“固化赤泥-人工膜”复合防渗材料研究.pdf

“ 固化赤泥 － 人工膜” 复合防渗材料研究 * 陈南1杭鹏2常向阳1李冬梅1李锦文1楼益明1 1. 广州大学环境科学与工程学院，广州 510006;2. 中国有色金属工业总公司西安勘察设计研究院，西安 640001 摘要 赤泥本身具有良好的防渗性能， 加入石灰作为激发剂， 更可提高其防渗性。根据土工合成材料测试手册 和 GB/T 501231999 土工试验方法标准 进行渗透试验， 结果表明 室内试验在赤泥中加入 8 石灰， 并夹一层人工防 渗膜形成的复合防渗材料， 在固化28 d后， 其渗透系数可达 7. 3 ～ 7. 4 10 － 9 cm/s。在工业试验中， 夹入不同厚度和 质地的人工防渗膜的石灰 8 固化赤泥， 渗透系数可达到 6. 32 10 － 9 ～ 1. 89 10 － 7 cm/s。研究成果在中原某铝厂 赤泥堆场防渗工程中得到了应用。 关键词 赤泥;人工防渗材料;渗透系数;固化 STUDY ON CONSOLIDATED RED MUD- ARTIFICIAL FILM IMPERMEABLE COMPOSITE MATERIAL Chen Nan1Hang Peng2Chang Xiangyang1Li Dongmei1Li Jinwen1Lou Yiming1 1. School of Environmental Science and Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006， China; 2. Xi an Engineering Investigation and Design Research Institute of China National Non-ferrous Metals Industry，Xian 640001，China AbstractWhile red mud functions well in impermeability，it can do better when mixed with lime． The permeability tests were implemented according to GB/T 501231999. The findings indicated that in the laboratory，the permeability coefficient of consolidated red mud-artificial film was 7. 3 ～ 7. 4 10 － 9 cm/s when 8 lime was mixed to consolidate the red mud that was cured for 28 d． In pilot tests，the permeability coefficient of consolidated red mud 8 limesandwiched with artificial film with different thickness was 6. 32 10 － 9 ～ 1. 89 10 － 7 cm/s． Research results were applied to the engineering case of a aluminium factory in the midland of China． Keywordsred mud;artificial impermeable material;permeability coefficient;solidification * 国家自然科学基金 41073003 ; 粤港关键领域重点突破项目招标项 目 2009A03902004 。 0引言 赤泥是铝土矿冶炼生成中间产品氧化铝过程中 产生的 一 种 尾 矿， 我 国 每 年 的 排 放 总 量 超 过 600 万 t［1］。在铝厂， 赤泥多为陆地露天排放， 由于赤泥 的排放量大， 占用大量土地和污染环境， 赤泥的综合 利用也一直受到人们的关注［2- 6］。由于赤泥在固结后 本身具有防渗性能， 在赤泥堆放场， 赤泥总是作为堆 放场坝的建筑材料， 这不仅可以防治环境污染， 而且 还降低了堆场的建设成本。