赤泥基高水膠凝材料的力學(xué)性能探究

師 杰

（1.開封大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，河南 開封 475004；2.開封市建筑固體廢棄物再生利用技術(shù)重點實驗室，河南 開封 475004）

0 引言

赤泥［1］是制鋁工業(yè)的產(chǎn)物，是提取氧化鋁時排出的廢渣.一般來說，生產(chǎn)1噸氧化鋁，附帶產(chǎn)生1～2噸赤泥.赤泥成分復(fù)雜，浸出液的 pH 值［2］高達(dá) 12.1～13.0.若得不到及時有效的利用，就只能依靠在大面積的堆場［3，4］堆放.堆放的赤泥占用土地，污染水系，干燥后隨風(fēng)飄散，又污染大氣.赤泥的無害化利用成為煉鋁工業(yè)的目標(biāo)，如何實施是一個急需解決的難題.

目前，對赤泥的無害化利用主要有以下幾種方法：制備水泥、提煉有價金屬和吸附污染物等.制備水泥［5，6］是指將一定量的赤泥摻入水泥中，但赤泥中堿含量較高，需要先對其進(jìn)行消鈉處理.提煉有價金屬［7－9］是指提取赤泥中的鋁、鐵和稀土等元素，但是這種方法帶來了高成本和廢渣再處理的問題.吸附污染物［10－12］是指利用赤泥的高堿性特性和較大的比表面積吸附酸性氣體，但這種吸附對赤泥的消耗量較小.可以說，以上幾種方式均沒有完全實現(xiàn)赤泥的無害化利用目標(biāo)，沒有徹底解決問題.

堿激發(fā)膠凝材料［13－17］是一種以堿性激發(fā)劑激發(fā)硅鋁質(zhì)原材料活性的膠凝材料，具有快硬早強(qiáng)和環(huán)保的特點.赤泥是冶鋁廢渣，含有大量硅鋁氧化物和結(jié)合堿，是制備堿激發(fā)膠凝材料的理想原料.但赤泥顆粒的粒徑大多小于100nm，同時含有較多孔隙，具有較強(qiáng)的吸水性，故制備堿激發(fā)膠凝材料時，無法獲得較高的力學(xué)性能.

本文利用赤泥的高堿性和高吸水性，在堿激發(fā)下制備高水膠凝材料，通過摻加礦粉，對其力學(xué)性能進(jìn)行改進(jìn).并且研究了堿性激發(fā)劑（水玻璃、熟石灰）和礦粉用量以及不同水灰比對其力學(xué)性能和干密度的影響.根據(jù)研究結(jié)果，提出了赤泥基高水膠凝材料的強(qiáng)度預(yù)測模型，為赤泥基高水膠凝材料的實際應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ).

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 赤泥

本試驗所使用的赤泥為洛陽龍門煤業(yè)有限公司提供的燒結(jié)法赤泥.使用時，將赤泥塊體破碎烘干并磨成微粉，所得微粉，95%以上的顆粒粒徑小于 20μm，密度為 2.58g／cm3，比表面積為 4200cm2／g，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為80%.其化學(xué)組成見表1.

1.1.2 礦粉

本試驗所使用的礦渣為河南平原水泥廠提供的磨細(xì)?；郀t礦渣爐粉（以下簡稱礦粉）.所得礦粉，90%以上的顆粒粒徑小于20μm，密度為2.85g／cm3，比表面積為4400cm2／g，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為28%.其化學(xué)組成見表1.

表1 原材料的化學(xué)成分w／%

1.1.3 堿性激發(fā)劑

本試驗所用堿性激發(fā)劑為熟石灰粉和水玻璃.所用熟石灰粉的密度為2.45g／cm3，比表面積為3200cm2／g.本試驗所用水玻璃的模數(shù)為2.7，波美度37°，含水率60%，使用時，用氫氧化鈉將模數(shù)調(diào)配成1.0.本試驗所用氫氧化鈉為東莞市匯欣工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的片狀氫氧化鈉.

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗配合比

用赤泥和礦粉的粉料混合物在堿激發(fā)下制備赤泥基高水膠凝材料.分別對水玻璃、熟石灰和礦粉的最佳摻量以及赤泥基膠凝材料的最佳水灰比進(jìn)行研究.具體配合比見表2.其中，編號N01—N05的任務(wù)為探究激發(fā)劑水玻璃的摻量對膠凝材料力學(xué)性能的影響的規(guī)律，編號N06—N10的任務(wù)為探究激發(fā)劑熟石灰的摻量對膠凝材料力學(xué)性能的影響的規(guī)律，編號N11—N16的任務(wù)為探究礦粉的摻量對膠凝材料力學(xué)性能的影響的規(guī)律，編號N17—N22的任務(wù)為探究水灰比的大小對膠凝材料力學(xué)性能的影響的規(guī)律.

表2 用于赤泥基高水膠凝材料力學(xué)性能研究的相關(guān)材料試驗配合比

1.2.2 試件制備與養(yǎng)護(hù)

試件由固態(tài)組份和液態(tài)組份混合制備.其中，固態(tài)組份由赤泥、礦粉和熟石灰組成，液態(tài)組份由NaOH、水玻璃和水組成.

