论文总字数：26520字

摘 要

赤泥是铝土矿经过物理和化学过程处理，制取氧化铝产品后所剩余的红色泥状、含水量较高的强碱性固体废料。除了极少部分烧结法赤泥可以用于生产水泥外，大多数铝厂只能选择集中筑坝堆放的方式来对赤泥进行处理。然而赤泥的堆积存放会占用农田用地，铝厂也需要花费大量的堆场建设和维护管理费用。另外赤泥碱性比较高，直接堆放会污染地表地下水源，造成自然环境的严重破坏。为此开展相关研究将其应用在道路基层，使其得到有效利用。

首先对二灰稳定赤泥试件用扫描电子显微镜进行观察，对二灰稳定赤泥的强度形成机理进行了分析。其初期强度主要由赤泥骨料间的挤嵌力构成，后期以石灰与粉煤灰、赤泥反应生成物胶结在一起，形成的粘聚力为主。后对二灰稳定赤泥的配合比设计与相关强度指标进行了研究。根据击实试验和无侧限抗压强度试验优选出最佳配合比为70:7.5:22.5，再根据此最佳配合比制作试件进行了一系列的物理力学指标试验，得出其相关强度指标，表明二灰稳定赤泥符合规范的相关要求，可以用于道路基层。最后，根据以上研究所得的相关结论，以山东省淄博地区公路沥青路面现有结构为基础，结合结构组合设计与力学分析，以某一特定的情况为例，对二灰稳定赤泥基层沥青路面结构进行了厚度设计。

关键词：赤泥 配合比设计 强度机理 典型结构

Abstract

Red mud is a kind of solid waste with high water content and strong alkaline, which produced after a variety of physical and chemical treatment for the bauxite, in the preparation of alumina. In addition to a very small part of sintered red mud may be used for the production of cement, most red mud is put in dams made by alumina plants. However, the storage of red mud will occupy agricultural land and spend more constructions of yard and maintenance costs. Also alkaline waste will contaminate groundwater, causing serious damage to the natural environment. So the research will put the red mud into basement of roads to make it useful.

At first, scan stabilized red mud mixture with lime and fly-ash by using a scanning electron microscopy to find its strength mechanism. At the first stage, the strength of the mixture comes from frictional force between red mud particles. As the age of the mixture increasing, the strength comes from reactants between lime, fly ash and red mud.

Mixture designing and strength experiments are the second step of the research. According to compaction tests and unconfined compression strength tests, optimum mixture ratio of materials are found, which is 70:7.5:22.5. And based on this ratio, make some strength tests. It is turned out that using stabilized red mud mixture as basement of roads is practicable.

At last, based on existing road structure in Shandong Province and a particular situation, give a structure of asphalt road which uses stabilized red mud mixture as basement according to indicators above.

Key words: red mud, mixture design, strength mechanism, typical structure.