但是， 在许多铝厂， 由于 受地质条件等限制， 仅依靠赤泥本身防渗不能满足环 境保护的要求， 如何通过改良方法， 提高赤泥的防渗 性能成为铝工业环境保护的课题之一。本研究从中 原某铝厂赤泥堆场防渗的实际需要出发， 通过室内和 工业试验两个阶段， 对该铝厂赤泥堆场的防渗方法进 行了探讨， 其成果也得到实际应用。 1赤泥的排放与性质 1. 1赤泥的产生与排放 赤泥的排放量与铝土矿的品位、 工艺方法以及生 产管理等因素有关。多采用管道将赤泥输送到堆场， 也由此产生了赤泥附液 赤泥在堆场沉淀后的上清 液 。尽管工厂会对赤泥附液进行回收， 但由于在堆 场会停留一段时间， 回收不完全和降水等原因， 附液 也可成为重要污染源。因此， 在研究赤泥污染时， 一 般都将赤泥废渣和附液视为一个整体。 1. 2赤泥的化学成分和工程特性 赤泥的化学成分取决于铝土矿成分和生产工艺。 38 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 以中原某铝厂排放的赤泥为研 究 对象 试 验 用样 品 ， 其本身及其附液的化学成分分析结果分别见表 1 和表 2。该铝厂赤泥化学成分以 CaO、 SiO2、 Al2O3 和 Fe2O3为主。根据 GB 5085. 12007危险废物鉴 别标准 腐蚀性鉴别 ， 考虑到赤泥和附液为一个整 体， 在此将该铝厂的赤泥归属于危险固体废弃物［7］。 表 1赤泥的主要化学成分 SiO2 CaO Fe2O3Al2O3 MgO TiO2K2ONa2O 灼减 21. 3636. 018. 568. 761. 862. 640. 773. 2116. 26 表 2赤泥附液的化学成分mg/L pH 除外 项目pH总碱度KNa硫酸盐氯盐碳酸盐 OH－F 碱 Na2O Al 样品 1 13. 00 22 4465595 2735359933 5605 61420. 3013 917508 样品 2 12. 50 26 3484533 91713 207 1 47414. 0016 3351 546 样品 3 12. 50 16 507 1 243 14 03316. 5010 234 由于赤泥成分 50 以上为二钙硅酸盐， 与水泥 成分相似， 在一定条件下具有水硬胶结性。自然条件 下赤泥堆存 3 ～ 6 个月， 即可固结 从可塑体变为 半固体。赤泥自然固结后的渗透系数一般可达 2. 56 ～ 3. 62 10 － 5cm/s， 为弱透水性材料［8］。同时， 赤泥 的防渗性能会随堆存时间延长和堆存高度增加而逐 步提高， 其结果见表 3。 表 3赤泥堆场不同深度渗透系数cm/s 深度＜ 10 m10 ～ 20 m20 ～ 30 m30 ～ 40 m＞ 40 m 渗透系数5. 0 10 － 4 1. 0 10 － 4 5. 0 10 － 5 1. 0 10 － 5 5. 0 10 － 6 注 资料来源于中国有色金属工业总公司西安勘察院 1988 年 。 赤泥含水量大， 一般在 50 以上， 甚至可以高达 89. 97 。同时， 赤泥的孔隙度高， 孔隙比达 2. 37 ～ 2. 85。但是赤泥在工程性质上却表现为高抗剪强度， 内摩擦角为 29 ～ 31［8- 9］。这为赤泥的工程应用提供 了良好的前景， 可以作为赤泥堆放场的防渗材料而就 地利用， 达到既废物利用又能降低建设成本的双重目 标。尤其是加入石灰后的赤泥， 其强度有效提高， 可 以全面改善赤泥的工程性能［9］。 2赤泥防渗性能试验 2. 1室内试验 2. 1. 1样品的制备和测定方法 渗透试验的设计与计算参照土工合成材料测 试手册 ［10］和 GB/T 501231999土工试验方法标 准 ， 以及实际研究目标。 在试验用赤泥中分别以不同的比例掺加石灰， 以 赤泥附液 从实际出发 为搅拌液， 手工充分搅拌后， 放入直径分别为98 mm和200 mm的圆型塑料管内， 制 样高度依次为 18 ～ 35 cm， 7 ～ 15 cm。为消除测试液 沿光滑管壁流动对试验结果的影响， 将 3 组样品的管 壁进 行 了 打 糙 处 理。试 验 样 品 中 赤 泥 含 水 率 为 60 ; 石灰氧化钙含量为 64. 