楚金旺（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

赤泥的工程特性與混堆技術(shù)探討

Engineering characteristics of red mud and study on mixed stacking technique

楚金旺（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

燒結(jié)法赤泥與拜爾法赤泥的工程特性相差較大，燒結(jié)法赤泥膠結(jié)后強(qiáng)度較高，拜耳法赤泥較難膠結(jié)。本文通過分析燒結(jié)法赤泥和拜爾法赤泥的工程特性及其堆存現(xiàn)狀，提出赤泥混堆技術(shù)方案，并通過工程實(shí)例驗(yàn)證了其可行性。

赤泥堆場；燒結(jié)法赤泥；拜爾法赤泥；混堆技術(shù)；堆存技術(shù)

1 前言

赤泥是生產(chǎn)氧化鋁過程中排出的有害廢棄物，通常情況下，每生產(chǎn)1t氧化鋁產(chǎn)出1.0～1.3t赤泥。氧化鋁的生產(chǎn)方法在工業(yè)上只采用堿法，堿法又可分為拜爾法、燒結(jié)法、并聯(lián)法、串聯(lián)法和混聯(lián)法，相應(yīng)地排出拜爾法赤泥和燒結(jié)法赤泥等。本文主要研究拜爾法赤泥和燒結(jié)法赤泥兩種赤泥的混合堆存技術(shù)，簡稱混堆技術(shù)。

2 赤泥的工程特性

赤泥屬特殊類土，與一般土的物理力學(xué)性質(zhì)明顯不同，主要表現(xiàn)在天然含水量較高，天然重度較小，孔隙比較大，液限高，強(qiáng)度低。燒結(jié)法赤泥與拜爾法赤泥的工程力學(xué)性質(zhì)相差較大，燒結(jié)法赤泥膠結(jié)后強(qiáng)度較高，拜耳法赤泥較難膠結(jié)[1]。

2.1 燒結(jié)法赤泥的工程特性

（1）燒結(jié)法赤泥的物理性質(zhì)。燒結(jié)法赤泥屬粉質(zhì)粘土，黃褐色，土質(zhì)較均勻，振動(dòng)析水，在未膠結(jié)狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生地震液化現(xiàn)象。赤泥內(nèi)部毛細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)十分發(fā)達(dá)，具有較高的比表面積，勃式比表面積一般達(dá)4 000cm2/g以上。燒結(jié)法赤泥具有很好的觸變性、富水性和可塑性。天然含水量w介于59.4%～79.2%,平均值為72.8%；天然重度γ介于 15.3～16.0kN/m3，平均值為15.7kN/m3；孔隙比 e介于 1.690～2.062，平均值為 1.919；液限 wL介于65.9%～76.2%，平均值為71.0%。燒結(jié)法赤泥物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 燒結(jié)法赤泥物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

（2）燒結(jié)法赤泥的化學(xué)組成。赤泥的物質(zhì)組成取決于鋁土礦的成份、生產(chǎn)氧化鋁的方法和生產(chǎn)過程中添加劑的物質(zhì)成份，以及新生成的化合物成份等，赤泥的化學(xué)組成分析表（質(zhì)量百分比）見表2。由于化學(xué)成份不同，造成拜爾法和燒結(jié)法赤泥工程力學(xué)性質(zhì)相差很大。

表2 化學(xué)組成分析表[3] %

（3）燒結(jié)法赤泥的抗剪強(qiáng)度。燒結(jié)法赤泥有一定的水解自硬性，易于析水脫水。赤泥在自然脫水后，會(huì)產(chǎn)生膠結(jié)固結(jié)，時(shí)間一般為5～6個(gè)月。根據(jù)赤泥的剪切試驗(yàn)結(jié)果，膠結(jié)燒結(jié)法赤泥的內(nèi)摩擦角比較大，為24°～33°，相當(dāng)于粉質(zhì)粘土或細(xì)砂的內(nèi)摩擦角度值，抗剪強(qiáng)度最高可達(dá)到35.8kPa，粘聚力為6.6～33kPa，完全膠結(jié)后，粘聚力可高達(dá)70kPa。赤泥的內(nèi)摩擦角隨含水量的減少而增大，粘聚力隨含水量的減小而減小。當(dāng)燒結(jié)法赤泥達(dá)到膠結(jié)狀態(tài)后，赤泥的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化不明顯[2]。

