摘 要：

【目的】赤泥是铝工业生产过程中产生的一种固体废弃物。长期堆放不仅占用了大量的土地，还造成环境污染。为实现赤泥的大规模利用，可将赤泥进行固化/稳定化并用于路基填筑工程。

【方法】本文以电石渣（C）为碱激发剂、高炉矿渣（G）和粉煤灰（F）为火山灰质材料、磷石膏（P）为辅助材料、石墨烯（A）为外掺剂制备全固废固化剂（CGFPA）固化/稳定化赤泥用作路基填筑材料，提出了一种可降低赤泥毒性并易于施工的两次加水碾压型施工工艺，通过入渗、含水量分布、无侧限抗压强度、酸碱度和毒性浸出试验，研究了固化/稳定化赤泥作为路基填筑材料的吸水性、强度特性、酸碱性以及浸出毒性的变化规律，确定了该施工工艺的加水量、加水时间等参数。同时通过SEM-EDS试验得到固化/稳定化赤泥的产物种类和微观结构，分析其微观机理。

【结果】水分在填筑材料中的入渗满足Kostiakov入渗模型，给出了入渗速率、入渗高度与入渗时间关系式。采用该工艺进行施工时，在4种掺入比条件下，第一次加水量分别为0.78、0.79、0.82、0.85w_L，第二次加水量分别为0.22、0.41、0.48、0.55w_L，进行下一层填筑材料摊铺时间分别为300min、720min、2160min、3600min。CGFPA固化/稳定化赤泥的水化产物主要包括C-S-H、C-A-S-H、AFm以及Mg-Al-HT等，这些水化产物通过吸附、胶结等作用固化/稳定化赤泥，使其强度增加、污染物浓度降低。填筑材料的无侧限抗压强度、污染物浓度均满足规范要求。【结论】通过与最优总含水比试验条件下固化/稳定化赤泥的性质进行对比，验证了两次加水碾压型施工工艺的可行性，研究结果可为赤泥在路基工程中的应用提供理论依据。

【图文导读】

赤泥是铝土矿制取氧化铝或氢氧化铝后所产生的工业固体废物，因氧化铁含量大，外观与赤色泥土相似而得名。因其污染物种类多、浓度高、碱性高，导致其利用受限，目前主要以堆存的方式进行处理。长期堆存使得赤泥中的污染物通过降水、灌溉、地下水径流等方式迁移，导致土壤和地下水污染，且存在堆场滑坡等安全隐患。因此，亟需寻找一种无害化处理并可大规模消耗赤泥存量的方式用以消纳赤泥。

将赤泥作为道路材料并规模化应用于公路工程建设中，是大量消耗赤泥存量的方式之一。但由于传统碾压型施工工艺添加的固化剂及水分均较少，无法有效解决赤泥的毒性浸出问题。因此，本文提出了一种两次加水碾压型施工工艺，并通过入渗、含水量分布、无侧限抗压强度、酸碱度和毒性浸出试验，研究固化/稳定化赤泥作为路基填筑材料的吸水性、强度特性、酸碱性以及浸出毒性的变化规律，确定了施工工艺参数。

图1 研究技术路线图

1 研究内容与意义

1.1 施工工艺

为确定两次加水工艺中的加水量、加水时间和下一层填筑材料摊铺时间等施工工艺参数，需揭示水分在填筑材料中的入渗距离、入渗水量与入渗时间的关系。本文基于入渗理论，采用室内模型试验模拟现场施工并确定施工工艺参数。

图2 现场施工工艺及对应室内模拟试验步骤示意图

1.2 参数确定

（1）入渗速率变化规律

随着固化剂掺入比的增加，入渗速率与时间的关系曲线向上偏移，说明相同时间条件下，掺入比越大，平均入渗速率越小。这是由于相同入渗时间条件下，掺入比越大，试样的结构更加致密，水分入渗阻力更大，从而导致入渗速率降低。

图3 入渗速率与时间的关系

（2）入渗高度变化规律

在未添加固化剂的条件下，当入渗时间为180 min时，水分已经完全入渗至赤泥底部。添加固化剂后，水分完全入渗的时间逐渐延长。当入渗时间分别为300min、720min、2160min、3600min时，水分在4种不同固化剂掺入比的填筑材料中也已经完全入渗至底部，此时可认为水分已完全入渗，即为水分完全入渗时间。其入渗曲线可分为三个阶段：第一阶段为水分快速下降的初始阶段（坡度大）、第二阶段为下降速率减缓阶段（坡度平缓）、第三阶段为稳定阶段。