9 ， 含水率为 3 ， 掺加 比例依次为 4 、 6 、 8 、 12 ， 试样密度为 1. 44 ～ 1. 59 g/cm3。 样品制作好后， 将塑料管用法兰连接， 并用垫胶 片和凡士林油密封。用赤泥附液作为测定用试液， 采 用变水头或定水头静压法， 保持水头分别在 2. 0 ～ 15. 0 m 考虑赤泥堆放较高， 提高水头设计， 最高处 位于实验楼顶部 ， 记录水位变化或渗入水量， 测定 时间为赤泥固结后第 7 天、 第 14 天、 第 28 天， 共 3 次。试验装置如图 1 所示。 图 1渗透系数测定装置示意 2. 1. 2计算方法 根据达西定律得到渗透系数的计算公式［11］ K QJ/A 1 其中 K 渗透系数， cm/s; Q 渗流量， cm3/s; J 水力坡度; A 横截面积， cm2。 2. 1. 3试验结果分析 渗透试验结果见表 4。 从表 4 可以看出 随固结时间的延长， 赤泥的渗 透系数愈来愈小， 即其防渗性能愈来愈好。但是并没 有数据证明， 固结时间对渗透系数值的影响是无限 的。渗透系数与赤泥中加入的石灰含量有一定关系， 48 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 表现为石灰含量增加， 渗透系数逐步减小， 尤其当石 灰含量从 4 增加到 8 时， 渗透系数减小的幅度明 显， 而再增加到 12 时， 渗透系数则减小不明显。 试验中， 对 3 组试验用的塑料管壁进行了打糙处 理， 以减少其对试验结果的影响。从表 4 可以看出 管壁的确对渗透系数的数值有所影响， 经打糙处理后 的试验样， 渗透系数值相对较小， 最小值可达到4. 6 10 － 9 cm/s。 从固化赤泥的渗透试验结果可以得出 加 8 的 石灰固化赤泥， 其渗透系数与再增加石灰含量的固化 赤泥没有明显差别， 因此， 采用这一含量的石灰来固 化赤泥即最为经济实用。但是， 就本研究中针对的中 原某铝厂而言， 由于地处破碎的奥陶纪石灰岩上， 仅 用石灰固化赤泥难以满足赤泥堆场的防渗要求， 故初 步设计采用石灰固化赤泥夹人工防渗膜形成的复合 防渗层进行堆场的防渗工程。为此， 在室内进行了 “固化赤泥 － 人工膜” 复合材料的渗透试验， 结果见 表 5。 表 4固化赤泥渗透系数值cm/s 石灰含 量 / 7 d 一周 14 d 二周 28 d 四周 备注 43. 6 10 － 5 7. 0 10 － 5 5. 8 10 － 5 2. 9 10 － 5 1. 6 10 － 5 83. 5 10 － 8 1. 6 10 － 8 1. 0 10 － 8 2. 8 10 － 7 7. 5 10 － 8 5. 8 10 － 7 9. 5 10 － 7 4. 5 10 － 7 2. 0 10 － 7 1. 7 10 － 7 3. 2 10 － 8 1. 2 10 － 7 1. 0 10 － 7 6. 2 10 － 7 1. 7 10 － 7 8. 0 10 － 8 1. 2 10 － 8 2. 8 10 － 7 7. 9 10 － 8 1. 2 10 － 8 5. 1 10 － 7 5. 4 10 － 7 5. 2 10 － 7 3. 6 10 － 7 1. 8 10 － 8 2. 5 10 － 7 6. 8 10 － 8 管壁进行处理 126. 5 10 － 7 1. 6 10 － 7 4. 2 10 － 8 2. 3 10 － 7 7. 3 10 － 8 5. 1 10 － 8 4. 6 10 － 9 管壁进行处理 3. 0 10 － 8 4. 0 10 － 9 管壁进行处理 表 5复合防渗材料的渗透系数值cm/s 试样 固化赤泥 加 8 石灰， 厚度 0. 2 m， 28 d 固结 人工防渗膜 厚度 0. 5mm， 土工织物 固化赤泥人工膜 上下固化赤泥 厚度各为 0. 2 m 11. 9 10 － 7 9. 9 10 － 12 7. 3 10 － 9 21. 6 10 － 7 9. 8 10 － 12 7. 4 10 － 9 从表 5 可以看出 采用石灰固化赤泥夹人工防渗 膜形成的复合防渗材料， 其渗透性能有了明显改善， 渗透系数从 1. 6 ～ 1. 9 10 － 7降低至 7. 3 ～ 7. 