拜耳法赤泥筑坝理论分析及实例
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中图分类号：X758 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0288-01
赤泥是从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物，一般含氧化铁量大，外观与赤色泥土相似，因而得名。但有的因氧化铁含量较少而呈棕色，甚至灰白色，从生产工艺上来讲，赤泥分为拜耳法赤泥、烧结法赤泥以及联合法赤泥。
对于赤泥的处置类似尾矿、废渣等一般工业废弃物，有排海、干堆、湿堆、综合利用等。但目前大多数情况下，赤泥仍然采用陆地堆存的方式，排放的方法也分为水力冲填、干堆、膏体排放等多种。从经济、环保的角度出发，为减少土地侵占，节省材料消耗，广大科研院校和设计单位都对赤泥的筑坝工艺进行了深人的研究，并应用于生产实际。总体上讲，对于烧结法赤泥筑坝工艺相对成熟而且应用普遍，对于拜耳法赤泥筑坝仍然处于探索试验阶段。
传统意义上认为烧结法赤泥 CaO含量高，在水中会向水泥一样凝结，具有所谓的“水硬性”， 水下可以形成堆积能力，并用于堆坝。而拜耳法赤泥的力学性质接近淤泥，不具备堆积能力。对于烧结法赤泥的处理，国内大部分生产单位采用类似传统尾矿坝的做法，采用山谷型或者平地型湿式堆场堆存。初期坝采用土、石等传统筑坝材料，后期采用烧结法赤泥堆坝。对于拜耳法赤泥的处理，通常采用一次性建坝，类似水库坝，堆存赤泥。随着高效率、规模化脱水设备的出现以及筑坝技术的不断更新，越来越多的新的堆存工艺被运用到生产实践中，比如干式堆存、膏体堆存等、同时，很多科研单位对于拜耳法赤泥的物理力学性质进行了系统研究，不少生产单位也对拜耳法赤泥的筑坝工艺进行了积极的尝试。
1.拜耳法赤泥力学特性分析
通过与烧结法赤泥的相关性质进行类比，深人分析拜耳法赤泥的各项力学性质。
（1） 化学组成。烧结法赤泥主要成分为60 % -65 % 文石和方解石，其次是蛋白石、三水铝石、针铁矿以及少量的钛矿物、菱铁矿、天然碱和火碱。矿物组成复杂。也不符合天然土的矿物组合。这些矿物中，文石、方解石和菱铁矿既是骨架，又有一定的胶结作用，三水铝石、针铁矿、水玻璃起胶结作用和填充作用。
拜耳法赤泥主要由含水化合物以及针铁矿FeO（OH）、赤铁矿Fe2O、水硬铝石Al2O3・H2O和方解石CaCO3组成，多孔结构， 比表面积大。拜耳法赤泥的 CaO 和SiO2含量低，不具备烧结法和联合法赤泥所特有的水硬胶凝性，力学性能较差。
（2） 物理力学指标。综合现有资料， 拜耳法赤泥的颗粒组成大致如下：d10为0.001mm，d30为0.0025mm，d50为0.01mm，中值粒径d50为0.005mm；粒径大于0.074mm的约占5%，粒径大于0.037mm的约占20%。
拜耳法赤泥湿密度在1.9～2.3g/cm3，比重大于3，孔隙比大于1，含水率接近饱和。塑限22～25%，液限29～33%，塑性指数10～12，压缩系数一般都大于0.1Mpa-1，压缩性中等偏高；渗透性强，通常低于10-6cm/s。
拜耳法赤泥的力学指标（粘聚力与内摩擦角）随着含水率的不同有较大变化，通常是塑限附近较大，含水率越大，指标越低，超过液限侯，力学性质接近淤泥，基本丧失堆积能力。以国内某铝厂的拜耳法赤泥为例，含水率23%时，粘聚力伟26.6kPa，内摩擦角为23.4？°，当含水率增加到35%时，粘聚力降为18.6kPa，内摩擦角为17.2°。
烧结法赤泥的粒径略大于拜耳法赤泥，但不明显，烧结法赤泥的天然含水率高，70%～102%，最大138%，容重12.5～14.5kN/m3，孔隙比2～2.8，压缩性中低，压缩系数0.1～0.3MPa-1，新排放赤泥渗透系数10-3cm/s，胶结后渗透系数10-5～10-7cm/s。
