本发明属于氧化铝生产领域的问题,即关于水利工程建筑物防水层的制备方法问题。 本发明可以用于建造以红泥渣(red mud)为原料的抗渗屏障和贮存氧化铝生产中工业废料的泥渣库,而红泥渣则是在用拜尔(баǔер)法将铝矾土加工为氧化铝的过程中得到的。上述废料是研磨极细的悬浮体。这类废料中所含的苛性碱,随着降落在地表上的水,经过土壤的滤过,渗入地下水中,从而给四周的环境带来不良的影响。特别是大多数的氧化铝工厂都设在大城市或座落在精细农业地区,因而问题更显严重。
此外,本发明尚可用于水利工程建筑物中建造土坝和蓄水池底盘工程中的种种防水单元构件(如防渗心墙,防渗铺底,防渗屏障)方面。
目前已知的一种建造防水建筑物地方法,其中就有用粘土质岩(亚粘土)做的铺盖层,并用此法制成防渗屏障或其它防水的单元构件(苏联专利SU,A,653335)。
这个方法的主要缺点是,经此法制成的防渗层,其防水性能不稳定,也不够高,这是因为亚粘土的露天矿床,其成份不均,而且抗渗透的性能也不稳定的缘故。亚粘土的渗透系数为10-4厘米/秒至5·10-6厘米/秒之间[A.A.Каган“壤土的物理化学性质的计算指标”,建工出版社(列宁格勒),1973年,第123页]。
还有一种制备水利工程建筑物(氧化铝工厂的泥渣库和蓄水库)防水层的方法,其要点如下∷先做一个0.2米厚的沙土层,将其用除莠剂进行处理,然后把沙土层的表面弄平整,将聚乙烯薄膜铺在沙土层上,把薄膜的缝焊结好,上面蒙上一层油毡,最后在油毡上再做一层0.6~0.8米的沙土层。
这种方法的主要缺点有:在制做防水层的过程中,由于薄膜受到种种机械的损坏,而使防水层的抗渗透稳定性不高,其它诸如,操作步骤繁多,手工操作,操作的季节性以及在铝矾土处理过程开始之前,必须完成泥渣库的底盘的建造工作。以聚乙烯薄膜为主体制造的防水层,其渗透系数为10-5厘米/秒到10-6厘米/秒[A.B.Ищенко,“提高组合式整体装配水渠的效果和可靠性”,1986年,诺沃契尔卡斯克土壤改良工程学院(诺沃契尔卡斯克)第13,23页]。
还有一种制备泥渣库内防水层的方法,也是以红泥渣作为原料的。这种方法内容如下:将红泥渣放在真空过滤器中进行过滤,并用石灰(CaO或Ca(OH)2]处理红泥渣,方法是往泥渣中掺入石灰,最后用此泥渣制成防水层(Jurgen Lotze,红泥渣处理的经验,Erzmetall,1982,V.35,No.10,P.528-530)。
这个方法的主要缺点是,在使泥渣层脱水和压实的过程中,必须使用石灰,而石灰属于价格昂贵的工业品,因此,这种方法在实际中没有被采用。
本发明的目标是想创立这样一种制备防水层的方法,它不仅在经济上有利可图,而适合于工业化。
为达到上述目标,可以采用以红泥渣为原料,并将其脱水、制成层状的方法,制备出供水利工程建筑物中用的防水层,根据本发明,将粒度大于50微米的筛分含量不超过10%(质量)的红泥渣进行脱水,使其湿度(含水量)达到以固液比的比值表示等于1∶0.5~0.6的要求,然后制成层状,压实到孔隙度不得超过0.6~0.65为止。
本发明提出的这种利用泥渣制备防水层的方法,与使用聚乙烯薄膜制造防水层的方法相比较,建造一座泥渣存贮库,可降低基建投资55%。
如果在建造泥渣存贮库的防水层时,采用的制备方法须要用石灰,那么由于石灰的售价昂贵,该法与本发明提出的方法相比,防水层的造价会高很多。
