赤泥的工程特性与混堆技术探讨

楚金旺（中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）

赤泥的工程特性与混堆技术探讨

Engineering characteristics of red mud and study on mixed stacking technique

楚金旺（中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）

烧结法赤泥与拜尔法赤泥的工程特性相差较大，烧结法赤泥胶结后强度较高，拜耳法赤泥较难胶结。本文通过分析烧结法赤泥和拜尔法赤泥的工程特性及其堆存现状，提出赤泥混堆技术方案，并通过工程实例验证了其可行性。

赤泥堆场；烧结法赤泥；拜尔法赤泥；混堆技术；堆存技术

1 前言

赤泥是生产氧化铝过程中排出的有害废弃物，通常情况下，每生产1t氧化铝产出1.0～1.3t赤泥。氧化铝的生产方法在工业上只采用碱法，碱法又可分为拜尔法、烧结法、并联法、串联法和混联法，相应地排出拜尔法赤泥和烧结法赤泥等。本文主要研究拜尔法赤泥和烧结法赤泥两种赤泥的混合堆存技术，简称混堆技术。

2 赤泥的工程特性

赤泥属特殊类土，与一般土的物理力学性质明显不同，主要表现在天然含水量较高，天然重度较小，孔隙比较大，液限高，强度低。烧结法赤泥与拜尔法赤泥的工程力学性质相差较大，烧结法赤泥胶结后强度较高，拜耳法赤泥较难胶结[1]。

2.1 烧结法赤泥的工程特性

（1）烧结法赤泥的物理性质。烧结法赤泥属粉质粘土，黄褐色，土质较均匀，振动析水，在未胶结状态下，会产生地震液化现象。赤泥内部毛细网状结构十分发达，具有较高的比表面积，勃式比表面积一般达4 000cm2/g以上。烧结法赤泥具有很好的触变性、富水性和可塑性。天然含水量w介于59.4%～79.2%,平均值为72.8%；天然重度γ介于 15.3～16.0kN/m3，平均值为15.7kN/m3；孔隙比 e介于 1.690～2.062，平均值为 1.919；液限 wL介于65.9%～76.2%，平均值为71.0%。烧结法赤泥物理力学性质指标见表1。

表1 烧结法赤泥物理力学性质指标

（2）烧结法赤泥的化学组成。赤泥的物质组成取决于铝土矿的成份、生产氧化铝的方法和生产过程中添加剂的物质成份，以及新生成的化合物成份等，赤泥的化学组成分析表（质量百分比）见表2。由于化学成份不同，造成拜尔法和烧结法赤泥工程力学性质相差很大。

表2 化学组成分析表[3] %

（3）烧结法赤泥的抗剪强度。烧结法赤泥有一定的水解自硬性，易于析水脱水。赤泥在自然脱水后，会产生胶结固结，时间一般为5～6个月。根据赤泥的剪切试验结果，胶结烧结法赤泥的内摩擦角比较大，为24°～33°，相当于粉质粘土或细砂的内摩擦角度值，抗剪强度最高可达到35.8kPa，粘聚力为6.6～33kPa，完全胶结后，粘聚力可高达70kPa。赤泥的内摩擦角随含水量的减少而增大，粘聚力随含水量的减小而减小。当烧结法赤泥达到胶结状态后，赤泥的强度随时间的变化不明显[2]。

2.2 拜尔法赤泥的工程特性

拜耳法赤泥属粉质粘土，红褐色，土质较均匀，不易析水、脱水和胶结,通常呈流塑—软塑状。天然含水量w介于50.2%～70.3%，平均值为63.1%；天然重度γ介于 15.8～17.0kN/m3，平均值为16.5kN/m3；孔隙比 e介于1.403～1.824，平均值为 1.643；液限 wL介于55.1%～69.0%，平均值为60.2%，拜尔法赤泥物理力学性质指标见表3。

与烧结法赤泥相比，拜尔法赤泥有以下不同。

表3 拜尔法赤泥物理力学性质指标

（1）拜耳法赤泥粒径为0.05～0.01mm的占4%，0.01～0.005mm的占65%，＜0.005mm的占31%，比烧结法赤泥粒径要细得多。拜耳法赤泥明显比烧结法赤泥干密度大，孔隙比小。

（2）拜 耳 法 赤 泥 渗 透 系 数 为 1.90×10-5～3.25×10-5，比烧结法赤泥小1～2个数量级。

（3）拜耳法赤泥击实试验结果，最优含水量为13.59%，最大干密度为1.40g/cm3。

（4）由于拜耳法赤泥颗粒细，渗透性差，难于自然脱水胶结固结，脱水固结与胶结时间较长，经过9个月胶结后，自然堆存赤泥仅表面出现龟裂现象，呈半胶结状态，其下呈软塑状态。

