的，可以解释为前3个循环水化反应 化反应与试件结构变化的复合作用. 占主导作用，生成的水化产物质量增加，所以强度增 前3个循环的强度发展主要是与干湿循环试验 大，从而减少了质量损失 方法有关，试块浸水和70℃烘干均有利于水化产物 整体而言，矿渣掺量为5%和8%的路面基层材 的产生，抗压强度的增加是因为浸水促进了水化产 料抵抗干湿循环的能力优于掺量2%的矿渣，且结 物的生成，且70℃烘干增加了反应速度，该阶段试 合经济性考虑，矿渣掺量为5%的路面基层材料经 件表面和内部结构变化不大，水化反应和结构变化 过20个干湿循环后强度为5.98MPa,仍然满足国家 复合作用有利于强度的增加.3个循环之后试块的 标准，因此具有良好的耐久性能 强度随循环次数的增加而下降.是由于第3个循环 一矿渣质量分数2% 之后，试块水化反应与结构变化的复合作用不利于 查质量分数5% 广济质分新8% 强度的增加，3个循环之后，试块经历多次干湿循环 12 后，表面和内部产生孔隙，造成物料之间结合的紧密 10 度降低，从而导致强度下降.第3个循环至第6个 循环，强度有明显的下降，同时质量损失增加明显，6 个循环之后强度缓慢下降，质量损失增加缓慢，说明 强度下降和质量损失导致了试块结构的变化.从图 5中可以看出第三个干湿循环的质量损失较第一个 循环质量损失小，结合其无侧限抗压强度与质量损 912 15 1821 干湿循环次数 失综合分析，第3个循环质量损失最小，而相应的强 图5不同矿渣掺量路面基层材料质量损失随干湿循环次数变 ■一矿渣质量分数2% 化的趋势 量分数5% 2 矿渣质量分数8% Fig.5 Mass loss of the road base materials varying with the number of wetting-drying cycles 2.2.3冻融稳定性 由于季节交替，故应考虑路面基层材料的抗冻 性能.分别选择不同高炉矿渣掺量考察路面基层材 料的抗冻性能，冻融循环试验结果见表3.半刚性材 料的抗冻性指标按下式. 91215 干湿循环次数 BDR= x100% R。 图4不同矿渣掺量路面基层材料无侧限抗压强度随干湿循环 式中，BDR为经n次冻融循环后试件的抗压强度变 次数变化的趋势 Fig.4 Unconfined compressive strength of the road base material va- 化；Rc为n次冻融循环后试件的抗压强度，MPa;Rc rying with the number of wetting-drying cycles 为对比试件抗压强度，MPa 表3冻融循环试验结果 Table 3 Results of the freeze-thaw test 质量/g 无侧限抗压强度/MPa 质量变化/ 矿渣掺量/% BDR/% 循环次数 冻前 冻后 冻前 冻后 % 2 206.35 207.45 7.37 4.93 0.53 66.89 5 207.68 209.41 9.97 6.89 0.83 69.11 5 8 204.97 207.16 10.44 7.54 1.06 72.22 5 由表3可以看出，试件经5次冻融循环后并无 到6.89MPa和7.54MPa,抗冻性能很好.也就意味 质量损失，掺5%和8%矿渣的路面基层材料经过5 着，随着矿渣掺量的增加，路面基层材料经冻融循环 次循环后强度依然满足标准，其抗压强度依然能达 后强度损失减少，因此该路面基层材料具有良好的

工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 内，试块的强度随循环次数的增加而增加，第 3 个循 环之后强度逐渐开始下降，可将强度变化归结于水 化反应与试件结构变化的复合作用． 前 3 个循环的强度发展主要是与干湿循环试验 方法有关，试块浸水和 70 ℃烘干均有利于水化产物 的产生，抗压强度的增加是因为浸水促进了水化产 物的生成，且 70 ℃ 烘干增加了反应速度，该阶段试 件表面和内部结构变化不大，水化反应和结构变化 复合作用有利于强度的增加． 3 个循环之后试块的 强度随循环次数的增加而下降． 是由于第 3 个循环 之后，试块水化反应与结构变化的复合作用不利于 强度的增加，3 个循环之后，试块经历多次干湿循环 后，表面和内部产生孔隙，造成物料之间结合的紧密 度降低，从而导致强度下降． 第 3 个循环至第 6 个 循环，强度有明显的下降，同时质量损失增加明显，6 个循环之后强度缓慢下降，质量损失增加缓慢，说明 强度下降和质量损失导致了试块结构的变化． 从图 5 中可以看出第三个干湿循环的质量损失较第一个 循环质量损失小，结合其无侧限抗压强度与质量损 失综合分析，第 3 个循环质量损失最小，而相应的强 图 4 不同矿渣掺量路面基层材料无侧限抗压强度随干湿循环 次数变化的趋势 Fig． 4 Unconfined compressive strength of the road base material va￾rying with the number of wetting--drying cycles 度最大，这是质量损失( 代表结构变化) 与水化反应 共同作用决定的，可以解释为前 3 个循环水化反应 占主导作用，生成的水化产物质量增加，所以强度增 大，从而减少了质量损失． 