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 ·