4 10 － 9 cm/s。具备这种防渗性能的复合材料一般均能 满足赤泥堆场的防渗要求， 并且由于其上下层赤泥分 别作为覆盖层和垫层的保护， 不仅可以减少堆场地质 条件不良， 裸露岩石或碎石对人工防渗材料的破坏， 而且可以减少施工中从远处运输黏土作为垫层以保 护人工防渗材料所需的运输费用。 2. 2工业试验 中试 2. 2. 1基本情况 工业试验场地选择在中原某铝厂赤泥堆场管理 站院落中。 试块材料 赤泥来自该铝厂赤泥堆场， 含水量 为 46 ～ 62 。所用石灰也取自该铝厂石灰窑。将 石灰过直径8 mm筛， 用于搅拌的液体为赤泥附液渗 出坝后的渗水， pH 值 13. 18。人工防渗膜为两布一 膜类型， 分别选取了国内 3 个厂家提供的防渗膜材 料。主要参数见表 6。 表 6人工防渗材料主要参数 类别产品名称膜厚 /mm原料 1XD- 103 防水复合柔毡0. 5沥青 2复合土工薄膜0. 2聚氯乙烯 3土工织物复合材料0. 3聚氯乙烯 试块按材料构成分为 2 种类型 1 加入石灰的固 化赤泥; 2 加入石灰的固化赤泥夹人工防渗膜形成 的复合防渗材料。平地施工， 每个试块面积 4 m 5 m 20 m2， 厚0. 4 m， 共 4 块， 其中 1 块为没有夹人工膜 的石灰固化赤泥， 其余 3 个试块为0. 3 m厚赤泥分别夹 3 种人工膜。试块的制作参照实际施工情况， 用搅拌 机搅拌石灰入赤泥中。根据室内试验的结果 m 赤泥 ∶ m 石灰 100∶ 8。赤泥的原有含水量为 50 ～ 60 ， 经加入赤泥附液搅拌后的含水量为 70 ～75 。 用于测试渗透系数的试验装置在试块的制备过 程中安装， 为内径200 mm的聚氯乙烯管。每个试块 安装 3 套， 共安装 12 套。其中石灰固化赤泥试块 3 套， 石灰固化赤泥夹人工膜 9 套， 每个试块计算的渗 透系数 K 值为 3 套装置测定计算后的平均值。渗透 试验装置结构与室内试验相似， 参见图 1。 2. 2. 2渗透系数测定与计算 采用变水头静压法， 水头高度 2. 0 ～ 3. 0 m。试 验中共观察 7 次， 分别为第 1， 2， 3， 4 周 每天连续观 测， K 值为最后一天的值 和 3， 6， 12 个月 最后一天 观测 一 次，计 算 K 值 ，每 次 观 察 为 7 00AM 58 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 8 00AM点间， 以减少温差的影响。 渗透系数的计算方法与室内试验相同。但是， 为 消除夏季高温致使测管中水蒸发造成的水位下降误 差， 观测过程中设置了 2 套监测蒸发量的装置， 测定 每日蒸发量而引起的水平下降值， 并在渗透系数计算 时， 以水位降低值减去该值， 尽量抵消蒸发的影响。 2. 2. 3结果分析 通过工业试验的监测结果， 计算得到的渗透系数 值 换算为20 ℃ ， 参见 GB/T 501231999 见表 7。 表 7工业试验渗透系数值 试样 试样厚度 / cm 固结时间 /d 渗透系数 K20/ cm s － 1 Ⅰ赤泥 4071． 44 10 － 7 141． 20 10 － 7 218． 40 10 － 8 287． 16 10 － 8 906． 06 10 － 8 1805． 75 10 － 7 3605． 40 10 － 8 Ⅱ赤泥 3071． 89 10 － 7 人工膜 0． 05147． 70 10 － 8 214． 30 10 － 8 282． 70 10 － 8 904． 48 10 － 8 1801． 12 10 － 8 3607． 01 10 － 9 Ⅲ赤泥 3075． 63 10 － 8 人工膜 0． 02143． 70 10 － 8 213． 30 10 － 8 283． 08 10 － 8 90 受损失败 1801． 02 10 － 8 3601． 72 10 － 8 Ⅳ赤泥 3073． 60 10 － 8 人工膜 0． 03143． 15 10 － 8 212． 97 10 － 8 281． 83 10 － 8 901． 93 10 － 8 1806． 32 10 － 9 3601． 