（1）料漿的制備

按表2中的配合比稱量原材料.將赤泥、礦渣與熟石灰混合均勻，作為固態(tài)組份；將NaOH溶于水玻璃，與水混合均勻，作為液態(tài)組份.將固態(tài)、液態(tài)兩組份放在攪拌機(jī)中混合攪拌，至料漿中沒有粉末顆粒時停止.最后，將制備好的漿體均勻倒入40mm×40mm×160mm的三聯(lián)立方體模具內(nèi)，振搗至模具內(nèi)的漿體充滿密實.

（2）試件的養(yǎng)護(hù)

在試模上覆蓋一層塑料薄膜并加蓋一層濕布（用來保濕），將其放入養(yǎng)護(hù)室（20±2℃，相對濕度大于90%）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，24h后取出脫模.再將試件用塑料薄膜包裹，然后放置在養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至試驗所需齡期.

（3）試驗內(nèi)容

測試試件7d、28d、60d齡期的抗壓強(qiáng)度和28d齡期的干表觀密度.

2 結(jié)果與討論

2.1 水玻璃對赤泥基高水膠凝材料力學(xué)性能的影響

從圖1中可以看出水玻璃對赤泥基高水膠凝材料力學(xué)性能的影響.試件7d齡期的抗壓強(qiáng)度隨著水玻璃摻量的增加而增加.當(dāng)水玻璃摻量低于10%時，抗壓強(qiáng)度增長較快；當(dāng)水玻璃摻量高于10%時，抗壓強(qiáng)度增長較慢.試件28d、60d齡期的抗壓強(qiáng)度增長趨勢和增長規(guī)律與7d齡期的相似.

由圖1中試件28d齡期的干密度變化曲線可知：當(dāng)水玻璃摻量低于10%時，干密度增長較快；當(dāng)水玻璃摻量高于10%時，干密度增長放緩.由此可知，赤泥基試件的干密度與抗壓強(qiáng)度具有相似的變化趨勢，即增加水玻璃摻量可使赤泥基試件的密實度不斷增加.

圖1 水玻璃對赤泥基高水膠凝材料的影響

2.2 熟石灰對赤泥基高水膠凝材料力學(xué)性能的影響

從圖2中可以看出熟石灰對赤泥基高水膠凝材料力學(xué)性能的影響.當(dāng)熟石灰摻量低于10%時，試件7d齡期的抗壓強(qiáng)度逐漸增加；當(dāng)熟石灰摻量高于10%時，試件7d齡期的抗壓強(qiáng)度逐漸降低.試件28d、60d齡期的抗壓強(qiáng)度變化趨勢與7d齡期的變化趨勢相似.

圖2 熟石灰對赤泥基高水膠凝材料的影響

由圖2中試件28d齡期的干密度變化曲線可知，當(dāng)熟石灰摻量從3%增加到15%時，干密度從720kg／m3降低到710kg／m3，呈緩慢下降趨勢.可見熟石灰對赤泥基試件的干密度并無顯著影響.

2.3 礦粉對赤泥基高水膠凝材料力學(xué)性能的影響

從圖3中可以看出礦粉對赤泥基高水膠凝材料力學(xué)性能的影響.當(dāng)?shù)V粉摻量低于60%時，試件7d齡期的抗壓強(qiáng)度逐漸增加；當(dāng)?shù)V粉摻量高于60%時，試件7d齡期的抗壓強(qiáng)度逐漸降低.當(dāng)?shù)V粉摻量低于50%時，試件28d、60d齡期的抗壓強(qiáng)度逐漸增加；當(dāng)?shù)V粉摻量高于60%時，試件28d、60d齡期的抗壓強(qiáng)度逐漸降低.可見礦粉對赤泥基試件的抗壓強(qiáng)度有顯著影響.

由圖3中試件28d齡期的干密度變化曲線可知，當(dāng)?shù)V粉摻量從20%增加到70%時，干密度從710kg／m3增加到720kg／m3，呈緩慢增長趨勢.可見礦粉對赤泥基試件的干密度無顯著影響.

圖3 礦粉對赤泥基高水膠凝材料的影響

2.4 水灰比對赤泥基高水膠凝材料力學(xué)性能的影響

從圖4中可以看出水灰比對赤泥基高水膠凝材料力學(xué)性能的影響.試件7d齡期的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增加，呈線性降低趨勢.試件28d、60d齡期的抗壓強(qiáng)度增長趨勢與7d齡期的增長趨勢相似.當(dāng)水灰比不大于1.2時，7d齡期以上試件的抗壓強(qiáng)度大于4Mpa.

圖4 水灰比對赤泥基高水膠凝材料的影響

由圖4中試件28d齡期的干密度變化曲線可知，當(dāng)水灰比從0.8增加到1.3時，赤泥基試件的干密度從920kg／m3降低到680kg／m3，呈直線下降趨勢.可見水灰比對赤泥基試件的干密度有著顯著影響.

3 結(jié)論

1）赤泥基高水膠凝材料的水化需要經(jīng)過溶解、水解、縮聚和固化四個步驟，最終生成物為具有網(wǎng)狀類沸石結(jié)構(gòu)的聚合物.

2）增加水玻璃摻量可同時增加赤泥基高水膠凝材料的抗壓強(qiáng)度和干密度；增加熟石灰摻量對干密度無明顯影響，但對抗壓強(qiáng)度的增長有抑制作用；增加礦粉摻量對干密度無明顯影響，但對抗壓強(qiáng)度的增長有促進(jìn)作用.