整体而言，矿渣掺量为 5% 和 8% 的路面基层材 料抵抗干湿循环的能力优于掺量 2% 的矿渣，且结 合经济性考虑，矿渣掺量为 5% 的路面基层材料经 过 20 个干湿循环后强度为 5. 98 MPa，仍然满足国家 标准，因此具有良好的耐久性能． 图 5 不同矿渣掺量路面基层材料质量损失随干湿循环次数变 化的趋势 Fig． 5 Mass loss of the road base materials varying with the number of wetting--drying cycles 2. 2. 3 冻融稳定性 由于季节交替，故应考虑路面基层材料的抗冻 性能． 分别选择不同高炉矿渣掺量考察路面基层材 料的抗冻性能，冻融循环试验结果见表 3． 半刚性材 料的抗冻性指标按下式． BDＲ = ＲDC ＲC × 100% 式中，BDＲ 为经 n 次冻融循环后试件的抗压强度变 化; ＲDC为 n 次冻融循环后试件的抗压强度，MPa; ＲC 为对比试件抗压强度，MPa． 表 3 冻融循环试验结果 Table 3 Ｒesults of the freeze--thaw test 矿渣掺量/% 质量/g 无侧限抗压强度/MPa 冻前 冻后 冻前 冻后 质量变化/ % BDＲ /% 循环次数 2 206. 35 207. 45 7. 37 4. 93 0. 53 66. 89 5 5 207. 68 209. 41 9. 97 6. 89 0. 83 69. 11 5 8 204. 97 207. 16 10. 44 7. 54 1. 06 72. 22 5 由表 3 可以看出，试件经 5 次冻融循环后并无 质量损失，掺 5% 和 8% 矿渣的路面基层材料经过 5 次循环后强度依然满足标准，其抗压强度依然能达 到 6. 89 MPa 和 7. 54 MPa，抗冻性能很好． 也就意味 着，随着矿渣掺量的增加，路面基层材料经冻融循环 后强度损失减少，因此该路面基层材料具有良好的 · 244 ·

刘晓明等：赤泥一煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能 ·443· 抗冻性. 表5纯赤泥放射性测试结果 2.3路面基层材料环境性能 Table 5 Radioactive results of the raw red mud 拜耳法赤泥是铝土矿经强碱浸出氧化铝后产生 r国家标准 样本 r检测值 检测机构 (室外用途) 的残渣，Na含量较高，为强碱性化学物质，这也决 2.6 国家建材测试中心 定了其对生物和硅质材料的强腐蚀性，同时，拜耳法 纯赤泥 <2.8 1.8 山西省水泥质检站 赤泥若处理不好，会有大量废碱液渗透到附近土壤， 造成土壤碱化，地表水和地下水也会受到污染.因 2.4能谱分析及固碱机理 此，需对赤泥制备路面基层材料的环境性能进行 使用能谱仪（energ罗dispersive spectrometer, 研究. EDS)对本文最优配比（赤泥和煤矸石掺量之和为 2.3.1浸出试验 75%(质量分数))养护7d的路面基层材料取一个 元素的面分布可以观察到不同元素在微区的分 微区进行元素的面分布分析，旨在探讨该路面基层 布，定性判断材料的固碱性能，但仍需对碱的溶出程 材料的固碱机理.微区扫描电镜图如图6所示，各 度进行定量研究，本文采用醋酸缓冲溶液法研究了 元素面分布图见图7.扫描电镜图中，可清晰的看见 最优配比路面基层材料的重金属浸出情况，使用蒸 絮状水化产物、针状或者棒状钙矾石存在.水化产 馏水作为浸提剂，用蒸馏水浸泡整块路面基层材料 物将煤矸石与其他混合料紧密的粘结在一起，形成 研究Na浸出情况，结果见表4. 了具有一定机械强度的结构 表4赤泥一煤矸石基路面基层材料浸出试验结果 Table 4 Leaching results of the red mud-coal gangue-based road base material 浸泡时间/d 浸出液Na·的质量浓度/(mgL1) 0 397.20 1 3.55 7 28.65 4 39.16 20CW2803D14tm10m 90 49.83 图6最优配比路面基层材料养护7d扫描电镜图 由表4可知，未养护试块浸出液超出国家生活 Fig.6 SEM picture of the optimal road base materials cured after 7 days 饮用水卫生标准(GB5749一2006)中对Na质量浓 度的限定(200mg·L-1),而赤泥煤矸石路面基层材 观察元素面分布图可以得出微区中Na出现在 料养护7d后试块浸泡1、7、14和90d的浸出液中 Al和Si同时存在的地方，三种元素几乎重合，且Ca Na含量均符合国家标准，从而说明该路面基层材 离子也与这三种离子大致重合，这是因为Al和Si 料具有良好的环境性能.同时浸出液中Zn、Hg、Cu、 形成的硅铝体系能有效的固结钠离子，因此该材料 P%、Ni等重金属均未检测出 具有较好的固结Na的能力.所以，赤泥-煤矸石基 2.3.2放射性试验 路面基层材料具有良好的环境友好性能 根据国标《建筑材料放射性核素限量》 多种工业固体废弃物（赤泥、煤矸石、粉煤灰、 GB6566一2010规定，赤泥路面基层材料（室外其他 矿渣等)在复合协同效应作用下，赤泥和煤矸石参 用途的建筑材料)放射性要求为外照射指数≤ 量之和达到75%时，路面基层材料的各项性能能够 2.8. 满足国家施工标准的要求.这是由于在物料复合协 根据此标准，对山西华兴铝业有限公司的纯赤 同效应作用下可使物料的潜在活性得以充分发挥， 泥原材料通过国家建材测试中心和山西水泥质检站 同时，硅铝体系对赤泥中的Na实现了有效的固 两个不同测试单位做放射性检测，检测结果如表5 结.通过利用赤泥中的碱对其他固体废弃物的 所示，可以发现，即使是纯赤泥的放射性也符合相应 激发作用，在物料复合协同效应作用下形成非晶或 国家标准，相对的路面基层材料的放射性会更小，故 微晶态的硅酸盐网络聚合体的，同时，Na+在硅铝 该路面基层材料符合国标对放射性的要求. 体系中因电荷平衡以化学固溶的形式固结下来