3 赤泥混堆技术研究

3.1 赤泥堆存技术现状

目前赤泥堆存多采用烧结法赤泥和拜尔法赤泥分开堆放。烧结法赤泥的堆存通常采用水力充填法，例如山东铝厂第一赤泥堆场，技术已经比较成熟，并且在几十年的生产过程中积累了较为丰富的实践经验，单纯的烧结法赤泥堆存已经不存在技术问题。拜尔法赤泥的堆存一般采用干堆法（例如广西平果铝厂赤泥堆场）、水库法，干堆法工艺复杂，运营成本高，水库法需要用天然材料一次性筑坝或分期筑坝，库内存放拜尔法赤泥，初期投资比较高。

（1）山东铝厂第一赤泥堆场。山东铝厂第一赤泥堆场建于1954年，占地45hm2，坝高73m，外坡坡度约为50°，存放的全部为烧结法赤泥，于2002年闭库，共使用了48年。山东铝厂建厂初期氧化铝生产规模较小，排出的赤泥也比较少，赤泥筑坝速度比较慢，只有0.5m/a；后期氧化铝生产规模增大，而且堆场的有效利用面积减少，赤泥堆筑的上升速度变大，达到4～5m/a。

第一堆场地层结构由灰岩、页岩、砂岩、冲洪积粉质黏土、杂填土等组成，赤泥堆坝土层组成为：表层主要为胶结泥状赤泥和半胶结砂状赤泥，互层状，水平层理发育，较破碎，稍湿，坚硬，层厚1～4m；中上层主要为半胶结泥状赤泥，局部夹胶结砂状赤泥透镜体，互层状，水平层理发育，可塑—硬塑状，层厚1～34m；中下层主要为半胶结泥状赤泥和半胶结砂状赤泥，水平层理发育，为可塑—硬塑状，层厚19.0～45.3m。

近年来，坝顶出现多条纵横交错的高倾角或垂直裂缝，尤其以东南角最发育，其中一条贯穿堆坝的EW向，不规则裂缝宽10～50mm，最宽处达100mm。

（2）山西铝厂苍头赤泥堆场。山西铝厂二期120万t/a氧化铝烧结法赤泥与三期80万t/a氧化铝拜耳法赤泥均堆存于苍头赤泥灰渣场地。有两种赤泥堆存筑坝方案，第一方案采用烧结法赤泥筑初期坝，坝底宽度为75.8m，坝顶宽度为45m，坝高为14m，坝外坡比1∶1.2，坝内坡比1∶1，初期坝以上拜耳法碾压筑子坝，子坝坝高6m，坝顶宽5m，内外坡坡比均为1∶1.5，总坝高50m，库内堆存干法输送的拜耳法赤泥；第二方案采用烧结法赤泥筑坝，坝底宽122m，坝顶宽5m，坝高60m，坝外坡比1∶1.2，坝内坡比2∶1，库内堆存干法输送的拜耳法赤泥。现在山西铝厂采用的为第二方案，但库内湿法堆存拜耳法赤泥。

（3）广西平果铝堆场。广西平果铝厂干法赤泥堆场位于广西平果县新安乡，年堆存拜尔法赤泥108万t，采用干法输送、干法堆存[4]。堆场占地45hm2，其中一期工程30hm2，1995年9月投入运行，二期工程15hm2，2003年9月投入运行。堆场分为5个库区，轮流进行布料、晾晒、筑坝作业。初期坝采用碾压式土石坝，最大坝高10m，后续各级子坝用赤泥筑坝，每级子坝高6m，规划使用到九级子坝后封库，总库容约900万m3，目前已使用至二级子坝，最大堆积厚度约20m。

3.2 赤泥混堆技术研究

烧结法赤泥水力充填法、拜尔法赤泥干堆法、水库法均为烧结法赤泥和拜尔法赤泥分开堆存，笔者称其为分堆法。分堆法占地多，安全性差，投资较大，经济性较差。烧结法赤泥和拜尔法赤泥使用同一堆场进行混合堆存，笔者称其为混堆法，混堆法基于充分利用两种赤泥的工程特性。某铝厂进行了赤泥混堆试验，将烧结法赤泥和拜尔法赤泥按重量1∶1的比例通过搅拌机搅拌充分混和（以下简称混和赤泥），用混和后赤泥进行水力充填筑坝和库内充填试验。试验结果表明（经一年的观察），混和赤泥的排水和胶结效果都非常理想，胶结强度接近单纯烧结法赤泥的胶结强度[5]。