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 国内外赤泥道路材料的应用现状 1

1.3 本论文的主要工作 2

第二章 二灰稳定赤泥混合料的强度形成机理分析 4

2.1 电镜扫描试验 4

2.2 强度机理分析 5

2.3 本章小结 15

第三章 二灰稳定赤泥的配合比设计和强度指标 16

3.1 原材料的技术性质和要求 16

3.2 配合比设计 17

3.2.1 试验过程 17

3.2.2 数据分析 19

3.3 性能试验 20

3.3.1 冻融试验 20

3.3.2 干缩试验 21

3.3.3 温缩试验 23

3.3.4 间接抗拉强度试验 25

3.3.5 抗压回弹模量测试 26

3.3.6 抗冲刷试验 27

3.3.7 疲劳试验 28

3.4 本章小结 29

第四章 二灰稳定赤泥基层沥青路面结构设计 30

4.1 概述 30

4.2沥青路面设计 30

4.2.1 基本设计条件与参数 30

4.2.2 交通量数据和路面结构初拟 30

4.2.3 材料参数 31

4.2.4 计算过程 32

4.2.5 结构层层底拉应力验算 33

4.2.6 计算结果 33

4.3 本章小结 33

第五章 结论与展望 35

5.1 结论 35

5.2 展望 36

致谢 37

参考文献 38

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

赤泥是铝土矿经过物理和化学过程处理，制取氧化铝产品后所剩余的红色泥状、含水量较高的强碱性固体废料。因其成分中含有较多的三氧化二铁成分，故多数情况下呈暗红色。因矿石品位、生产方法和技术水平的不同，大约每生产1吨氧化铝要排放1.0~1.8吨的赤泥^[1]。中铝公司山东企业（山东铝业公司、中国铝业山东分公司）于1954年7月1日建成投产，是建国后的第一个氧化铝产品生产基地。其赤泥目前保有储量3000万吨，采用建设堆场集中堆积的方法处理，占用大量农田用地；另外在防护措施不完善的情况下，赤泥废液还可能污染地下水源，使其永久碱化。

商用氧化铝精炼有三种方法，即烧结法、拜耳法和组合处理法（拜耳烧结法）^[2]。由于烧结法从矿石中精炼氧化铝的比率较高，因而烧结法在中国应用较多，故烧结法赤泥的存量也远比其他两种方法产生的赤泥多。山东铝业公司就采用碱石灰烧结法生产氧化铝，产生的工业废渣即为烧结法赤泥。怎样对赤泥废料进行有效利用，一直是铝工业需要解决的问题。根据目前对赤泥的研究，对赤泥的利用主要集中在几个方面，一是从特定方法产生的赤泥中回收铁等金属，二是用作生产玻璃陶瓷的原料，三是作为建筑材料使用，四是可以用于生产化肥。但是从目前的情况来看，在中国赤泥的利用率仍然很低。因其具有凝结性，故提出将赤泥材料与合适的无机结合料混合后用作道路基层或底基层材料。这样做一是可以消化利用现存的赤泥材料，减少赤泥堆存占地和维护费用，减少对生态环境的影响，有利于环境保护；二是其用作道路材料，可以减少取土，节约耕地；在确保工程质量前提下，降低了工程成本，且符合国家节能减排的要求，对于全国铝行业发展具有战略意义和现实指导意义，有利于在全国推广。但是到目前为止，将赤泥用于道路基层的技术尚处于起步阶段，并没有一套成熟的理论^[3]。

1.2 国内外赤泥道路材料的应用现状

我国主要有一水硬铝石型铝土矿生产氧化铝的烧结法、联合法赤泥，其主要成分为硅酸二钙及其水合物；国外则以拜尔法为主，拜尔法赤泥的主要成分为赤铁矿、铝硅酸钠水合物和钙霞石等^[3]。

在国外，由于筑路材料的短缺，前苏联巴普洛达尔州的道路建设者首先对铝土矿渣进行了研究^[4]，其主要成分有硅酸二钙，四氧化三铁和铝酸盐等化合物，其中存在的大量硅酸二钙成分决定了其粘结性能。在一般条件下，铝土矿渣一般没有粘结力，但是在加压时会出现某些液压特性。当颗粒较细时，压实后短时间内可以很快达到一定的强度。巴普洛达尔州工程技术人员在应用铝土矿渣时利用以上特性铺筑了路面基层，于1981年建成了2公里长的第一段实验路，其设计结构为：基层整平层为石子-砂料，厚10cm；基层为铝土矿渣，厚15cm；上下面层分别为3cm的细粒式沥青混凝土和5cm的中粒式沥青混凝土。在建成后 6个月内进行的调查没有发现任何路面缺陷^[4]。但是由于赤泥只是氧化铝厂的副产品，与可以随用随取的传统筑路材料不同，要想大规模应用赤泥于道路基层中，必须要克服运输距离的限制。为此，前苏联的科研工作者也进行了一系列研究，认为将赤泥磨碎和添加其他的一些工业废渣来稳定会使得使用效果更好。

在国内，华中科技大学的杨家宽等人也进行了相关研究，对二灰稳定赤泥进行了配合比设计和强度试验。通过重型击实试验和无侧限抗压强度试验计算得出最佳配合比为赤泥：粉煤灰：石灰＝80：10：10，通过冻融稳定性试验、室内间接抗拉强度和抗压回弹模量试验等得出结论：二灰稳定赤泥基层之所以能具有较高的强度，是因为二灰结构经化学反应后形成胶结物，具有较高的强度稳定性，是一种气硬性及水硬性材料，需要较多的水分才能碾压成型^[4]。另外还在山东省淄博市铺筑了试验路段，经过检测后发现其运行情况基本良好。室内试验和室外试验路段均可以说明二灰稳定赤泥可以作为道路基层使用。