通过下面对于水利工程建筑防水层的制备方法以及实施该法的若实例所做的详细介绍,我们将会对于本发明的更进一步的目标和优越性有清楚的了解。
本发明所申报的制备防水层的方法,其要点是利用红泥渣作为原料,而该泥渣是按照拜尔法加工处理铝矾土时生成的废渣,这种泥渣的成份(以质量%表示)如下:
Fe2O3-40,0-60,0
Al2O3-9.0-15.0
SiO2-2.5-12.0
Na2O-1.5-6.5
TiO2-2.5-6.0
其它杂质-余下的百分部分
煅烧失重为8.0到15。
此泥渣含矿物相的成份(质量%)如下:
赤铁矿-35.0-58.0
铝矿-8.0-12.0
水硅酸铝钠-11.0-20.0
水石榴石钙-10.0-25.0
金红石和锐钛矿-2.5-5.0
其它矿物-余下的百分部分
按粒度大小分级(即筛份分级),泥渣的各个筛份的含量如下(质量百分):
粒度大于50微米的筛份占8-25
粒度介于50到5微米间的筛份占30-65
粒度小于5微米的筛份占余下的百分部分,
利用在加工铝矾土的过程中生成的红泥渣作为原料,其中固相与液相的比值为1∶2-10。
为了利用这种废泥渣制做防水层,根据所申报的发明,须将此泥渣进行脱水,直至其固液比达到1∶0.5-0.6为止。
固液比小于1∶0.6的泥渣不能使用,因为此种泥渣当其湿度很高时,具有异常高的触变性,也就是说,在受到机械负荷时,它会变得稀软,松垮。当压实用的建筑机器沿着这种泥渣层通过时,泥渣的高触变性不仅会造成无法使其压实的后果,而且使泥渣层变稀,将建筑机械粘住而使其陷入泥渣之中。当泥渣中固液比小于1∶0.6时,其特点是出现胶凝结构(凝聚结构),即泥渣的全部颗粒都被水质的(水合-溶剂化的)外壳所包围。当泥渣干涸时,这将导致收缩变形,并使得已生成的防水层出现裂缝。
如果能采用固液比为1∶0.5-0.6的原料,则非常有利,其原因如下:具有此种湿度值的泥渣,不仅可塑性能良好,而且容易压实,也不会粘附在机械的操作部件上,并且不会出现大的收缩变形。用配制好的并且遵照铺设工艺规程铺设的泥渣所制得的防水层,其渗透系数可达1·10-7-8·10-8厘米/秒。如果提高泥渣的固液比,使之大于1∶0.5,那么一般的工艺方法(渗透作用,离心作用)都不能使用,而需要用热烘干法或挤压的办法。这时,泥渣的性质会发生不可逆转的变化。它将结块,并且不容易压实,也就是说,它已变成不符合技术要求的产品,使其抗渗透性能变得极坏。
将泥渣进行脱水,使其中的固液比达到上述的要求,采用已知的方法就可以做到,比如用离心法,真空渗透法,排水法,露天烘干法。最适当的脱水方法是在一个坡度大约为0.01-0.001的专门设置的脱水平台上完成的。泥渣的溶液通过特制的喷管,从平台的上部边缘注入,同时经过排水井进行连续脱水。排水井安放在脱水平台的下部。脱下来的水返回加工铝矾土的工厂。往平台上输送泥渣,直到台上已形成0.5-1.5米厚的泥渣层为止。在所需厚度的泥渣层已形成之后,须使其维持一段时间,以使泥渣压紧,并便于进一步铺敷。
研究表明,如果使用的泥渣中粒度大于50微米的筛份含量不超过10%(质量百分),那么所制得的防水层的渗透系数则等于1·10-7-8·10-8厘米/秒。
为了满足这个条件,需要从泥渣中把粒度大小符合上述要求的那部分泥渣取走。
欲使泥渣中粒度大于50微米的筛份的含量不超过10%(质量百分),可以采用多种已知的方法来完成,如水力旋分法,润湿筛分法。最好的泥渣颗粒分级法是在一个专门准备好的斜度为0.01-0.001的平台上使泥渣溶液的脱水与降低泥渣中粒度大于50微米的筛份含量使之等于或小于10%(质量百分)这两步操作合并起来同时进行。