烧结法赤泥和拜尔法赤泥的混堆技术方案有以下几种：一是采用烧结法赤泥周边筑坝，库内湿法或干法贮存拜尔法赤泥；二是利用混和赤泥周边筑坝建库，库内干法或湿法贮存拜尔法赤泥；三是混和赤泥水力充填法建库堆存；四是利用混和赤泥干堆法堆坝建库,由于烧结法赤泥的胶结作用，混和赤泥干堆法的安全性远好于拜尔法赤泥干堆法，堆存技术和拜尔法赤泥干堆法相同，本文不再论述。

某新建大型铝厂年产出烧结法赤泥160万t，拜尔法赤泥160万t，拟利用一个堆场采用混堆技术进行堆存，现采用上述前3种混堆技术方案分别进行研究。

方案一：在堆场周边利用烧结法赤泥采用充填法连续筑坝，库内贮存拜尔法赤泥。筑坝高度40m,外坡坡度1∶1.2，内坡坡度1∶0.5。每次筑坝时充填高度为0.5～0.6m，为一级子坝，烧结法赤泥固结时间约为3～6个月，达到半固结状态的时间约为3个月，库内排放拜尔法赤泥的高度不得超出半固结状态的子坝，即每级子坝筑完3个月后才能用于拦挡库内拜尔法赤泥。

方案二：在堆场周边利用混和赤泥采用充填法连续筑坝，库内贮存拜尔法赤泥。筑坝高度40m,外坡坡度1∶1.2，内坡坡度1∶0.5。每级子坝的筑坝方法、拜尔法赤泥库内贮存方法同技术方案一，只是混和赤泥达到半固结状态的时间约为6个月，即每级子坝筑完6个月后才能用于拦挡库内拜尔法赤泥。

方案三：全部利用混和赤泥水力充填法建库堆存。筑坝高度40m,外坡坡度50°。

采用Bishop圆弧法对上述3个方案进行坝体稳定性分析，计算参数见表4，计算结果见图1和图2。

表4 计算参数

图1 方案一和方案二坝体稳定分析结果

图2 方案三坝体稳定分析结果

坝体稳定性分析结果表明，上述赤泥堆存方案是可行的，静力条件和8度地震作用下均满足渗流和结构稳定要求。方案一和方案二筑坝的内坡坡度应该适当放缓，改为1∶（0.8～1.0）。方案三的安全系数在静力条件和8度地震作用下都比较大，但最危险滑动面大部分位于库内充填混和赤泥内，这说明库内充填混和赤泥的强度比较低，应加强库内排水，提高库内混和赤泥的胶结、固结速度，另外，增加混和赤泥筑坝坝体底部的宽度，避免坝体底受到剪切破坏。

4 结语

（1）赤泥属特殊类土，与一般土的物理力学性质明显不同，而且烧结法赤泥与拜尔法赤泥的工程力学性质相差也较大，烧结法赤泥胶结后强度较高，拜耳法赤泥较难胶结。

（2）提出的4种赤泥混堆技术方案都是可行的，都可满足渗流和结构稳定要求。

（3）通过对赤泥混堆技术的研究可知，影响堆场稳定的主要因素有赤泥胶结程度、筑坝上升速度、坝体浸润线高度、干滩长度、排洪设施的排洪能力、堆场地基承载力、赤泥矿浆固水比、坝体上下游坡度及坝顶宽度，其中筑坝赤泥的胶结程度是堆场稳定的最大影响因素，必须保证筑坝赤泥充分胶结、固结。

（4）本文初步探讨了赤泥的混堆技术，今后需深入研究不同配比的混和赤泥的工程特性，推动混堆技术在赤泥堆存中的应用。

[1]吴炎森,藏其芳,杜长学.赤泥的物理力学性质试验研究[J].岩土工程界，2006，9（3）.

[2]陈存礼，胡再强，谢定义.赤泥的变形—强度特性与结构性关系的研究[J].岩土力学，2004，（12）.

[3]景英仁，景英勤，杨 奇.赤泥的基本性质及其工程特性[J].轻金属，2001，（4）.

[4]李明阳.拜耳法氧化铝厂干法赤泥堆场的边坡稳定分析[J].贵州工业大学学报(自然科学版)，2006，（4）.

[5]孙运德.“混合赤泥半干法堆存技术”的研究与应用[J].有色冶金节能，2009，（3）.

X75

B

2010-06-24

楚金旺（1977-），男，山东禹城人，工程师，从事尾矿库和浆体输送设计工作。

Abstract:Red mud produced in sintering process and red mud produced in Bayer process have large difference in the engineering properties.The former have higher bond strength after it is cementation,while the latter more difficult to cement.Based on the anal⁃ysis of the engineering characteristics of red mud and the current situation of red mud disposal site,the mixed stacking technique is proposed and the rationality of it is verified by case study.

Key words:red mud disposal site;red mud produced in sintering process;red mud produced in Bayer process;mixed stacking technique

1672-609X（2011）01-0044-04