赤泥在瀝青混凝土中的應用現狀與展望

黃帥帥 徐全鵬 李 浩

（齊魯交通發展集團有限公司青臨分公司， 山東 濰坊 262500）

1 背景介紹

據統計，我國赤泥累積堆存量已超過3.5億噸，其中山東省的累積堆存量超過2億噸，堆場占地超過1300萬平方米。2016年我國赤泥總排放量約為8000萬噸，而消耗量僅為320萬噸，綜合利用率不足4%[1]。

現階段，國內外氧化鋁企業排放的赤泥主要是運送到堆放場采用“濕式輸送-干式堆放”的方式進行筑壩堆放。這種露天的堆放方式不僅占用大量土地，耗費大量的堆場建設和耕地費用，同時也對周圍土體和地下水環境帶來安全隱患[2]。近幾年，在貴州、河南、山東、山西等地均發生過因赤泥堆放引起的地下水和地表水污染事故[3]。同時，因為赤泥的強堿性，植物難以生存，赤泥堆場無植被覆蓋，直接暴露在雨水的沖刷侵蝕下，極易引發滑坡、潰壩等災害。

與此同時，隨著我國城市建設和公路、鐵路等基礎設施建設的發展，工程建設消耗了大量的不可再生資源。其中，經過幾十年的破壞性開采，我國多數地區的石灰巖、玄武巖石料已成為稀缺資源。作為我國公路建設主要面層鋪裝材料的瀝青混合料，其中的填料部分即為石灰巖經破碎、磨細后制得的石灰巖礦粉。填料的摻量約占瀝青混合料總質量的5%，主要起填充集料骨架空隙、提高瀝青勁度和提高集料-膠漿黏附性等作用，是瀝青混合料中不可或缺的重要組成部分[4]。而隨著我國自然資源的不斷消耗，特別是近年來社會對環境保護和自然資源保護意識的增強，大量的石灰巖石料廠關閉，導致石料供不應求[5]。與此同時，由于石灰巖礦粉生產過程中產生大量粉塵，對空氣質量產生及其負面的影響，部分不合格的石灰巖礦粉生產企業被關停整改，導致石灰巖礦粉價格逐年攀升，給公路建設投資單位和施工企業帶來了嚴重的成本壓力。因此，研發成本可控、性能穩定的石灰巖礦粉替代材料，并開發相應的瀝青混合料制備工藝，是公路建設領域亟待解決的關鍵問題。

2 國內外相關技術現狀與發展趨勢

目前，針對不同品位的鋁土礦原料，采用的堿法處理工藝主要分為如下三種：拜耳法、燒結法和拜爾-燒結聯合法。由于鋁土礦原料和提取工藝的差異，對應的赤泥殘渣特性也各不相同。

隨著環境與資源問題的加劇，赤泥的無害化與綜合利用成為氧化鋁企業可持續發展過程中的重要議題，對此國內外學者也進行了大量的研究工作，提出了幾十種關于赤泥綜合利用的途徑，并取得了一定的效果。

在對赤泥基本特性進行了詳盡研究的基礎上，許多學者對固體廢棄物-赤泥的綜合利用也進行了探索，并取得了一系列成果。另外，利用赤泥比表面積大的特點，將其應用于環境吸附、污水處理等領域也有了較大的進展。然而，這些生產和應用領域對赤泥的消耗量相對較小，并且因為成本和技術水平的限制，沒能大范圍推廣應用，導致目前赤泥綜合利用率偏低。赤泥的規模化、減量化利用仍是一個世界性難題。

