山西省公路建设采空区新型注浆材料关键技术研究

吴 伟，申铁军

(1.山西路桥第五工程有限公司,山西 太原 030006；2.山西路桥集团晋南项目管理有限公司,山西 太原 030006)

0 前 言

近年来，山西省赤泥在有价组分回收、污水处理、气体净化、催化材料、建筑材料及土壤改良等方面进行了机理研究和应用进展,通过赤泥理化特征分析确定其各个应用方向的优势及前景。造成目前赤泥综合利用率低的最大因素是赤泥中含有大量碱性物质和重金属等,所以，山西省近年来进行了赤泥脱碱技术及赤泥毒性浸出研究，总结了山西省赤泥资源化途径较为分散、对赤泥利用的系统研究不足、未真正实现赤泥最大程度资源化也未解决当前赤泥造成的现实及潜在环境安全等问题。

1 赤泥的概念

赤泥是氧化铝冶炼工业生产过程中排出的固体废弃物，是在提取氧化铝过程中产生的强碱性废渣。由于铝土矿含铁较高，使此废弃物外观颜色与赤色泥土相似而得名。赤泥具有胶结的孔架状结构，属于高压缩性、低抗剪强度废渣，其含水量大，随着堆放厚度不断增大，赤泥不断发生排水固结，其逐渐硬化[1]。

2 赤泥的危害

目前，山西省排放赤泥近8 000万t。但是，目前如此排量巨大的赤泥由于技术的限制未能得到充分利用，仍以填埋堆存为主，对生态环境造成巨大污染。通过技术手段将赤泥用于制备采空区注浆充填材料，实现赤泥在公路采空区建设中的大规模、资源化利用，从而有效节约资源、保护生态环境，并降低采空区建设费用[2]。

3 山西省公路采空区现状

山西省采空区分布广泛，随着高速公路建设由平原向山区发展，公路建设受采空区影响越来越突出，建设难度大幅增加，且处治费用高。采空区处治设计主要采用水泥粉煤灰浆液注浆充填，工程施工需消耗大量的水泥与粉煤灰。在粉煤灰不易得的地区，无疑会大幅提高建设成本。现行采空区公路设计与施工技术细则明确提出：采空区是地质环境与生态环境比较恶劣和脆弱地区，采空区公路建设应因地制宜，综合利用矿渣、尾矿等废弃物作为筑路材料和采空区处治的充填材料。因此，基于减低建设成本、降低公路建设环境负荷考虑，有必要开展以工业固废为主要原料的注浆充填材 料制备及应用技术研究。

4 主要研究内容、关键技术、技术路线、应用研究

4.1 主要研究内容与关键技术

1)主要研究内容。开展赤泥注浆充填材料的组成、性能与施工关键技术研究，研发以赤泥及炉渣为主要原料的注浆充填材料配比设计方法。同时研究开发注浆充填材料的搅拌、泵送与充填关键技术。

2)关键技术。

(1)系统分析赤泥的基本物理化学特性的基础上，开展面向注浆充填材料体系的赤泥中CaO、SO3对胶凝材料浆体力学、胀缩性能影响规律的应用基础研究；基于此，分水泥赤泥注浆充填材料、水泥-赤泥注浆充填材料、赤泥干投料等三个体系，开展材料组成设计与相关性能研究，从而获得赤泥注浆充填材料的材料组成设计方法；最后，依托实体工程，开展浆体高效搅拌与泵送工艺、干料混合与投料填充等施工关键技术研究，并进行注浆充填工程应用，评价其对环境的影响性。

(2)针对当前注浆充填系统施工效率低、劳动强度大的问题，结合赤泥注浆充填材料颗粒细小、搅拌困难的情况，研究投料顺序、搅拌时间等对赤泥注浆充填材料的工作性能与力学性能的影响规律，同时开展赤泥注浆材料泵送工艺的研究，从而获得赤泥注浆充填材料的施工关键技术。