（3）对拜耳法赤泥的初步判定。从土力学的角度来讲，拜耳法赤泥应该划为粉质粘土，而且级配不均，缺乏中间粒径。从固体废弃物的角度来讲，拜耳法赤泥应该属于细粒尾矿。虽然赤泥的矿物组成不符合天然土的矿物组成，不能完全套用天然材料的常规标准定义，但从建筑材料的观点来看二者仍具有相同性。
2.拜耳法赤泥的堆坝可行性
从上面的分析可看出，按照土力学的观点不论是拜耳法赤泥还是烧结法赤泥都可以归为含水率高且粘粒含量高的粉质粘土，同时也具有不符合天然土的矿物组成。从水力学观点来看，把赤泥当做筑坝材料不论用水力充填法和碾压法都有一定的困难。因为不仅赤泥的颗粒细，而且级配不均匀，缺乏中间粒径，粘粒含量高，含水率打。但是，如果能够把赤泥当做”土”来看待，在适当的条件下，采用一定的工程措施，可以将其当做特殊的筑坝材料运用于实际。
按照水工筑坝材料的观点，只要不含有大量有机混合物和水溶性盐类的任何土料都可以用来筑坝，筑坝材料的选择需要因地制宜，科学分析，并辅助以相应的工程措施。水利上土石坝的填筑方式有人工（机械）夯实法、水力充填法、水中填土法等，不同方法对应的材料要求也不一样。根据前面的分析，拜耳法赤泥的化学成分中并不含有有机物与水溶性盐类，而且利用赤泥这类固体废弃物来筑坝也符合因地制宜，经济节能的原则，是可以类比“土”并当做筑坝材料来看待的。
拜耳法赤泥可采用碾压法筑坝工艺，因为碾压法筑坝虽然对颗粒级配、粘粒含量等也有一定的要求，但是由于可以人工干预，辅助以工程措施，较水力充填法对材料的选择面要宽，特别是目前大规模脱水设备的出现以及输送工艺的更新也使拜耳法赤泥筑坝成为可能。碾压土石坝对于筑坝材料中粘粒含量的控制要通过技术经济比较，最理想的土料石具有良好的级配以及适当的含水率，这样既可以得到较高的压实干容重与抗剪强度，又具有适应变形、易于施工的塑料。从这个意义上讲，拜耳法赤泥在一定的条件下可以用来碾压筑坝。
4.拜耳法赤泥筑坝实例
以广西平果铝业赤泥筑坝为例，采用平地式四面筑坝，共分5格，轮流放矿，分期筑坝。初期坝采用碾压土石坝，坝高8～10m，后续各级子坝用碾压拜耳法赤泥筑坝，每级子坝高6m，按照平均格宽300m*300m，排水井中心距150m、子坝坝顶宽5m，边坡1：2，规划使用到八至九级子坝侯封库，总库容1200万m3，目前已经堆筑2～3级子坝。
对于拜耳法赤泥的处理，铝厂采用过滤机作为浓缩设备，通过GEHO泵和高压管道输送流塑状赤泥，输送浓度为65%左右，进入赤泥堆场设计含水率为40%；入库后，赤泥呈膏状自流，形成2～3%的排放坡，方便排水，经过晾晒处理后库内赤泥含水率降到23%左右并用于筑坝。
轮流布料是严格控制每层赤泥的排放厚度，分格排放，避免积水区赤泥长时间浸泡，同时配合晾晒工艺。晾晒工艺主要是通过自然干燥以及破壳、翻晒等人工辅助干燥使得入库赤泥含水率降低至塑限附近，便于堆坝。
科研实验和现场的多年实践经验证明，该铝厂赤泥库运行情况平稳，综上，采用含水率22%左右的赤泥碾压筑坝，是科学合理的，也是目前为止较为成功的范例，值得推广借鉴。
5.结语
将拜耳法赤泥看做是一种特殊性质的“土”，引用土力学及水工筑坝的观点，通过对拜耳法赤泥物理力学性质的分析以及筑坝工艺的总结，对拜耳法赤泥的筑坝性质有了进一步的认识。平果铝厂的成功范例证明，利用拜耳法赤泥筑坝工艺具有一定的可行性。当然，用拜耳法赤泥的筑坝工艺还处在不断探索过程中，还需要生产实践的进一步检验，但仍不失为一种可靠、高效、有广阔前景的筑坝工艺。
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