刘晓明等: 赤泥--煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能 抗冻性． 2. 3 路面基层材料环境性能 拜耳法赤泥是铝土矿经强碱浸出氧化铝后产生 的残渣，Na + 含量较高，为强碱性化学物质，这也决 定了其对生物和硅质材料的强腐蚀性，同时，拜耳法 赤泥若处理不好，会有大量废碱液渗透到附近土壤， 造成土壤碱化，地表水和地下水也会受到污染． 因 此，需对赤泥制备路面基层材料的环境性能进行 研究． 2. 3. 1 浸出试验 元素的面分布可以观察到不同元素在微区的分 布，定性判断材料的固碱性能，但仍需对碱的溶出程 度进行定量研究，本文采用醋酸缓冲溶液法研究了 最优配比路面基层材料的重金属浸出情况，使用蒸 馏水作为浸提剂，用蒸馏水浸泡整块路面基层材料 研究 Na + 浸出情况，结果见表 4． 表 4 赤泥--煤矸石基路面基层材料浸出试验结果 Table 4 Leaching results of the red mud--coal gangue-based road base material 浸泡时间/ d 浸出液 Na + 的质量浓度/( mg·L － 1 ) 0 397. 20 1 3. 55 7 28. 65 14 39. 16 90 49. 83 由表 4 可知，未养护试块浸出液超出国家生活 饮用水卫生标准( GB5749—2006) 中对 Na + 质量浓 度的限定( 200 mg·L － 1 ) ，而赤泥煤矸石路面基层材 料养护 7 d 后试块浸泡 1、7、14 和 90 d 的浸出液中 Na + 含量均符合国家标准，从而说明该路面基层材 料具有良好的环境性能． 同时浸出液中 Zn、Hg、Cu、 Pb、Ni 等重金属均未检测出． 2. 3. 2 放射性试验 根据 国 标《建筑材料放射性核素限量 》 GB6566—2010 规定，赤泥路面基层材料( 室外其他 用途的建筑材料) 放射性要求为外照射指数 Ir≤ 2. 8． 根据此标准，对山西华兴铝业有限公司的纯赤 泥原材料通过国家建材测试中心和山西水泥质检站 两个不同测试单位做放射性检测，检测结果如表 5 所示，可以发现，即使是纯赤泥的放射性也符合相应 国家标准，相对的路面基层材料的放射性会更小，故 该路面基层材料符合国标对放射性的要求． 表 5 纯赤泥放射性测试结果 Table 5 Ｒadioactive results of the raw red mud 样本 Ir 国家标准 ( 室外用途) Ir 检测值 检测机构 纯赤泥 ＜ 2. 8 2. 6 国家建材测试中心 1. 8 山西省水泥质检站 2. 4 能谱分析及固碱机理 使 用 能 谱 仪 ( energy dispersive spectrometer， EDS) 对本文最优配比( 赤泥和煤矸石掺量之和为 75% ( 质量分数) ) 养护 7 d 的路面基层材料取一个 微区进行元素的面分布分析，旨在探讨该路面基层 材料的固碱机理． 微区扫描电镜图如图 6 所示，各 元素面分布图见图 7． 扫描电镜图中，可清晰的看见 絮状水化产物、针状或者棒状钙矾石存在． 水化产 物将煤矸石与其他混合料紧密的粘结在一起，形成 了具有一定机械强度的结构［13］． 图 6 最优配比路面基层材料养护 7 d 扫描电镜图 Fig． 6 SEM picture of the optimal road base materials cured after 7 days 观察元素面分布图可以得出微区中 Na 出现在 Al 和 Si 同时存在的地方，三种元素几乎重合，且 Ca 离子也与这三种离子大致重合，这是因为 Al 和 Si 形成的硅铝体系能有效的固结钠离子，因此该材料 具有较好的固结 Na 的能力． 所以，赤泥--煤矸石基 路面基层材料具有良好的环境友好性能． 多种工业固体废弃物( 赤泥、煤矸石、粉煤灰、 矿渣等) 在复合协同效应作用下，赤泥和煤矸石掺 量之和达到 75% 时，路面基层材料的各项性能能够 满足国家施工标准的要求． 这是由于在物料复合协 同效应作用下可使物料的潜在活性得以充分发挥， 同时，硅铝体系对赤泥中的 Na + 实现了有效的固 结［14］． 通过利用赤泥中的碱对其他固体废弃物的 激发作用，在物料复合协同效应作用下形成非晶或 微晶态的硅酸盐网络聚合体［15］，同时，Na + 在硅铝 体系中因电荷平衡以化学固溶的形式固结下来． · 344 ·