红泥渣经脱水后,其湿度由固液比确定,比值达到1∶0.5~0.6,而且在红泥渣中,粒度大于50微米的筛份含量又不超过10%(质量百分),那么这种红泥渣是很适合于建造防水层的。为此,把泥渣铺成30厘米的厚层,然后用碾压机将其压实,再铺上厚度近似的第二层,再行压实。压至其孔隙度不得大于0.6-0.65,因为只有在这种情况下,才能保证其渗透系数等于1·10-7厘米/秒到8·10-8厘米/秒。
根据本发明所申报的工艺方法建造的防水层,与利用亚粘土或者聚乙烯薄膜所建造的防水层相比较,可将其抗渗透稳定性提高到相当于原来的10倍到500倍。
实例1
利用根据拜尔法加工铝矾土时所得到的红泥渣为原料,红泥渣的湿度由其固液比值来确定,其值为1∶3.5。将红泥渣装到事先备好的、斜度为0.01,长度为200米的平台上,从平台的上部边缘起铺成1米的厚层。此时,在泥渣溶液流动的过程中,对泥渣的颗粒进行分级筛选,泥渣中大的颗粒(粒度在50微米以上)就落到平台的上部边缘。将泥渣保持20天,在这段时间里,由于泥渣溶液中所含的水份返流到设在上述平台下部边缘的排水井内,从而使泥渣脱水,并使其湿度达到固液比等于1∶0.51的要求。在这段时间里,还必须将泥渣压实,另外,由于空气中CO2的作用,将烧碱(NaOH)转变为碳酸钠(Na2CO3),从而使各种水溶性的强碱的数量有所减少,同时泥渣层内有“网状”结构形成。这种结构保证了该层具有很高的抗渗透特性。
在上述维持阶段结束之后,把粒度在50以上的筛份含量等于和小于10%(质量百分)的那部分泥渣卸下来,用以建筑造防水层。为此,在泥渣贮存库的防水表面上,先铺成一个厚度为30厘米的泥渣层,再用“碾压机”式的专门装置将其压实,直至孔隙度达到0.64为止。然后用同样的泥渣铺第二层,厚度仍为30厘米,接着再行压实,直至孔隙度达到0.64为止。
所所得的防水层,其渗透系数为1·10-7厘米/秒。
实例2
使用的红泥渣与实例1中所用类似,对它的处理方法与实例1中所述相同,但是脱水后泥渣的湿度须达到固液比等于1∶0.52的要求,持续时间为30天。
防水层的制备方法与实例1中所述类似,但是在压实过程中,应使孔隙度达到0.61。这样做可以保证防水层的渗透系数达到9·10-8厘米/秒。
实例3
使用固液比为1∶8的红泥渣作为原料,其加工方法与实例1中所述相同,但泥渣脱水后的湿度值须达到固液比等于1∶0.55的要求。泥渣中粒度大于50微米的筛份含量等于8%(质量百分)。
使用专门为此准备的平台,长度为180米,斜度为0.09。
防水层的制备方法与实例1中所用的方法相似。将防水层压实,直至其孔隙度等于0.60为止。
制得的防水层,其渗透系数为8·10-8厘米/秒。
实例4
利用根据拜尔法加工铝矾土时所得到的红泥渣作为原料,其湿度用固液比确定,比值为1∶2.5。
将这种红泥渣送入口径为750毫米的水旋转分离器内,把原料中粒度大于50微米的筛分含量减少到8%(质量百分)。然后将这种加工好的泥渣放到真空过滤器中进行过滤,直到其中的固液比等于1∶0.52为止。
经过脱水和粒度分级的红泥渣,在保持一段时间以后,便在其质体内部产生网状的结构,此种结构可以降低泥渣的触变性能,并提高其抗渗透性。
此后,将红泥渣制成防水层的方法与实例1中所述相同。结果得到的防水层的孔隙度为0.65,相当于渗透系数为1·10-7厘米/秒。