2.2 拜爾法赤泥的工程特性

拜耳法赤泥屬粉質(zhì)粘土，紅褐色，土質(zhì)較均勻，不易析水、脫水和膠結(jié),通常呈流塑—軟塑狀。天然含水量w介于50.2%～70.3%，平均值為63.1%；天然重度γ介于 15.8～17.0kN/m3，平均值為16.5kN/m3；孔隙比 e介于1.403～1.824，平均值為 1.643；液限 wL介于55.1%～69.0%，平均值為60.2%，拜爾法赤泥物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表3。

與燒結(jié)法赤泥相比，拜爾法赤泥有以下不同。

表3 拜爾法赤泥物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

（1）拜耳法赤泥粒徑為0.05～0.01mm的占4%，0.01～0.005mm的占65%，＜0.005mm的占31%，比燒結(jié)法赤泥粒徑要細(xì)得多。拜耳法赤泥明顯比燒結(jié)法赤泥干密度大，孔隙比小。

（2）拜 耳 法 赤 泥 滲 透 系 數(shù) 為 1.90×10-5～3.25×10-5，比燒結(jié)法赤泥小1～2個(gè)數(shù)量級。

（3）拜耳法赤泥擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，最優(yōu)含水量為13.59%，最大干密度為1.40g/cm3。

（4）由于拜耳法赤泥顆粒細(xì)，滲透性差，難于自然脫水膠結(jié)固結(jié)，脫水固結(jié)與膠結(jié)時(shí)間較長，經(jīng)過9個(gè)月膠結(jié)后，自然堆存赤泥僅表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，呈半膠結(jié)狀態(tài)，其下呈軟塑狀態(tài)。

3 赤泥混堆技術(shù)研究

3.1 赤泥堆存技術(shù)現(xiàn)狀

目前赤泥堆存多采用燒結(jié)法赤泥和拜爾法赤泥分開堆放。燒結(jié)法赤泥的堆存通常采用水力充填法，例如山東鋁廠第一赤泥堆場，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并且在幾十年的生產(chǎn)過程中積累了較為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，單純的燒結(jié)法赤泥堆存已經(jīng)不存在技術(shù)問題。拜爾法赤泥的堆存一般采用干堆法（例如廣西平果鋁廠赤泥堆場）、水庫法，干堆法工藝復(fù)雜，運(yùn)營成本高，水庫法需要用天然材料一次性筑壩或分期筑壩，庫內(nèi)存放拜爾法赤泥，初期投資比較高。

（1）山東鋁廠第一赤泥堆場。山東鋁廠第一赤泥堆場建于1954年，占地45hm2，壩高73m，外坡坡度約為50°，存放的全部為燒結(jié)法赤泥，于2002年閉庫，共使用了48年。山東鋁廠建廠初期氧化鋁生產(chǎn)規(guī)模較小，排出的赤泥也比較少，赤泥筑壩速度比較慢，只有0.5m/a；后期氧化鋁生產(chǎn)規(guī)模增大，而且堆場的有效利用面積減少，赤泥堆筑的上升速度變大，達(dá)到4～5m/a。

第一堆場地層結(jié)構(gòu)由灰?guī)r、頁巖、砂巖、沖洪積粉質(zhì)黏土、雜填土等組成，赤泥堆壩土層組成為：表層主要為膠結(jié)泥狀赤泥和半膠結(jié)砂狀赤泥，互層狀，水平層理發(fā)育，較破碎，稍濕，堅(jiān)硬，層厚1～4m；中上層主要為半膠結(jié)泥狀赤泥，局部夾膠結(jié)砂狀赤泥透鏡體，互層狀，水平層理發(fā)育，可塑—硬塑狀，層厚1～34m；中下層主要為半膠結(jié)泥狀赤泥和半膠結(jié)砂狀赤泥，水平層理發(fā)育，為可塑—硬塑狀，層厚19.0～45.3m。

近年來，壩頂出現(xiàn)多條縱橫交錯(cuò)的高傾角或垂直裂縫，尤其以東南角最發(fā)育，其中一條貫穿堆壩的EW向，不規(guī)則裂縫寬10～50mm，最寬處達(dá)100mm。

