改性赤泥协同水泥固化铜污染土的性能及机理研究

摘要

赤泥是在氧化铝生产过程中形成的固体废弃物，每生产1吨氧化铝会附带产生0.8-1.5吨赤泥。目前，赤泥在我国主要采用露天筑坝堆存，占用了大量的土地资源，已经对人类的生产、生活造成了重大的影响，而大规模赤泥资源化利用的水平较低，并且赤泥处理技术还未成熟。因此，对赤泥实现多渠道以及资源化处理已十分迫切。 另一方面，随着城市的快速扩展，大量污染企业遗留下来的污染场地成为了阻碍城市化建设的难题。铜污染主要来自于铜锌矿的开采和冶炼、金属加工、机械制造等方面。铜的各种形态相互转化、分散和富集，最终通过饮用水、食物等渠道对人体健康造成危害。因此，研究铜污染土的处理方法具有重要的意义。 本文以山西柳林铝厂赤泥为原料，采用CaO激发赤泥的活性，以改性赤泥协同水泥固化高浓度 Cu2+污染土，研究固化土无侧限抗压强度（qU）、电阻率（ρ）和压敏性随赤泥掺量（CRM）、土壤Cu2+浓度（CCu）以及养护龄期（t）变化的规律及微观作用机理，为固化高浓度 Cu2+污染土提供理论依据，论文主要研究内容及研究成果如下： (1)分析了CaO改性试验数据，提出了改性赤泥协同水泥（RMCaC）固化剂的配比方案，其中水泥:土（质量比）=1:10，赤泥:CaO（质量比）=3:1，赤泥添加上限为60%；在固化土满足强度要求的前提下，将污染土中 Cu2+含量的固化上限从0.5%提升至2.5%；对固化Cu2+含量为2.5%的污染土样品进行浸出毒性检测，固化率为99.99%，其腐蚀性和放射性满足国家相关标准。 (2)研究了固化土无侧限抗压强度随赤泥掺量变化的关系，发现当45%≤CRM≤60%时qU出现最大值的概率较大；对其强度随养护龄期的变化进行了分析，qU随t的增加逐渐增大，当t＜28 d时，qU快速增加，而t≥28 d时，qU增速趋于平缓；提出了赤泥强化因子和养护强化因子，发现 RMCaC的强化效果显著优于传统水泥，尤其能够大幅提高固化土的早期强度。 同时，研究表明固化土的电阻率随电流频率的变化趋势与CRM、CCu无关；当CCu≤0.25%时，电阻率随着cRM增加而减小，而CCu＞0.25%时，随着CRM的增加电阻率增加；电阻率随固化土养护龄期的增加而变大，当T＜28 d时，ρ快速增加，而T≥28 d时，ρ增速趋于平缓；提出了无侧限抗压强度、电阻率随CRM、CCu、t的预测公式；发现无侧限抗压强度与电阻率变化呈线性关系，当CCu≥0.5%时，qU对应的ρ相应变小。 试验表明，随着应变增加，固化土的电阻率变化率逐渐减小；随着cRM的增加，电阻率变化率的降低幅度变大，CRM=0时电阻率变化率的范围在-30%与-50%之间， RMCaC固化土电阻率变化率的范围在-40%与-70%之间；随着养护龄期的增加，水泥固化土电阻率变化率持续降低，而RMCaC固化土的变化规律不是特别明显。 (3)水泥固化土强度的来源，通常是由水泥的水化反应、火山灰反应、碳化反应以及置换反应共同作用使土颗粒胶结在一起，形成具有一定强度的骨架。水泥固化污染土的铜产物种类很少，固化高浓度 Cu2+污染土时，各种产物以堆积状态存在，导致固化土孔隙率大增，宏观上表现为固化土强度的降低。 通过对试验过程的微观研究表明，RMCaC固化土的反应机理如下：CaO悬浮于孔隙液中确保Ca2+处于饱和状态；赤泥发生水解反应增加了活性阴离子的含量；不稳定态的SiO2及Al2O3矿物发生火山灰反应生成SiO44-、SiO22-和AlO2-；孔隙液中的Ca2+与Na+、K+发生置换反应，改善了固化土骨架的矿物成分；赤泥和黄土颗粒表面吸附 CaO，并与孔隙液中的离子反应生成胶凝产物。当CRM＜45%时，OH-浓度随着CRM的增加而变大，增强了赤泥中活性物质的激发效果；当45%≤CRM≤60%时，随着CRM的继续增加，孔隙水中OH-和Ca2+达到溶解度上限，因此当CRM到达一定范围后qU会出现最大值。 在RMCaC固化土中，黄土和赤泥颗粒内部的活性可水解矿物水解生成K+、Na+、OH-，水泥水化和CaO遇水反应使得孔隙水中的OH-和Ca2+维持在高浓度状态，这些离子的存在增强了孔隙水的导电性。分析了固化土强度与电阻率呈线性相关性的机理：强度与胶结反应及其固态产物的成分、形貌有关，生成的胶凝产物将颗粒孔隙填充的越密实，孔隙率越小，电阻率越大；随着反应的持续进行，孔隙水导电离子总量逐渐减小，固化土电阻率逐渐升高。 在试块被压缩的过程中，铁氧化物的接触行为与孔隙水的导电通路发生变化，同时试块中存在隧道导电效应及电导渗流现象，在其共同作用下固化土的电阻率变化率发生改变。同时，赤泥掺量及铜离子浓度的提高增加了导电通路，隧道导电及电导渗流效应出现的几率也相应增大，宏观上表现为电阻率衰减程度的加剧。

目录

声明

符号说明

第1章 绪论

1.1 赤泥的研究背景

1.2 赤泥在环保领域的应用

1.3 重金属污染土的监测及处理方法

1.4 固化土性能的研究现状

1.5 课题的研究内容及意义

第二章 试验材料、设备及分析方法

2.1 试验材料

2.2 试验仪器设备

2.3 分析方法

第三章 赤泥改性及协同水泥固化污染土的试验方案

3.1 赤泥改性方案

3.2 改性赤泥协同水泥（RMCaC）固化Cu2+污染土的试验方案

3.3 固化土环境影响分析

3.4 固化土试块的质量及含水率

第四章 RMCaC固化污染土的无侧限抗压强度、电阻率、压敏性

4.1 前言

4.2 RMCaC固化污染土的无侧限抗压强度特性研究

4.3 RMCaC固化污染土的电阻率特性研究

4.4 RMCaC固化污染土的压敏性研究

4.5 本章小结

第五章 RMCaC固化污染土的微观测试与机理研究

5.1 前言

5.2 水泥固化土强度变化的机理分析

5.3 RMCaC固化土强度变化的机理研究

5.4 RMCaC固化土电阻率变化的机理研究

5.5 RMCaC固化土压缩过程中电阻率变化率衰减机理研究

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要研究结论

6.2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及完成的科研工作

论文独创性说明

太原理工大学岩土工程学科历届博士学位论文题目