將赤泥與其它原料進行協同，制備用于不同層位的道路工程材料，代替水泥、石灰等傳統筑路材料，是赤泥再生利用的有效途徑。Kehagia等研究了赤泥作為路基材料的變形特性，并發現赤泥的物理性能和強度指標可以達到路基填筑的基本要求。Peerapong 等對火山灰、石灰粉穩定下的赤泥進行了研究，分析了混合材料的強度、回彈模量及永久變形，得到最佳配比，并與路基常用材料（碎石+2%波特蘭水泥）進行了對比，發現赤泥基材料的回彈模量及永久變形特性要優于常用路基材料。齊建召進行了赤泥做道路基層材料的試驗研究，發現通過與一定粉煤灰、石灰的混摻，可以制備滿足高速公路和一級公路標準的穩定赤泥填料，且赤泥填料強度高、CBR值大，性能優于常用半剛性基層材料。王輝、焦莎莎等在赤泥中添加不同固化劑來嘗試提高赤泥基層材料的強度和滲透性、改善其微觀結構，發現添加劑的使用有效減少了傳統固化劑的用量，得出了赤泥作為道路基層材料的最佳配合比。秦旻等將赤泥用做道路墊層材料并對其力學性能進行了試驗研究，試驗表明赤泥的摻入有效提高混合料的早期抗壓強度和收縮變形；田高源等將赤泥部分代替水泥，通過無側限抗壓試驗、電阻率測試、直接剪切試驗、滲透試驗等分析了不同影響因素對赤泥改良土體工程特性的影響，得到了赤泥的最佳配比。米棟云等研究了不同赤泥摻量對水泥土無側限抗壓強度及滲透性的影響，發現赤泥的適當摻入使水泥土 28d 無側限抗壓強度達到3.5Mpa，較不加入赤泥時提高近 34.7%。

針對赤泥粉體在瀝青及瀝青混合料性能的應用，國內外學者也進行了相應的實驗性研究。桂林理工大學的包惠明教授利用赤泥的多空隙結構和更大的比表面積，制備了赤泥改性瀝青并對其性能進行了研究。研究發現赤泥能顯著提高瀝青的粘度和高溫穩定性，赤泥顆粒能在瀝青中均勻分布，并與瀝青形成良好的吸附界面。而對于赤泥改性瀝青混合料的研究，通過調整赤泥的摻量，可以提高瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性以及抗水損壞性能。同濟大學的李輝教授利用赤泥代替石灰巖礦粉制備透水瀝青混凝土，并對其性能進行了研究。研究發現赤泥代替礦粉后可以提高瀝青膠漿的應變恢復率從而提高其高溫性能，同時可以提高瀝青膠漿與集料的黏附性，從而提高瀝青混合料的抗松散性，證明赤泥可以作為石灰巖礦粉的替代材料用于制備瀝青混合料。

3 有待解決的問題

作者對赤泥代替石灰巖礦粉制備瀝青混合料的可行性進行了系統性研究。通過毒性浸出試驗和放射性試驗對赤泥作為路用材料的安全性進行了評價，發現赤泥中的重金屬離子浸出量和放射性均能滿足規范要求。由于赤泥的微觀多孔結構和粒度分布特性，赤泥代替礦粉可以提高瀝青膠漿的模量和彈性，同時可以提高瀝青膠漿的車轍因子，從而改善瀝青混合料的高溫性能。通過對拜耳法赤泥與燒結法赤泥的對比，發現燒結法赤泥可以更好地提高瀝青膠漿的彈性恢復特性。但是，在研究中也發現赤泥的加入雖然能提高集料-膠漿界面的粘結強度，但是遇水后其強度衰減較塊，水穩定性較差。同時，在動水作用下，赤泥膠漿中的赤泥會在膠漿中析出，說明赤泥與瀝青的界面在遇水條件下容易剝離，進而容易引起瀝青混合料的水損壞。因此，通過合理的改性工藝提高赤泥與瀝青的黏附性，改善赤泥瀝青膠漿遇水強度衰減的問題，并通過級配設計方法的優化，提高赤泥在瀝青混合料中的水穩定性，制備綜合性能優良的赤泥瀝青混合料，是今后研究需要解決的核心問題。