23 10 － 8 从表 7 可以看出 与室内试验结果一致， 在野外 条件下， 石灰 质量分数 8 固化赤泥的渗透系数可 达到 8. 40 10 － 8 ～ 1. 44 10 － 7 cm/s， 并随着固结时 间增长而减小， 但固结 4 周后趋于稳定。对于夹入不 同厚度和种类人工防渗膜的石灰固化赤泥材料， 渗透 系数值则差异较小， 在 6. 32 10 － 9 ～ 1. 89 10 － 7 cm/s 之间。另外， 在中试完成后， 将试块中的人工防渗材料 取出观察， 发现所选三种人工材料中， 以沥青为材质， 型号为 XD- 103 防水复合柔毡质地变得脆硬， 易于破 损， 这种材料难以经受高碱性赤泥的腐蚀， 不宜采用; 而聚氯乙烯材质的人工防渗材料较为理想， 这也与室 内防渗材料的试验结果一致［12］。 3结论与讨论 1 天然赤泥本身就具有良好的防渗性能， 渗透 系数可以达到 2. 56 ～ 3. 62 10 － 5 cm/s， 而如果加 入石灰作为激发剂， 更可提高其防渗性。本研究发 现， 在室内试验中， 用加入 8 石灰固化 28 d 后的赤 泥， 其渗透系数可达 1. 6 ～ 1. 9 10 － 7cm/s， 而相同 条件下， 在试样中再夹一层人工防渗膜形成的复合防 渗材料， 其渗透系数可达 7. 3 ～ 7. 4 10 － 9cm/s。 2 根据室内试验结果， 确定了在赤泥中加入石 灰的比例为 8 的工业试验方案。该方案既考虑提 高防渗性能， 又能节约成本。从工业试验 中试 的 结果可看出 加入 8 以上的石灰， 基本能满足中原某 铝厂赤泥堆场的防渗设计要求 K ＜ 1. 0 10 － 8cm/s 。 而在石灰固化赤泥中夹入一层人工膜形成复合防渗材 料， 其渗透系数可达 6. 32 10 － 9 ～1. 89 10 － 7cm/s， 完 全能够满足该赤泥堆场的防渗要求。 3 本试验以解决中原某铝厂赤泥堆场防渗的实际 需要为研究目标， 在试验中， 渗透试验装置制作尽量接 近实际， 使用赤泥附液而不是水来搅拌试样和作为渗 透液。但是， 根据达西定律的要求， 试验所采用的渗透 液如果不是水， 而是其他液体， 其计算所得的渗透系数 应换算为渗透率， 以反映纯粹由岩石空隙所决定的渗 透性能。渗透系数与渗透率之间的换算公式为［11］ K K0γ/μ 2 从式 2 可以看出 渗透率与液体的容重和动力 黏滞系数有关。对于同种材料， 渗透率与渗透系数的 换算结果在趋势上没有差别。因而， 在结果分析时仍 采用渗透系数进行了讨论。 4 根据室内和工业试验， 石灰固化赤泥夹人工 膜复合防渗材料在中原某铝厂赤泥堆场标高 162 ～ 168 m间已得以应用， 铺设面积约 4 万 m2。运行数据 表明 这是一种较为理想的防渗措施。 下转第 90 页 68 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 利于热传导， 保温性能较好， 但强度相对越差。制得 的 7 组砌块的平均抗压强度及导热系数， 均达到了国 家轻质复合混凝土砌块的最高强度和最小导热系数 的技术标准。经检测， 实验砌块性能完全可以达到我 国墙材节能 50 的国家规定标准， 经组合及进一步 处理， 还将满足国家墙体材料节能 65 的最新标准。 3结论 1 说明采用制造新型复合混凝土的方法来处理 工业和建筑固废， 获得的混凝土可达到要求的强度和 性能。 2 实验完成了各物料的最佳配比， 以及各种助 剂的最优掺合量的确定， 可以用来优化普通混凝土的 性能， 使制得的混凝土石材达到强度要求。 3 鉴于此方法推广研发了新型保温材料。利用 本身具有轻质、 保温性能的固废进行探索性实验， 并 改进了保温建筑材料的工艺设计， 此专利方法可推广 至今后废物回用以及高性能建材的研发。 参考文献 ［1］杨德志， 张雄． 建筑固废资源化利用战略研究［C］/ / 中国硅酸 盐学会房建材料分会 2006 年学术年会． 海口， 2006 105- 107． ［2］王健， 李懿． 建筑垃圾的处理及再生利用研究［J］． 环境工程， 2003， 21 6 49- 52． ［3］鞠春华． 某些工业固体废弃物的资源化［J］． 