将赤泥应用于道路基层还存在以下的问题：

（1）赤泥土颗粒较细，用其他工业废渣稳定时用量比较多，会造成成本的提高；

（2）多数铝厂选择集中堆放的方法来处理赤泥，由此可能造成赤泥固结，形成较大的块状颗粒，使用前需要进行破碎；

（3）赤泥颗粒吸水性较强，不易控制含水量；

（4）若大规模运用，如何解决运输距离过长的问题。

1.3 本论文的主要工作

在本研究中，主要有三个方面的工作，即二灰稳定赤泥的配合比设计与强度试验、二灰稳定赤泥的电镜微观分析和二灰稳定赤泥基层的结构计算。

（1）二灰稳定赤泥的电镜微观分析。使用电子显微镜观察二灰稳定赤泥的目的是研究其微观结构，并据此提出二灰稳定赤泥的强度形成机理。其核心工作包括：选取符合相关要求的赤泥、石灰和粉煤灰等材料；按照合适的配合比，在最佳含水量条件下拌合制成试件；标准养护条件下分别养护7天、14天和28天；烘干后分别取试样用于电镜扫描。

（2）二灰稳定赤泥的配合比设计与物理力学指标试验。二灰稳定赤泥的配合比设计包括确定石灰与粉煤灰的比例，确定石灰粉煤灰与赤泥的比例以及确定混合料的最佳含水量。混合料的配合比设计与一般二灰稳定类混合料相同。另外在本研究中还要进行无侧限抗压强度、抗压模量及疲劳强度试验等强度指标试验，并针对前面研究中不完善的方面进行补充，相关实验流程按照相关规范要求进行。

（3）采用二灰稳定赤泥基层的沥青路面结构设计。将二灰稳定赤泥用作路面基层材料，材料参数明确以后，以山东省淄博地区公路沥青路面现有结构为基础，结合结构组合设计与力学分析，以特定的情况为例，对二灰稳定赤泥基层沥青路面结构进行了厚度设计。

第二章 二灰稳定赤泥混合料的强度形成机理分析

为了更好地了解赤泥混合料的强度发展规律，为施工工艺提供合理的依据，应对二灰稳定赤泥的强度形成机理进行分析。本章对赤泥混合料试件进行了电子显微镜扫描，主要目的是为赤泥混合料的强度形成机理提供理论上的支持，并以传统的二灰稳定类材料为基础，提出二灰稳定赤泥的强度形成理论。

2.1 电镜扫描试验

二灰稳定赤泥是用石灰和粉煤灰共同稳定工业废渣赤泥形成的具有一定强度的混合料，可以应用于道路基层。在二灰稳定赤泥混合料中，赤泥和粉煤灰都是工业废渣，进行电子显微镜（SEM）扫描以分析其强度形成的机理。试验过程如下：

（1）试验材料的选择。试验材料由淄博市公路局提供，石灰用临淄王寨生产的Ⅰ级消石灰，有效氧化钙和氧化镁含量之和达到83.9%；粉煤灰采用南定热电厂生产的二级粉煤灰；赤泥采用山东铝业股份公司生产氧化铝排放的烧结法赤泥；以上材料均符合《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034-2000）对原材料所规定的限值。水按照饮用水标准选用。

（2）试件的制备。根据相关资料和工程经验，选择混合料的配合比为赤泥：石灰：粉煤灰=75:10:15，含水量为40%。根据传统无机结合料稳定材料的强度增长规律，选择7天和14天两种龄期进行扫描。原计划全部制作无侧限抗压强度试验试件，但是由于其脱模后极容易开裂，无法直接成型，因此待其强度增长一段时间后再脱模作为试验试件。鉴于此，又制作了一批马歇尔试件作为对比。每个龄期每种试件2个，共计8个试件。制作好的试件如下图2.1所示。

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