磷石膏掺量对赤泥抗剪特性的影响

朱豪伟 刘长武 李宣霖3

（1.四川大学水利水电学院；2.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室）

铝土矿、高岭土等矿物资源中赋存大量的铝资源，铝土矿作为目前工业冶炼金属铝最主要的来源，在中国分布广，类型多样［1］。在铝土矿的冶炼过程中会产生大量的残渣，因其含有大量氧化铁且外观与赤色泥土相似，因而得名赤泥。赤泥产量巨大，一般每生产1 t氧化铝大约产出1～1.3 t赤泥［2］，赤泥具有粒度小、含水率大、透水性差、压缩性高、抗剪强度低、pH值高等特性［3］，由于缺乏有效的工业化处理方法，炼铝行业一般采用堆存法处治，这种处治方法在占用土地的同时还对环境造成污染，更是一种对资源的浪费［4］。国内外学者对赤泥的资源化利用进行了大量有益的探索，包括有价组分回收［5］、污水处理［6］、气体净化、催化材料、建筑材料［7-8］及土壤改良等［9］。

赤泥的高碱性特点是对其资源化利用过程中需要重点考虑的问题，但是目前的脱碱方法费用较高，且易造成二次污染［10］。近年来，利用磷石膏对赤泥进行改性的研究相继报道，以磷石膏处理赤泥，以废治废。磷石膏是在工业生产磷肥、磷酸等产品时排放出的固体废弃物，堆存量巨大，呈酸性。研究发现，利用磷石膏能有效对赤泥进行改性，改性后的赤泥具备固结性能。为降低赤泥中的碱分，喻阳华等［10］探索了磷石膏和碳酸钙为脱碱剂脱除赤泥中碱分的效果，结果表明磷石膏能在一定程度上降低赤泥的碱性。李义伟等［11］开展了磷石膏对赤泥碱性改良的研究，结果表明，磷石膏最优添加量为1.5 wt%，赤泥的pH值得到一定程度的降低。孙兆云［12］对比石灰、水泥、磷石膏和复合改性材料对拜耳法赤泥进行改性研究，得到改性处理后的赤泥可用作路基填筑材料。

目前，对于磷石膏改性赤泥材料力学性能的研究相对较少。将磷石膏改性赤泥应用于矿山充填、路基填筑等工程中时，材料的抗剪特性是关键指标。为此，本研究开展了赤泥、磷石膏和赤泥—磷石膏混合材料的直接剪切试验，揭示不同磷石膏掺量下赤泥—磷石膏材料抗剪强度特性的变化规律。

1 试验过程

1.1 试验材料

试验采用贵阳某铝业的拜耳法赤泥，取样前已进行一定脱碱处理，满足堆存要求。试验采用的磷石膏取自四川成都邛崃市，颜色灰黑，含水率0.1%。用液塑限联合测定仪测定了赤泥和磷石膏的液限和塑限，用固结仪测定了赤泥的压缩系数为0.13 MPa-1，属于中压缩性土类别，赤泥和磷石膏主要物理参数见表1。

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1.2 试验仪器

材料比重采用比重瓶测定，液塑限采用LP-100D型数显式土壤液塑限联合测定仪测定，赤泥压缩系数采用WGA-1C型三联高压固结仪测定。

直剪试验采用的是南京宁曦土壤仪器有限公司生产的ZJ（DSJ-3）型电动四联等应变直剪仪，最大剪切力1.2 kN，速率分手动、0.02、0.1、0.8、2.4 mm/min共5档，设备简单，操作方便，可同时进行4个试样的剪切试验。