（2）山西鋁廠蒼頭赤泥堆場。山西鋁廠二期120萬t/a氧化鋁燒結(jié)法赤泥與三期80萬t/a氧化鋁拜耳法赤泥均堆存于蒼頭赤泥灰渣場地。有兩種赤泥堆存筑壩方案，第一方案采用燒結(jié)法赤泥筑初期壩，壩底寬度為75.8m，壩頂寬度為45m，壩高為14m，壩外坡比1∶1.2，壩內(nèi)坡比1∶1，初期壩以上拜耳法碾壓筑子壩，子壩壩高6m，壩頂寬5m，內(nèi)外坡坡比均為1∶1.5，總壩高50m，庫內(nèi)堆存干法輸送的拜耳法赤泥；第二方案采用燒結(jié)法赤泥筑壩，壩底寬122m，壩頂寬5m，壩高60m，壩外坡比1∶1.2，壩內(nèi)坡比2∶1，庫內(nèi)堆存干法輸送的拜耳法赤泥。現(xiàn)在山西鋁廠采用的為第二方案，但庫內(nèi)濕法堆存拜耳法赤泥。

（3）廣西平果鋁堆場。廣西平果鋁廠干法赤泥堆場位于廣西平果縣新安鄉(xiāng)，年堆存拜爾法赤泥108萬t，采用干法輸送、干法堆存[4]。堆場占地45hm2，其中一期工程30hm2，1995年9月投入運(yùn)行，二期工程15hm2，2003年9月投入運(yùn)行。堆場分為5個(gè)庫區(qū)，輪流進(jìn)行布料、晾曬、筑壩作業(yè)。初期壩采用碾壓式土石壩，最大壩高10m，后續(xù)各級子壩用赤泥筑壩，每級子壩高6m，規(guī)劃使用到九級子壩后封庫，總庫容約900萬m3，目前已使用至二級子壩，最大堆積厚度約20m。

3.2 赤泥混堆技術(shù)研究

燒結(jié)法赤泥水力充填法、拜爾法赤泥干堆法、水庫法均為燒結(jié)法赤泥和拜爾法赤泥分開堆存，筆者稱其為分堆法。分堆法占地多，安全性差，投資較大，經(jīng)濟(jì)性較差。燒結(jié)法赤泥和拜爾法赤泥使用同一堆場進(jìn)行混合堆存，筆者稱其為混堆法，混堆法基于充分利用兩種赤泥的工程特性。某鋁廠進(jìn)行了赤泥混堆試驗(yàn)，將燒結(jié)法赤泥和拜爾法赤泥按重量1∶1的比例通過攪拌機(jī)攪拌充分混和（以下簡稱混和赤泥），用混和后赤泥進(jìn)行水力充填筑壩和庫內(nèi)充填試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明（經(jīng)一年的觀察），混和赤泥的排水和膠結(jié)效果都非常理想，膠結(jié)強(qiáng)度接近單純燒結(jié)法赤泥的膠結(jié)強(qiáng)度[5]。

燒結(jié)法赤泥和拜爾法赤泥的混堆技術(shù)方案有以下幾種：一是采用燒結(jié)法赤泥周邊筑壩，庫內(nèi)濕法或干法貯存拜爾法赤泥；二是利用混和赤泥周邊筑壩建庫，庫內(nèi)干法或濕法貯存拜爾法赤泥；三是混和赤泥水力充填法建庫堆存；四是利用混和赤泥干堆法堆壩建庫,由于燒結(jié)法赤泥的膠結(jié)作用，混和赤泥干堆法的安全性遠(yuǎn)好于拜爾法赤泥干堆法，堆存技術(shù)和拜爾法赤泥干堆法相同，本文不再論述。

某新建大型鋁廠年產(chǎn)出燒結(jié)法赤泥160萬t，拜爾法赤泥160萬t，擬利用一個(gè)堆場采用混堆技術(shù)進(jìn)行堆存，現(xiàn)采用上述前3種混堆技術(shù)方案分別進(jìn)行研究。

方案一：在堆場周邊利用燒結(jié)法赤泥采用充填法連續(xù)筑壩，庫內(nèi)貯存拜爾法赤泥。筑壩高度40m,外坡坡度1∶1.2，內(nèi)坡坡度1∶0.5。每次筑壩時(shí)充填高度為0.5～0.6m，為一級子壩，燒結(jié)法赤泥固結(jié)時(shí)間約為3～6個(gè)月，達(dá)到半固結(jié)狀態(tài)的時(shí)間約為3個(gè)月，庫內(nèi)排放拜爾法赤泥的高度不得超出半固結(jié)狀態(tài)的子壩，即每級子壩筑完3個(gè)月后才能用于攔擋庫內(nèi)拜爾法赤泥。