(3)基于高效环保的制浆工艺设计与设备配套，用于采空区注浆充填赤泥的技术要求与水泥赤泥浆液、赤泥干投料的组成设计。

(4)基于上述研究成果，形成赤泥注浆充填材料施工关键技术。

3)创新点。

(1)研发新型固废赤泥注浆充填材料，提出从原材料要求到施工质量验收的成套工艺方案。

(2)基于赤泥注浆充填材料及采空区注浆工程需求，研发高效环保的制浆工艺设计与配套设备。

4.2 主要技术路线与应用研究

1)赤泥基本特性。

(1)研究赤泥的化学成分、矿物组成、外观形貌、表观密度、颗粒组成的关键物理化学性能，为注浆充填材料的组成设计提供数据基础。

(2)分颗粒粒级研究赤泥的化学成分、矿物组成、外观形貌、表观密度、吸水率、压碎值等关键物理化学性能，为注浆充填材料的组成设计提供数据基础。

2)赤泥注浆充填体系设计的应用基础研究。

(1)研究在不同水泥掺量(10%～30%)下，通过硬石膏调整赤泥中S03在 3.5%～10%的波动，检测净浆的凝结时间、力学性能以及胀缩系数，并同时检测孔溶液的pH值以及微观形貌，综合分析出不同水泥掺量、S03含量等对胶凝体系关键性能的影响规律以及其作用机理；

(2)在不同水泥掺量(10%～30%)下，固定赤泥中S03含量，通过掺入生石灰调整赤泥中CaO的含量，检测净浆的安定性、凝结时间、力学性能以及胀缩系数，并同时检测孔溶液的pH值以及微观形貌，综合分析出不同水泥掺量、f-CaO含量等对胶凝体系关键性能的影响规律以及其作用机理。

3)赤泥注浆充填材料的组成设计与性能研究。

针对赤泥注浆充填材料、赤泥复合制备注浆充填材料等两种注浆充填材料开展组成设计与性能研究，具体如下。

(1)赤泥注浆充填材料：研究水泥掺量、水胶比、外加剂种类与掺量等因素对赤泥注浆充填材料的工作性能、力学性能与膨胀性能的影响规律，通过微观测试手段揭示赤泥注浆充填材料强度形成机理与性能演变机制，提出赤泥注浆充填材料配比设计方法。

(2)赤泥注浆填充材料：研究水泥掺量、赤泥掺量、水胶比、炉渣粒级与级配、外加剂种类与掺量对赤泥注浆充填材料的工作性能(可泵性、注充性)、力学性能与膨胀性能的影响规律，通过微观测试手段揭示赤泥注浆充填材料强度形成机理与性能演变机制，提出赤泥注浆充填材料配比设计方法。

(3)赤泥干投料：研究赤泥比例对吸水自硬化性能的影响，提出赤泥灰渣干投料的组成设计方法。

4)赤泥注浆充填材料的施工关键技术与环境影响评价。

开展赤泥注浆充填材料的工程应用研究，并对其应用效果进行检测评价；同时，通过研究赤泥注浆充填材料浸出液的碱度、重金属离子含量等测定，以及地下水资源中污染性物质含量的监控，对赤泥注浆充填材料对环境的影响进行评价。

5 国内应用实例

1)2019年，山东省首次将拜耳法赤泥用于实际公路工程建设,并作为交通部科技示范项目应用于济青高速公路改扩建工程。

2)山东省淄博市淄川区修建了一条宽约15 m、长约4 km的赤泥路面基层材料公路。经过现场钻芯取样，表明赤泥路面基层达到了石灰工业废渣稳定土的一级和高速路的强度。

3)山东铝业股份有限公司在距离山铝第一赤泥堆场建设了一条约10 km的赤泥基层示范路，配合比为赤泥∶粉煤灰∶石灰=75∶15∶10(干质量比)。根据观测结果，其强度完全可以达到高速公路和一级公路的标准要求[3]。

图1为工业固废赤泥原状图，图2为赤泥路基试验路，图3为实验段施工前技术交底，图4为实验段施工后专家评审。

图1 工业固废赤泥原状图

图2 赤泥路基试验路

图3 试验段施工前技术交底

图4 试验段施工后专家评审

6 结束语

本次研究内容针对越来越多固体废物再生品用于高速公路的现状与未来预期，构建固废再生用于高速公路的全生命周期效益评估体系，旨在为以固废再生品为主的高速公路的绿色建设起到积极作用，为山西省绿色交通的发展提供借鉴意义。

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