·444· 工程科学学报，第40卷，第4期 Ca K 6 NaK AIK SiK 图7最优配比路面基层材料养护7d微区Ca,Na,Al,Si面分布图 Fig.7 Seven-day micro area of the Ca,Na,Al,and Si surface distribution map for the road base material with optimal recipe with roasting and water leaching.J Hazard Mater,2015,286:85 3结论 2]Liu W C,Chen X Q,Li W X,et al.Environmental assessment, (1)本试验条件下，赤泥煤矸石掺量之和为 management and utilization of red mud in China.I Cleaner Prod, 2014,84:606 75%,固体废弃物总掺量为97%时，路面基层材料 B]Xu WQ,Yan Y,Pan X L,et al.Current situation and develop- 的7d无侧限抗压强度可超过6MPa,力学性能良 ment trend of largescale production technology of alumina in Chi- 好，满足相应国家标准 na.Conserv Utiliz Miner Resour,2017(1):108 (2)试验中的路面基层材料矿渣掺量为5% (许文强，嫣艳，潘晓林，等。中国氧化铝生产技术大型化发 时，经过20个干湿循环后无侧限抗压强度为5.98 展现状与趋势.矿产保护与利用，2017(1)：108) MPa,仍能满足国家标准：经5次冻融循环后7d无 田 Zhang D,Yu H Y,Pan X L,et al.Effect of alumina existing for- mation on mineralogical transformation of sintered clinker with low 侧限抗压强度仍能达到6.89MPa,具有良好的抗冻 lime dosage.Chin J Nonferrous Met,2015,25(12):3497 性能，因此该路面基层材料具有良好的耐久性能. (张迪，于海燕，潘晓林，等.氧化铝赋存形式对低钙烧结熟 (3)赤泥煤矸石路面基层材料养护7d后浸泡 料矿相转化的影响.中国有色金属学报，2015,25(12)： 1、7和14d的浸出液中Na浓度均远低于国家生活 3497) 饮用水的标准，浸出液中Zn、Hg、Cu、P、Ni等重金 ⊙ Guo Y X,Zhao Q,Yan K Z,et al.Novel process for alumina ex- traction via the coupling treatment of coal gangue and bauxite red 属元素均未检测出；放射性检测结果显示，该基层材 mud.Ind Eng Chem Res,2014,53(11)4518 料符合国家标准中对室外其他用途建筑材料的要求 6 Ji H P,Fang M H,Huang Z H,et al.Phase transformation of (4)固碱分析与能谱分析结果表明，硅铝体系 coal gangue by aluminothermic reduction nitridation:influence of 能够有效的固结钠离子，而赤泥一煤矸石基路面基 sintering temperature and aluminum content.Appl Clay Sci,2014, 101:94 层材料硅铝元素含量较高，从而解释了该基层材料 [] Liu X M,Li Y,Sun HH,et al.Effect of oil shale on Na'solidi- 固结Na较好的原因. fication of red mudfly ash cementitious material.Shanghai Jiao- tong Univ Sci,2012,17(6):723 参考文献 8]Chen F.Comparison of Performance of Road Base Materials Made [Zhu X B,Li W,Guan X M.An active dealkalization of red mud from Red Mud with Different Storage Time and its Strength Mecha-

工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 图 7 最优配比路面基层材料养护 7 d 微区 Ca，Na，Al，Si 面分布图 Fig． 7 Seven-day micro area of the Ca，Na，Al，and Si surface distribution map for the road base material with optimal recipe 3 结论 ( 1) 本试验条件下，赤泥煤矸石掺量之和为 75% ，固体废弃物总掺量为 97% 时，路面基层材料 的 7 d 无侧限抗压强度可超过 6 MPa，力学性能良 好，满足相应国家标准． ( 2) 试验中的路面基层材料矿渣掺量为 5% 时，经过 20 个干湿循环后无侧限抗压强度为 5. 98 MPa，仍能满足国家标准; 经 5 次冻融循环后 7 d 无 侧限抗压强度仍能达到 6. 