山西省公路建設采空區新型注漿材料關鍵技術研究

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用進展,通過赤泥理化特征分析確定其各個應用方向的優勢及前景。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和重金屬等,所以，山西省近年來進行了赤泥脫堿技術及赤泥毒性浸出研究，總結了山西省赤泥資源化途徑較為分散、對赤泥利用的系統研究不足、未真正實現赤泥最大程度資源化也未解決當前赤泥造成的現實及潛在環境安全等問題。

1 赤泥的概念

赤泥是氧化鋁冶煉工業生產過程中排出的固體廢棄物，是在提取氧化鋁過程中產生的強堿性廢渣。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。赤泥具有膠結的孔架狀結構，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，赤泥不斷發生排水固結，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的限制未能得到充分利用，仍以填埋堆存為主，對生態環境造成巨大污染。通過技術手段將赤泥用于制備采空區注漿充填材料，實現赤泥在公路采空區建設中的大規模、資源化利用，從而有效節約資源、保護生態環境，并降低采空區建設費用[2]。

3 山西省公路采空區現狀

山西省采空區分布廣泛，隨著高速公路建設由平原向山區發展，公路建設受采空區影響越來越突出，建設難度大幅增加，且處治費用高。采空區處治設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，無疑會大幅提高建設成本。現行采空區公路設計與施工技術細則明確提出：采空區是地質環境與生態環境比較惡劣和脆弱地區，采空區公路建設應因地制宜，綜合利用礦渣、尾礦等廢棄物作為筑路材料和采空區處治的充填材料。因此，基于減低建設成本、降低公路建設環境負荷考慮，有必要開展以工業固廢為主要原料的注漿充填材 料制備及應用技術研究。

4 主要研究內容、關鍵技術、技術路線、應用研究

4.1 主要研究內容與關鍵技術

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

2)關鍵技術。

(1)系統分析赤泥的基本物理化學特性的基礎上，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、脹縮性能影響規律的應用基礎研究；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，開展材料組成設計與相關性能研究，從而獲得赤泥注漿充填材料的材料組成設計方法；最后，依托實體工程，開展漿體高效攪拌與泵送工藝、干料混合與投料填充等施工關鍵技術研究，并進行注漿充填工程應用，評價其對環境的影響性。

(2)針對當前注漿充填系統施工效率低、勞動強度大的問題，結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鍵技術。

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

(4)基于上述研究成果，形成赤泥注漿充填材料施工關鍵技術。

3)創新點。

(1)研發新型固廢赤泥注漿充填材料，提出從原材料要求到施工質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注漿工程需求，研發高效環保的制漿工藝設計與配套設備。

4.2 主要技術路線與應用研究

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、顆粒組成的關鍵物理化學性能，為注漿充填材料的組成設計提供數據基礎。

(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、壓碎值等關鍵物理化學性能，為注漿充填材料的組成設計提供數據基礎。

2)赤泥注漿充填體系設計的應用基礎研究。

(1)研究在不同水泥摻量(10%～30%)下，通過硬石膏調整赤泥中S03在 3.5%～10%的波動，檢測凈漿的凝結時間、力學性能以及脹縮系數，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鍵性能的影響規律以及其作用機理；

(2)在不同水泥摻量(10%～30%)下，固定赤泥中S03含量，通過摻入生石灰調整赤泥中CaO的含量，檢測凈漿的安定性、凝結時間、力學性能以及脹縮系數，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鍵性能的影響規律以及其作用機理。

3)赤泥注漿充填材料的組成設計與性能研究。

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計方法。

4)赤泥注漿充填材料的施工關鍵技術與環境影響評價。

開展赤泥注漿充填材料的工程應用研究，并對其應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含量的監控，對赤泥注漿充填材料對環境的影響進行評價。

5 國內應用實例

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

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

3)山東鋁業股份有限公司在距離山鋁第一赤泥堆場建設了一條約10 km的赤泥基層示范路，配合比為赤泥∶粉煤灰∶石灰=75∶15∶10(干質量比)。根據觀測結果，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交底，圖4為實驗段施工后專家評審。

圖1 工業固廢赤泥原狀圖

圖2 赤泥路基試驗路

圖3 試驗段施工前技術交底

圖4 試驗段施工后專家評審

6 結束語

本次研究內容針對越來越多固體廢物再生品用于高速公路的現狀與未來預期，構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起到積極作用，為山西省綠色交通的發展提供借鑒意義。

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