1.3 试样制备及试验方案

制样前需要对赤泥和磷石膏进行预处理，将赤泥和磷石膏自然风干后碾碎并过2 mm方孔筛，剔除杂物，用烘箱烘干至恒重，密封保存备用。

制样时将磷石膏按照不同的比例与赤泥充分拌合，按含水率36%（磷石膏试样含水率22%）计算用水量，加水拌合均匀后焖料10 h。试样的制备方法根据《土工试验规程》（SL237—1999）采用击实法制样，将调制好的混合料分层装入环刀（直径61.8 mm，高度20 mm），每个试样分3层击实，每层击实后用调土刀刨毛表面防止试样分层，直至击实最后一层，刮平试样表面，最后将所有制得的试样恒温恒湿养护3 d后，再进行直剪试验。直剪选用快剪，剪切模型示意图如图1所示，通过砝码施加不同的垂直压力P（100，200，300和400 kPa）后立即进行剪切，并在3～5 min内剪坏，剪切过程中观察手轮，手轮每转动1圈测记1次量力环的读数，根据量力环读数得出剪切力T，其余操作按照《土工试验规程》（SL237—1999）进行。同时进行了纯赤泥和纯磷石膏材料的直剪对比试验，试验方案见表2，其中15%、30%、45%、60%分别代指赤泥—磷石膏试样中的磷石膏掺量。

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2 试验结果及分析

2.1 抗剪强度的变化规律

根据剪切试验数据，以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制不同磷石膏掺量试样的剪应力与剪切位移的关系曲线，如图2所示。

对比赤泥（图2（a））和磷石膏（图2（f））的剪应力—剪切位移曲线可以看出，赤泥试样的关系曲线为典型的应变硬化型，随着剪切位移的增加，剪应力先线性增大，到达最大值后基本稳定不变；而磷石膏试样的关系曲线为典型的应变软化型，剪应力增加到最大值后逐渐减小，最后趋于稳定，有一定的残余强度。掺量为15%、30%和45%混合材料的关系曲线均表现为应变软化型，且剪切应力在到达峰值后迅速减小，在比例为15%时尤为明显；随着磷石膏掺量的增加，试样关系曲线逐渐趋于硬化，磷石膏掺量为60%时试样关系曲线变为应变硬化型，剪切应力到达峰值后变化不大。

取曲线上剪应力的最大值或剪切位移为4 mm对应的剪应力值为抗剪强度［13］，以抗剪强度为纵坐标，垂直荷载为横坐标，绘出4个不同垂直荷载下的数据点，并用直线拟合4个数据点；取直线的倾角为试样的内摩擦角φ，直线的截距为黏聚力c，绘制不同垂直荷载下各组试样的抗剪强度变化关系（图3）。由图3可看出，添加磷石膏后，赤泥—磷石膏混合材料的抗剪强度相比于赤泥均得到了一定程度的提升，随着磷石膏掺量从15%增加到60%，胶结材料的抗剪强度有所降低。

2.2 磷石膏掺量对黏聚力和内摩擦角的影响

根据试验数据，分别绘制了不同磷石膏掺量下胶结材料的黏聚力和内摩擦角大小的柱状图（图4）。

由图4可以看出，随着磷石膏掺量从15%增加到60%，材料的黏聚力逐渐减小，内摩擦角先增大后减小，在掺量为15%时黏聚力最大，在掺量为30%时内摩擦角最大。除了磷石膏掺量为60%的试样，磷石膏掺入后试样的黏聚力和内摩擦角均高于赤泥和磷石膏，说明磷石膏对赤泥有一定的改性效果，能改善赤泥的力学性能。根据前人的研究，磷石膏对赤泥的改性机理在于磷石膏中Ca+和赤泥中Na+的交换，并且生成有一定胶凝硬化效果的物质，如Ca（OH）2，从而使得赤泥胶粒逐渐结成晶体，聚成团粒并形成稳定结构，从而达到稳定固化的效果［12］。实际工程中将赤泥用作路基材料或者充填材料时，可以考虑添加一定量的磷石膏，添加比例在30%以内效果较好，但同时需进一步得出最优的配比，并综合考虑材料对环境的影响。

3 结论

（1）磷石膏掺量为15%、30%、45%试样的剪应力—剪切位移曲线为应变软化型，掺量增加至60%时变为应变硬化型。

（2）随着磷石膏掺量从15%增加到60%，试样的黏聚力逐渐减小，内摩擦角先增大后减小，且磷石膏掺量在15%至45%时，试样黏聚力和内摩擦角均优于赤泥和磷石膏；掺量为15%时试样的黏聚力最大，掺量为30%时内摩擦角最大。

（3）磷石膏对赤泥有一定的改性作用，能增大赤泥的抗剪强度，在一定程度上改善力学性能，实际工程中可考虑将磷石膏和赤泥协同处置利用，但需考虑二者混合后的环境可行性。