89 MPa，具有良好的抗冻 性能，因此该路面基层材料具有良好的耐久性能． ( 3) 赤泥煤矸石路面基层材料养护 7 d 后浸泡 1、7 和 14 d 的浸出液中 Na + 浓度均远低于国家生活 饮用水的标准，浸出液中 Zn、Hg、Cu、Pb、Ni 等重金 属元素均未检测出; 放射性检测结果显示，该基层材 料符合国家标准中对室外其他用途建筑材料的要求． ( 4) 固碱分析与能谱分析结果表明，硅铝体系 能够有效的固结钠离子，而赤泥--煤矸石基路面基 层材料硅铝元素含量较高，从而解释了该基层材料 固结 Na + 较好的原因． 参 考 文 献 ［1］ Zhu X B，Li W，Guan X M． An active dealkalization of red mud with roasting and water leaching． J Hazard Mater，2015，286: 85 ［2］ Liu W C，Chen X Q，Li W X，et al． Environmental assessment， management and utilization of red mud in China． J Cleaner Prod， 2014，84: 606 ［3］ Xu W Q，Yan Y，Pan X L，et al． Current situation and develop￾ment trend of large-scale production technology of alumina in Chi￾na． Conserv Utiliz Miner Ｒesour，2017( 1) : 108 ( 许文强，嫣艳，潘晓林，等． 中国氧化铝生产技术大型化发 展现状与趋势． 矿产保护与利用，2017( 1) : 108) ［4］ Zhang D，Yu H Y，Pan X L，et al． Effect of alumina existing for￾mation on mineralogical transformation of sintered clinker with low lime dosage． Chin J Nonferrous Met，2015，25( 12) : 3497 ( 张迪，于海燕，潘晓林，等． 氧化铝赋存形式对低钙烧结熟 料矿相转化的影响． 中国有色金属学报，2015，25 ( 12 ) : 3497) ［5］ Guo Y X，Zhao Q，Yan K Z，et al． Novel process for alumina ex￾traction via the coupling treatment of coal gangue and bauxite red mud． Ind Eng Chem Ｒes，2014，53( 11) : 4518 ［6］ Ji H P，Fang M H，Huang Z H，et al． Phase transformation of coal gangue by aluminothermic reduction nitridation: influence of sintering temperature and aluminum content． Appl Clay Sci，2014， 101: 94 ［7］ Liu X M，Li Y，Sun H H，et al． Effect of oil shale on Na + solidi￾fication of red mud-fly ash cementitious material． J Shanghai Jiao￾tong Univ Sci，2012，17( 6) : 723 ［8］ Chen F． Comparison of Performance of Ｒoad Base Materials Made from Ｒed Mud with Different Storage Time and its Strength Mecha- · 444 ·

刘晓明等：赤泥一煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能 ·445· nism [Dissertation].Wuhan:Huazhong University of Science and [13]Zhu L P,Ni W,Zhang X F,et al.Performance and microstruc- Technology,2007 ture of cemented wholeailings backfilling materials based on red (陈凡.不同年份赤泥路面基层材料性能比较及强度机理[学 mud,slag and cement.J Unie Sci Technol Beijing,2010,32 位论文].武汉：华中科技大学，2007) (7):838 9]Du Y J,Bo Y L,Jin F,et al.Durability of reactive magnesia-ac- (祝丽萍，倪文，张旭芳，等.赤泥一矿渣一水泥基全尾砂胶 tivated slag-stabilized low plasticity clay subjected to drying-wet- 结充填料的性能与微观结构.