赤泥作水泥摻合料的試驗(yàn)研究

申建立 姬永生 王 猛

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇徐州 221008;2.博興縣建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，山東濱州 256500)

0 引言

赤泥是鋁土礦經(jīng)過(guò)各種物理和化學(xué)處理，制取氧化鋁后所剩余的紅色粉泥狀的強(qiáng)堿性固體廢料，我國(guó)大多數(shù)生產(chǎn)廠家每生產(chǎn)1 t氧化鋁同時(shí)產(chǎn)出 0.6 t～1.5 t赤泥［1］，目前我國(guó)赤泥堆存量達(dá)上億噸［2］，大量赤泥的堆放對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染。目前已有大量關(guān)于赤泥用作建筑材料的試驗(yàn)研究［3-8］，但是我國(guó)的赤泥利用率僅為15%左右。因此對(duì)赤泥的研究利用還是一個(gè)較為重要的課題。本文主要通過(guò)X衍射、SEM分析，采用煅燒的方式對(duì)赤泥進(jìn)行處理，以此來(lái)研究赤泥作為水泥摻合料的強(qiáng)度性能差異。

1 試驗(yàn)材料

1.1 赤泥、水泥的化學(xué)組成

本實(shí)驗(yàn)采用赤泥河南煤化工集團(tuán)氧化鋁廠燒結(jié)法生產(chǎn)過(guò)程中排放的陳赤泥，化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用的水泥是江蘇徐州中聯(lián)水泥集團(tuán)生產(chǎn)的P.O52.5水泥，化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 赤泥化學(xué)成分 wt·%

表2 水泥化學(xué)成分 wt·%

1.2 赤泥的X衍射分析

X衍射分析如圖1所示，燒結(jié)法赤泥中的主要礦物組成為方解石，并含有少量的鈦礦物、菱鐵礦、鈣霞石等，另有相當(dāng)一部分為化學(xué)組成變化不定的無(wú)定形硅酸鹽和鋁硅酸鹽物質(zhì)，與赤泥對(duì)應(yīng)的未水化的硅酸鹽相在結(jié)構(gòu)上為C2S。在這些礦物中，方解石和菱鐵礦既是骨架又有一定的膠結(jié)作用，而無(wú)定形鋁硅酸鹽物質(zhì)則起膠結(jié)作用和填充作用。其中，鈣鈦礦(CaTiO3)和鈣霞石呈現(xiàn)惰性。由于赤泥中含有一定量的C2S和一些無(wú)定形鋁硅酸鹽物質(zhì)，可將其用于膠凝材料生產(chǎn)。

圖1 赤泥的XRD圖譜

1.3 赤泥顆粒的SEM分析

從圖2可以看出，與現(xiàn)有松散赤泥相比，顯微鏡下可以看到固結(jié)赤泥塊中原赤泥團(tuán)粒內(nèi)部變得致密，而團(tuán)粒間有在水化過(guò)程中形成的硅—鈣—鋁質(zhì)“橋”以及有較密集的碳酸鈣晶體連結(jié)。

圖2 固結(jié)赤泥的電子顯微鏡圖片

由圖3可以看出赤泥顆粒較為細(xì)小(一般為0.1 μm數(shù)量級(jí))，外形較為復(fù)雜，無(wú)固定形狀。由于赤泥顆粒不如粉煤灰顆粒光滑，所以赤泥的流動(dòng)性較差。但赤泥顆粒表面的不規(guī)則性，可以較好的填充在水泥顆粒中，所以赤泥的摻入可以對(duì)水泥起到微填充的作用，由圖3b)還可以看出赤泥顆粒出現(xiàn)一定的團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖3 赤泥顆粒的電子顯微鏡圖片

2 試驗(yàn)部分

由于排放赤泥含水量較大，所以赤泥一般為塊狀。試驗(yàn)前首先把赤泥放在100℃±5℃烘箱中烘24 h，然后在球磨機(jī)中粉磨，測(cè)其比表面積為4 000 cm2/g。再將磨細(xì)赤泥放高溫爐中加熱至620 ℃，持續(xù)1.5 h。

試驗(yàn)分別采用未煅燒磨細(xì)赤泥和600℃煅燒赤泥進(jìn)行對(duì)比。試件制作參照GB/T 17671-1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法制備40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試塊，赤泥分別按0%(基準(zhǔn)配比)，5% ，10% ，15% ，20% ，25% ，30% ，35% ，40% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻入水泥，膠凝材料與標(biāo)準(zhǔn)砂的比為1∶3，水泥與膠凝材料比為0.5，試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，然后在溫度(20±1)℃的水中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至3 d，28 d齡期，測(cè)試其抗折和抗壓強(qiáng)度值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3 d強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4a)可以看出，摻未煅燒赤泥試塊的3 d抗折強(qiáng)度隨著摻量的增加而不斷降低，主要原因可能由于膠凝材料分為赤泥和水泥兩部分，在早期是水泥的水化對(duì)強(qiáng)度起主要貢獻(xiàn)，而赤泥由于活性較低對(duì)早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小，所以赤泥的加入影響了材料的早期抗折。摻煅燒赤泥的3 d抗折強(qiáng)度基本和基準(zhǔn)配比的強(qiáng)度相似，說(shuō)明煅燒的赤泥的活性在熱力作用下得到激發(fā)。赤泥的3 d抗壓強(qiáng)度如圖4b)所示，從圖中可以看出摻未煅燒赤泥的試塊在赤泥摻量較少時(shí)強(qiáng)度略高于基準(zhǔn)配比，主要可能是由于赤泥的顆粒較細(xì)，隨著赤泥摻量的增加材料內(nèi)的大孔逐漸變小，所以小摻量的時(shí)候強(qiáng)度較高。隨著赤泥摻量的增加強(qiáng)度出現(xiàn)了下降，主要原因是填充材料空隙僅需要較少的摻量，因此當(dāng)摻量較大時(shí)強(qiáng)度出現(xiàn)了下降。而摻煅燒赤泥的試塊在摻量小于20%時(shí)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)配比，可能是由于煅燒激發(fā)了赤泥的活性，也可能是由于赤泥在材料中起到了微填充的作用，因此抗壓強(qiáng)度較高。

