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

2022-06-24 14:50:46申鐵軍

四川建材 2022年6期

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(tuán)晉南項(xiàng)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(jìn)行了機(jī)理研究和應(yīng)用進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)赤泥最大程度資源化也未解決當(dāng)前赤泥造成的現(xiàn)實(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(hù)生態(tài)環(huán)境，并降低采空區(qū)建設(shè)費(fèi)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(fèi)用高。采空區(qū)處治設(shè)計(jì)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?，F(xiàn)行采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)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(fù)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(jì)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(xué)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(xué)、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(jì)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(jì)方法；最后，依托實(shí)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(jìn)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(dāng)前注漿充填系統(tǒng)施工效率低、勞動強(qiáng)度大的問題，結(jié)合赤泥注漿充填材料顆粒細(xì)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(xué)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(jì)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(jì)。

(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(diǎn)。

(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(yàn)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(jì)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(xué)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(xué)性能，為注漿充填材料的組成設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)分顆粒粒級研究赤泥的化學(xué)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(xué)性能，為注漿充填材料的組成設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2)赤泥注漿充填體系設(shè)計(jì)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(xué)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(jī)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(xué)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(jī)理。

3)赤泥注漿充填材料的組成設(shè)計(jì)與性能研究。

針對赤泥注漿充填材料、赤泥復(fù)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(jì)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(xué)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(qiáng)度形成機(jī)理與性能演變機(jī)制，提出赤泥注漿充填材料配比設(shè)計(jì)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(xué)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(qiáng)度形成機(jī)理與性能演變機(jī)制，提出赤泥注漿充填材料配比設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)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(jìn)行評價。

5 國內(nèi)應(yīng)用實(shí)例

1)2019年，山東省首次將拜耳法赤泥用于實(shí)際公路工程建設(shè),并作為交通部科技示范項(xiàng)目應(yīng)用于濟(jì)青高速公路改擴(kuò)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(dá)到了石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定土的一級和高速路的強(qiáng)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(qiáng)度完全可以達(dá)到高速公路和一級公路的標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)路，圖3為實(shí)驗(yàn)段施工前技術(shù)交底，圖4為實(shí)驗(yàn)段施工后專家評審。