北京科技大学学报，2010,32 ting cycle.Eur J Environ Ciril Eng,2016,20(2):215 (7):838) [1]Du Y J,Wei ML,Reddy K R,et al.Effeet of acid rain pH on 14]Goni S.Guerrero A.SEM/EDX characterization of the hydration leaching behavior of cement stabilized lead-contaminated soil.J products of belite cements from class C coal fly ash.J Am Ceram Hazard Mater,2014,271:131 Sae,2007,90(12):3915 [11]Brue F,Davy C A,Skoczylas F,et al.Effect of temperature on [15]Li X,Wang B W,You J L,et al.Study on mechanical proper- the water retention properties of two high performance concretes. ties and microstructure of the cemented tailings backfill.China Cem Coner Res,2012,42(2)384 Min Mag,2016,25(6):169 [12]Jiang J H,Yuan Y S.Relationship of moisture content with tem- (李鑫，王炳文，游家梁，等.尾砂胶结充填体力学性能与微 perature and relative humidity in concrete.Mag Concr Res, 观结构研究.中国矿业，2016,25(6)：169) 2013,65(11):685

刘晓明等: 赤泥--煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能 nism［Dissertation］． Wuhan: Huazhong University of Science and Technology，2007 ( 陈凡． 不同年份赤泥路面基层材料性能比较及强度机理［学 位论文］． 武汉: 华中科技大学，2007) ［9］ Du Y J，Bo Y L，Jin F，et al． Durability of reactive magnesia-ac￾tivated slag-stabilized low plasticity clay subjected to drying--wet￾ting cycle． Eur J Environ Civil Eng，2016，20( 2) : 215 ［10］ Du Y J，Wei M L，Ｒeddy K Ｒ，et al． Effect of acid rain pH on leaching behavior of cement stabilized lead-contaminated soil． J Hazard Mater，2014，271: 131 ［11］ Brue F，Davy C A，Skoczylas F，et al． Effect of temperature on the water retention properties of two high performance concretes． Cem Concr Ｒes，2012，42( 2) : 384 ［12］ Jiang J H，Yuan Y S． Ｒelationship of moisture content with tem￾perature and relative humidity in concrete． Mag Concr Ｒes， 2013，65( 11) : 685 ［13］ Zhu L P，Ni W，Zhang X F，et al． Performance and microstruc￾ture of cemented whole-tailings backfilling materials based on red mud，slag and cement． J Univ Sci Technol Beijing，2010，32 ( 7) : 838 ( 祝丽萍，倪文，张旭芳，等． 赤泥--矿渣--水泥基全尾砂胶 结充填料的性能与微观结构． 北京科技大学学报，2010，32 ( 7) : 838) ［14］ Goi S，Guerrero A． SEM /EDX characterization of the hydration products of belite cements from class C coal fly ash． J Am Ceram Soc，2007，90( 12) : 3915 ［15］ Li X，Wang B W，You J L，et al． Study on mechanical proper￾ties and microstructure of the cemented tailings backfill． China Min Mag，2016，25( 6) : 169 ( 李鑫，王炳文，游家梁，等． 尾砂胶结充填体力学性能与微 观结构研究． 中国矿业，2016，25( 6) : 169) · 544 ·