圖4 赤泥的3 d強(qiáng)度

由圖5a)可以看出摻未煅燒赤泥的28 d抗折強(qiáng)度在小摻量的時(shí)候與基準(zhǔn)配比相當(dāng)，當(dāng)摻量超過(guò)15%時(shí)強(qiáng)度出現(xiàn)了下降，主要可能是在摻量較小時(shí)赤泥在材料中主要起到微填充的作用對(duì)強(qiáng)度有一定促進(jìn)作用，而由于未煅燒赤泥的活性較弱，摻入赤泥對(duì)材料抗折強(qiáng)度的降低量和赤泥的微填充作用對(duì)強(qiáng)度的增加量較接近。當(dāng)赤泥的摻入量過(guò)多時(shí)強(qiáng)度不斷下降。而煅燒赤泥的抗折強(qiáng)度和基準(zhǔn)配比的較為接近，主要可能是熱處理激發(fā)了赤泥的活性，也可能是由于赤泥的微填充作用。

由圖5b)可以看出摻未煅燒赤泥的28 d抗壓強(qiáng)度在摻量為5%左右時(shí)遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)配比的強(qiáng)度，可能是由于赤泥在摻量為5%左右時(shí)對(duì)材料的填充效果最佳，因此強(qiáng)度最高。隨著摻量的增加材料的強(qiáng)度逐漸下降，說(shuō)明赤泥的填充已超過(guò)了最佳填充量，由于赤泥活性較弱，多余的赤泥影響了材料的強(qiáng)度。而摻煅燒赤泥的試塊強(qiáng)度在摻量小于20%時(shí)遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)配比，可能是由于赤泥中的CaCO3在高溫下分解和水泥水化生成的鈣質(zhì)成分與赤泥中的硅質(zhì)成分生成了水化硅酸鈣。由于消耗了部分水泥水化生成的Ca(OH)2，而少量的赤泥又可以對(duì)材料進(jìn)行填充，所以強(qiáng)度較高。

圖5 赤泥的28 d強(qiáng)度

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上試驗(yàn)研究和分析可以得出如下結(jié)論:

1)通過(guò)對(duì)赤泥的X衍射表明赤泥中含有潛在水硬性的物質(zhì)，可以作水泥的摻合料;通過(guò)對(duì)SEM的分析說(shuō)明赤泥有較好的填充效果。

2)摻未煅燒赤泥的摻量為5%左右時(shí)強(qiáng)度最高，當(dāng)赤泥摻量超過(guò)15%時(shí)，強(qiáng)度快速下降要低于基準(zhǔn)配比的強(qiáng)度，摻未煅燒赤泥的最大摻量約為10%～15%。

3)600℃煅燒赤泥在摻量5%～20%時(shí)要遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)配比的強(qiáng)度，在摻量達(dá)30%時(shí)依然高于基準(zhǔn)水泥的強(qiáng)度，600℃煅燒赤泥的最大摻量可達(dá)30%。

［1］閆 軍.堿激發(fā)赤泥膠凝材料的探索研究［J］.輕金屬，2011(sup):147-151.

［2］朱 軍，蘭建凱.赤泥的綜合回收與利用［J］.礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2008(2):52-54.

［3］張 澤，張?zhí)┲?，?磊.粉煤灰、赤泥生產(chǎn)燒結(jié)磚的研究［J］.新型墻體，2006(1):47-49.

［4］馮向鵬，劉曉明，孫恒虎，等.赤泥大摻量用于膠凝材料的研究［J］.礦產(chǎn)綜合利用，2007(4):35-37.

［5］曹 瑛.工業(yè)廢渣赤泥的特性及回收利用現(xiàn)狀［J］.硅酸鹽通報(bào)，2007，2(26):143-145.

［6］張宇炫.赤泥在墻體材料行業(yè)中的應(yīng)用分析［J］.新型墻材，2010(8):24-26.

［7］顏?zhàn)媾d.水泥赤泥混凝土開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究［J］.混凝土，2000(10):18-20.

［8］董魯閩，倪 文，鄭永超，等.熱處理赤泥粉煤灰制備少熟料膠凝材料的研究［J］.環(huán)境工程，2008(3):92-95.