铝矿废料改良土路基填料性能试验研究

丁永灿 刘贞鹏

摘要：广西铝矿资源丰富，铝矿废料是铝矿土经高温细磨提取有用矿物之后的剩余产物。文章研究铝矿废料单一改良土、铝矿废料石灰综合改良土及铝矿废料水泥综合改良土等不同方案改良土的最佳含水率、最大干密度、膨胀量、CBR值等指标，为矿业废料在公路工程中的应用提供试验依据。这不仅能够解决废料的占地及污染问题，还能为公路工程建设节约土地和投资成本，尤其对于土地资源并不富裕的广西来讲，充分体现了资源的可持续发展，具有十分重要的现实意义。

关键词：铝矿废料;改良土;路基填料

0 引言

土是工程建设的主要材料，天然土的强度和稳定性往往不一定满足工程建设的需要，此时除了对其进行换填之外，寻求各种途径对天然土进行改良也是一种有效的方式。

随着广西公路建设的发展，对路基填料的需求增大。广西铝矿资源丰富，在其生产加工过程中产生大量的铝矿废料，对环境造成较大污染。本文将铝矿废料掺入土中，研究铝矿废料改良土的工程性质，为工业废料在公路工程中的应用提供试验依据，不仅能够解决废料的占地及污染問题[1]，还能为公路工程建设节约土地和投资成本，尤其对于土地资源并不富裕的广西来讲，具有十分重要的现实意义。

1 试验材料及试验方案

1.1 原材料

土：广西南宁四塘后山取土，主要技术指标见表1;

石粉：广西南宁某公司生产的石粉，筛分试验结果见表2;

铝矿废料：产自广西平果铝矿;

石灰：广西南宁某厂石灰;

水泥：广西南宁某厂复合硅酸盐水泥P·C 32.5。

1.2 改良土制备及试验流程

结合国内外已有研究成果，确定改良土的制备及试验流程如下：首先将原状土烘干、碾碎、过筛，然后按照改良方案将不同的改良剂称量、掺入土中，拌和均匀形成改良土;接着对改良土进行不同含水率的击实试验，分别确定最佳含水率和最大干密度;最后对不同改良方案改良土按照最佳含水率成型试件，进行强度特性、变形特性等性能研究。

1.3 改良土方案

采用铝矿废料对土进行改良，最简单的思路就是在土中单独掺入一定剂量的铝矿废料直接形成改良土[2]。参照工程中常用的2∶8灰土，本研究中铝矿废料改良土最开始的改良方案同样定为20%铝矿废料+80%土。另外选定工程中常见的两种改良剂：石灰和水泥，拟定了6种综合改良方案，由于原状土的工程性质较差，在铝矿废料综合改良方案中同时还掺入了部分石粉，相当于对原状土进行初步处理，详见表3。

2 试验结果及分析

2.1 铝矿废料单一改良土性能试验研究

铝矿废料单一改良土的改良效果如表4和图1所示。

从表4和图1中可以看出，单独掺加20%的铝矿废料对土进行改良的改良效果并不十分明显，膨胀量由原状土的3.87 mm降低到3.50 mm，仅降低了9.6%;CBR值由原状土的2.3%提高到3.4%，增加了48%，但是仍然很小;最大干密度还有所下降，表明改良土的密实程度降低。

综合来看，尽管铝矿废料对土的工程性质有所改善，但是还远达不到理想的效果。若要大幅度提高铝矿废料改良土的性能，实现在工程中大规模使用铝矿废料的目的，需要结合其他改良剂对土进行综合改良，而非铝矿废料单一改良。

2.2 铝矿废料石灰综合改良土性能试验研究

铝矿废料石灰综合改良土的改良效果如表5和下页图2～4所示。

从表5和图2中可以看出，不同掺量下三种铝矿废料石灰综合改良土的最佳含水率相同，均为20.5%，相比原状土有所上升，这是由于加入的生石灰吸收一部分水所致[3]。

而不同掺量下三种铝矿废料石灰综合改良土的最大干密度相差不大，随着铝矿废料含量的减少（石粉含量增加），铝矿废料石灰综合改良土的最大干密度略有上升，但均比原状土小。分析原因，是由于生石灰遇水发生消化反应，体积膨胀，在周边缺乏强力约束的情况下，整个土体变得疏松，因而最大干密度有所降低;而其中掺入石粉时，由于石粉本身的密度较大，可使得改良土干密度减小的趋势有所缓解。

由试验结果可知，不同掺量下三种铝矿废料石灰综合改良土的膨胀量均较原状土有所降低，且随着铝矿废料掺量的减小（石粉掺量增加），膨胀量越来越小，石粉颗粒的加入对土体变形产生了一定的约束作用，减小了土体的膨胀变形，增加了土体的稳定性。