国土与自然资源 研究， 1998 1 76- 79． ［4］Sun J， Liao H F． The sustainable development of the technology of highperanceconcrete ［C］/ /InternationalSymposiumon Innovation and Sustainability of Structures in Civil Engineering． Guangzhou， 2009144- 147． ［5］顾林祥． 混凝土结构基本原理［M］． 上海 同济大学出版社， 2004 1 21- 22． ［6］重庆建筑工程学院，南京工学院． 混凝土学［M］． 北京 中国 建筑工业出版社， 1981 206- 210． ［7］张伟， 侯鹏宇． 混凝土外加剂掺量试验［J］． 河南水利与南水北 调， 2008 5 55- 60． ［8］李永前． 混凝土外加剂技术及其应用［J］． 技术园地， 2008 1 56- 58． ［9］颜承越． 粉煤灰类保温材料的导热系数［J］． 粉煤灰综合利用， 1994 4 69- 70． 作者通信处薛丽洋730000兰州市兰州大学 1 号研究生公寓 E- mailxuely10 lzu． edu． cn 2011 － 07 － 07 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 86 页 参考文献 ［1］赖兰萍， 周李蕾， 韩磊， 等． 赤泥综合回收与利用现状及进展 ［J］． 四川有色金属， 2008 1 43- 48． ［2］何伯泉， 周国华， 薜玉兰． 赤泥在环境保护中的应用［J］． 轻金 属， 2001 2 24- 26． ［3］Mishra B，Staley A， Kirkpatrick D． Recovery and utilization of iron from red mud ［J］． Light Metal， 2000， 15149- 156． ［4］A Ihsan Cakici， Jale Yanik，Suat Uar， et al．Utilization of red mud as catalyst in conversion of waste oil and waste plastics to fuel ［J］．Journal of Material Cycles and Waste Management，2004 6 20- 26． ［5］杨家宽， 候健， 齐波， 等． 铝业赤泥免烧砖中试生产及产业化 ［J］． 环境工程， 2006， 24 4 52- 55． ［6］孙体昌， 解建伟， 李发生． 用赤泥制备复合混凝剂的研究［J］． 环境工程， 2003， 21 5 71- 73． ［7］侯永顺． 赤泥性质判别与赤泥堆场防渗要求［J］． 轻金属， 2005 2 16- 18． ［8］ZhangYongshuang，QuYongxin， WuShuren．Engineering geological properties and comprehensive utilization of the solid waste red mud in aluminium industry［J］．Environmental Geology，2001， 41 249- 256． ［9］曲永新， 关文章， 张永双， 等． 炼铝工业固体废料 赤泥 的物质 组成与工程特性及其防治利用研究［J］． 工程地质学报， 2000， 8 3 296- 305． ［ 10］南京水利科学研究院． 土工合成材料测试手册［M］． 北京 水利 电力出版社， 1991 48- 64． ［ 11］陈崇希， 林敏． 地下水动力学［M］． 武汉 中国地质大学出版社， 1999 7- 10． ［ 12］陈南． 铝工业废渣堆场防渗材料研究［J］． 广州师院学报 自然 科学版 ，2000， 21 5 12- 17． 作者通信处常向阳510006广州番禺区大学城外环西路 230 号 A129 信箱环境科学与工程学院 E- mailnancychen 126. com 2011 － 07 － 06 收稿 09 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期