方案二：在堆場周邊利用混和赤泥采用充填法連續(xù)筑壩，庫內(nèi)貯存拜爾法赤泥。筑壩高度40m,外坡坡度1∶1.2，內(nèi)坡坡度1∶0.5。每級子壩的筑壩方法、拜爾法赤泥庫內(nèi)貯存方法同技術(shù)方案一，只是混和赤泥達(dá)到半固結(jié)狀態(tài)的時(shí)間約為6個(gè)月，即每級子壩筑完6個(gè)月后才能用于攔擋庫內(nèi)拜爾法赤泥。

方案三：全部利用混和赤泥水力充填法建庫堆存。筑壩高度40m,外坡坡度50°。

采用Bishop圓弧法對上述3個(gè)方案進(jìn)行壩體穩(wěn)定性分析，計(jì)算參數(shù)見表4，計(jì)算結(jié)果見圖1和圖2。

表4 計(jì)算參數(shù)

圖1 方案一和方案二壩體穩(wěn)定分析結(jié)果

圖2 方案三壩體穩(wěn)定分析結(jié)果

壩體穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，上述赤泥堆存方案是可行的，靜力條件和8度地震作用下均滿足滲流和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求。方案一和方案二筑壩的內(nèi)坡坡度應(yīng)該適當(dāng)放緩，改為1∶（0.8～1.0）。方案三的安全系數(shù)在靜力條件和8度地震作用下都比較大，但最危險(xiǎn)滑動(dòng)面大部分位于庫內(nèi)充填混和赤泥內(nèi)，這說明庫內(nèi)充填混和赤泥的強(qiáng)度比較低，應(yīng)加強(qiáng)庫內(nèi)排水，提高庫內(nèi)混和赤泥的膠結(jié)、固結(jié)速度，另外，增加混和赤泥筑壩壩體底部的寬度，避免壩體底受到剪切破壞。

4 結(jié)語

（1）赤泥屬特殊類土，與一般土的物理力學(xué)性質(zhì)明顯不同，而且燒結(jié)法赤泥與拜爾法赤泥的工程力學(xué)性質(zhì)相差也較大，燒結(jié)法赤泥膠結(jié)后強(qiáng)度較高，拜耳法赤泥較難膠結(jié)。

（2）提出的4種赤泥混堆技術(shù)方案都是可行的，都可滿足滲流和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求。

（3）通過對赤泥混堆技術(shù)的研究可知，影響堆場穩(wěn)定的主要因素有赤泥膠結(jié)程度、筑壩上升速度、壩體浸潤線高度、干灘長度、排洪設(shè)施的排洪能力、堆場地基承載力、赤泥礦漿固水比、壩體上下游坡度及壩頂寬度，其中筑壩赤泥的膠結(jié)程度是堆場穩(wěn)定的最大影響因素，必須保證筑壩赤泥充分膠結(jié)、固結(jié)。

（4）本文初步探討了赤泥的混堆技術(shù)，今后需深入研究不同配比的混和赤泥的工程特性，推動(dòng)混堆技術(shù)在赤泥堆存中的應(yīng)用。

[1]吳炎森,藏其芳,杜長學(xué).赤泥的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究[J].巖土工程界，2006，9（3）.

[2]陳存禮，胡再強(qiáng)，謝定義.赤泥的變形—強(qiáng)度特性與結(jié)構(gòu)性關(guān)系的研究[J].巖土力學(xué)，2004，（12）.

[3]景英仁，景英勤，楊 奇.赤泥的基本性質(zhì)及其工程特性[J].輕金屬，2001，（4）.

[4]李明陽.拜耳法氧化鋁廠干法赤泥堆場的邊坡穩(wěn)定分析[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，（4）.

[5]孫運(yùn)德.“混合赤泥半干法堆存技術(shù)”的研究與應(yīng)用[J].有色冶金節(jié)能，2009，（3）.

X75

B

2010-06-24

楚金旺（1977-），男，山東禹城人，工程師，從事尾礦庫和漿體輸送設(shè)計(jì)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