图4 入渗高度变化规律

1.3 强度验证

新工艺试样的无侧限抗压强度相较于传统工艺试样分别降低了6.1%、6.2%、7.2%、7.3%，随着掺入比的增加，无侧限抗压强度变化率也增大。这是由于相较于传统工艺，新工艺试样的均匀性欠缺。在新工艺条件下，试样的强度受水分下降速率及试样吸水性的影响。试样内部处于水化反应与水分下降同时进行的状态。由于水分是通过连通孔隙下降，必然会导致试样内部封闭孔隙处的水分不足以参与水化反应，该位置也即强度薄弱处，因而更容易破坏，整体强度偏低。而传统工艺条件下的填筑材料水分与固化剂和赤泥通过搅拌，使得三者接触的更加均匀，反应更加完全，因此整体强度更高。随着掺入比的增加，水化反应所需水量增加，试样内部不均匀性更高，强度降低率更大。但两种工艺试样的强度均高于规范要求。因此采用该工艺进行施工，其无侧限抗压强度能满足规范要求。

图5 不同工艺的无侧限抗压强度对比

1.4 均匀性验证

4种不同掺入比条件下试样的含水量均随着入渗高度的增加而略有降低，试样在入渗高度为40 mm时的含水量分别为30.21%、34.65%、35.45%、35.92%，而在入渗高度为160 mm时的含水量分别为29.03%、33.45%、34.12%、34.56%，变化率分别为3.9%、3.5%、3.8%、3.8%。因此可认为采用该工艺进行施工后的填筑材料是均匀的。

图6 含水量与入渗高度的关系

1.5 环境影响验证

（1）酸碱度

新工艺试样的pH值相较于传统工艺试样分别提高了0.4%、0.6%、0.7%、0.8%，随着掺入比的增加，pH值变化率也增大，说明掺入比越大，水化反应程度越低，导致pH值也越大，这也印证了掺入比越大，水化反应所需水量越大。

图7 不同工艺的pH值对比

（2） 污染物浸出

新工艺中的Cu、Zn、Cr、Ni、As、Pb、Cd离子浸出浓度相较于传统工艺分别提高了43.8%、34.6%、26.9%、34.3%、13.0%、42.5%、85.7%。这是由于试样内部均匀性以及固化剂水化反应程度所致。采用新工艺的试样受水分入渗速率和入渗质量影响，导致固化剂水化反应程度偏低，对赤泥中污染物的固化效果弱于传统工艺。但两种工艺下的填筑材料污染物浓度均低于规范限值。因此采用该工艺进行施工，无毒性浸出风险。

图8 不同工艺的污染物浸出浓度对比

1.6 微观机理

以掺入比为20%、养护龄期为28d的CGFPA固化/稳定化赤泥为例。固化/稳定化赤泥中生成大量的絮凝状物质，如C-A-S-H，C-S-H等，这些物质使得固化/稳定化赤泥的结构更加致密。结合EDS分析，点位1中Mg、Al、Si离子含量较高，且为絮凝状物质，可判定为Mg-Al HT以及少量C-S-H。这些水化产物通过吸附、胶结等作用固化/稳定化赤泥，使其强度增加、污染物浓度降低。

图9 固化/稳定化赤泥SEM-EDS图谱分析

2 研究结论

本文基于入渗理论，采用以电石渣（C）、高炉矿渣（G）、粉煤灰（F）、磷石膏（P）、石墨烯（A）为组分的CGFPA固化剂固化/稳定化赤泥并用于路基填筑工程，提出了一种两次加水的碾压型施工工艺，得到如下结论：

（1）两次加水施工工艺下的CGFPA固化剂固化/稳定化赤泥的无侧限抗压强度、污染物浸出浓度等指标均能满足规范要求，说明采用该工艺固化/稳定化赤泥用于路基填筑工程可行。

（2）水分在填筑材料中的入渗满足Kostiakov入渗模型，给出了入渗速率、入渗高度与入渗时间关系式。利用该公式可以预测出水分在不同碾压厚度的路基填筑材料中完全入渗的时间，以确定下一层填筑材料摊铺时间。在4种掺入比条件下，下一层填筑材料摊铺时间分别为300min、720min、2160min、3600min。

（3）采用两次加水施工工艺的填筑材料，其含水量随入渗高度的增加而降低，相比于最优总含水比，试样上端含水量仅增加了0.48%-0.78%，下端含水量仅降低了0.55%-0.76%，因此可认为采用该工艺进行施工后的填筑材料是均匀的。

考虑降低赤泥的浸出毒性，本文通过增大固化剂掺入比的方式降低赤泥中的污染物浸出浓度，但随着掺入比的增大，固化剂所需水量也会增大。而随着含水量的增加，传统的碾压型施工工艺无法实施，但又未达到浇筑型施工工艺所需的流动度，因此本文提出了两次加水碾压型施工工艺，在兼顾环境效益的同时，也能够满足固化/稳定化赤泥作为路基材料的施工性。同时与预湿法相比，减少了基坑开挖、砾砂铺设等步骤，施工工序更为简单，成本更低。

来源｜《长沙理工大学学报（自科版）》

作者｜严立俊，杨俊杰，武亚磊，李锋民