从表5和图4中可以看出，不同掺量下三种铝矿废料石灰综合改良土的强度均较原状土有了明显提高（提高幅度达1倍以上），但三者之间的差异很小，且绝对值仍较小。在铝矿废料改良土的基础上加入石灰进行综合改良的方案效果并不理想，需要寻求更有效的改良剂。

2.3 铝矿废料水泥综合改良土性能试验研究

铝矿废料水泥综合改良土的改良效果如表6和图5～7所示。

从表6和图5中可以看出，不同掺量下三种铝矿废料水泥综合改良土的最佳含水率相差很小，相比原状土有所上升，这是由于加入的水泥水化要吸收一部分水所致;但总体而言，铝矿废料水泥综合改良土的最佳含水率要低于铝矿废料石灰综合改良土，说明生石灰与水反应的需水量高于水泥[4]。

同时，不同掺量下三种铝矿废料水泥综合改良土的最大干密度相差也不大，基本与原状土持平，随着铝矿废料含量的减少（石粉含量增加），铝矿废料水泥综合改良土的最大干密度略有上升，当石粉含量达到30%时（方案F），改良土的最大干密度超过了原状土。与铝矿废料石灰综合改良土相比，铝矿废料水泥综合改良土的最大干密度有了较大幅度的提高，说明其密实程度更高。

由表6和图6可知，三种铝矿废料水泥综合改良土的膨胀量均较原状土有明显降低，且随着铝矿废料掺量的减小（石粉掺量增加），膨胀量越来越小，尤其当石粉掺量达到20%～30%时，铝矿废料水泥综合改良土的膨胀量已经很小，同时也低于同等条件下铝矿废料石灰综合改良土的膨胀量，表明此时改良土的变形稳定性更好。

从表6和图7中可以看出，三种铝矿废料水泥综合改良土的CBR值均远远高于原状土及铝矿废料石灰综合改良土，方案D、E、F的CBR值分别达到原状土的大约20倍、30倍和40倍，并且均超过了40%，铝矿废料水泥综合改良土方案在力学性能上表现良好。

3 结语

本试验研究按照统一的改良土制备、试验流程，对铝矿废料单一改良土、铝矿废料石灰综合改良土及铝矿废料水泥综合改良土等不同方案改良土的最佳含水率、最大干密度、膨胀量、CBR值等指标进行了对比分析，主要结论如下：

（1）铝矿废料∶土=2∶8时，改良土的最佳含水率、最大干密度、膨胀量、CBR值等与原狀土相比均变化不大，铝矿废料单一改良土的效果不明显，应结合其他改良剂对土进行综合改良。

（2）铝矿废料石灰综合改良土方案A、B、C与原状土相比：最佳含水率增大，最大干密度减小;膨胀量减小，土体稳定性增强;CBR值有所提高，但是绝对值仍然较小。铝矿废料石灰综合改良土方案在强度及变形等特性方面对土体有所改善，但是效果仍然不理想。

（3）铝矿废料水泥综合改良土方案D、E、F与原状土及铝矿废料石灰综合改良土方案A、B、C相比：最佳含水率高于原状土，但低于方案A、B、C，最大干密度高于方案A、B、C，并基本与原状土持平;膨胀量明显低于原状土及铝矿废料石灰综合改良土，土体变形减小;CBR值也要远远高于原状土及铝矿废料石灰综合改良土，达到40%以上。铝矿废料水泥综合改良土能够较为有效地改善土体各方面的工程性质，综合考虑可选方案E作为铝矿废料水泥综合改良土的推荐方案。

试验研究了铝矿废料单一改良土、铝矿废料石灰综合改良土及铝矿废料水泥综合改良土等不同方案改良土的最佳含水率、最大干密度、膨胀量、CBR值等指标，为矿业废料在公路工程中的应用提供试验依据，不仅能够解决废料的占地及污染问题，还能为公路工程建设节约土地和投资成本，尤其对于土地资源并不富裕的广西来讲，充分体现了资源的可持续发展，具有十分重要的现实意义。

参考文献：

[1]朱 军，兰建凯.赤泥的综合回收与利用[J].矿产保护与利用，2008（2）：52-54.

[2]陈 蓓，陈素英.赤泥的综合利用和安全推荐[J].化工技术与开发，2006，35（12）：32-35.

[3]刘嫦娥，李 楠，姜怡娇，等.铝工业废渣-赤泥的综合利用[J].云南环境科学，2006，25（3）：39-41.

[4]赖兰萍，周李蕾，韩 磊，等.赤泥综合利用与利用现状及进展[J].四川有色金属，2008（1）：43-48.

收稿日期：2020-06-02