赤泥摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)性的影響

武斌,譚卓英,寧迎福

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.遼寧省交通高等?？茖W(xué)校 建筑工程系，遼寧 沈陽(yáng) 110122；3.遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110005)

0 引 言

赤泥(red mud)是氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，堿含量較高，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重污染。我國(guó)是鋁工業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，每年有大量的赤泥排放，使赤泥處理利用問(wèn)題日益突出[1]。由于赤泥膠結(jié)性能較好[2-3]，因此，處理赤泥的主要領(lǐng)域是建材行業(yè)，多在混凝土中添加。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)赤泥在混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行了一些研究。LIU R X等[4]利用赤泥作為火山灰材料替代粉煤灰制作自密實(shí)混凝土，并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)，其強(qiáng)度指標(biāo)得到了不同程度的提高，此外，由于赤泥的內(nèi)部固化作用，使得混凝土的干縮減小，證明赤泥在自密實(shí)混凝土中應(yīng)用是可行的；M.P.Rudraswamy等[5]利用赤泥直接替換水泥制作赤泥混凝土并進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)赤泥替代率為10%時(shí)力學(xué)性能最好；D.Linora Metilda等[6]進(jìn)行了赤泥混凝土的抗壓和劈裂抗拉試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)赤泥替換15%的水泥時(shí)，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度超過(guò)普通混凝土，當(dāng)赤泥替換率增加到20%～30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；P.Deshmukh[7]利用赤泥制作混凝土外加劑改善混凝土的力學(xué)性能，赤泥的添加量分別為1%，2%,3%，當(dāng)添加2%的赤泥時(shí)，力學(xué)性能改善最為可觀;梁乃興等[8-9]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，用赤泥替代25%的水泥制成赤泥混凝土，其抗折強(qiáng)度與普通混凝土相當(dāng)，而抗壓強(qiáng)度提高不明顯;顏?zhàn)媾d[10]配制出了適合公路使用的赤泥混凝土，即替換水泥用量為33%，此時(shí)滲透性和抗凍性稍有降低。由于赤泥具有一定的放射性[11]，為了推進(jìn)赤泥在建筑材料方面的應(yīng)用，廣大學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究。其中，黃迎超等[12]提出為降低赤泥的放射性，采用浮選、重選、電磁分離、靜電分離的手段將放射性元素從赤泥中分離；田崇霏等[13-14]對(duì)赤泥在水泥水化過(guò)程中的放射性進(jìn)行了研究，得出當(dāng)赤泥添加量15%時(shí)最優(yōu)，此時(shí)，232Th,226Ra,40K放射性比活度均出現(xiàn)明顯下降，隨著赤泥摻量提高，其放射性比活度提高，但隨著時(shí)間推移放射性比活度保持不變。

赤泥混凝土的研究具有重要意義，但目前文獻(xiàn)尚未報(bào)道赤泥摻加到混凝土中的經(jīng)濟(jì)性結(jié)論，基于此，本文進(jìn)行了45個(gè)摻加赤泥的混凝土試件抗壓試驗(yàn)，且對(duì)放射性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并結(jié)合工程案例對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用亞泰牌42.5強(qiáng)度等級(jí)普通硅酸鹽水泥，基本性能參數(shù)數(shù)值見(jiàn)表1。砂為天然普通河砂，基本性能參數(shù)數(shù)值見(jiàn)表2。粗骨料為天然連續(xù)級(jí)配的碎石，最大粒徑20 mm，見(jiàn)表3。赤泥為山東魏橋北海氧化鋁廠拜耳法生產(chǎn)氧化鋁廢棄赤泥，基本化學(xué)成分見(jiàn)表4。赤泥0.045 mm篩的過(guò)篩率為76%，粒徑分布見(jiàn)表5。拌和水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

表1 水泥的基本性能參數(shù)數(shù)值

表2 細(xì)骨料的基本性能參數(shù)數(shù)值

表3 粗骨料的基本性能參數(shù)數(shù)值

表4 赤泥化學(xué)成分

表5 赤泥的粒徑分布

1.2 赤泥混凝土制備

用赤泥等質(zhì)量替代混凝土中的水泥配制混凝土，共設(shè)置了5種赤泥質(zhì)量替代率，即r=0,5%,10%,15%,20%；r=0時(shí)，為普通混凝土，作為基準(zhǔn)混凝土。按文獻(xiàn)[15]進(jìn)行普通混凝土配合比設(shè)計(jì)，先確定各種材料用量，然后按5種赤泥質(zhì)量替代率對(duì)水泥進(jìn)行替代。制備過(guò)程中，首先依次將稱重后的粗骨料、水泥、赤泥和細(xì)骨料倒入實(shí)驗(yàn)室臥式強(qiáng)制攪拌機(jī)中攪拌2 min，使各材料混合均勻，然后加入水和塑化劑再攪拌2 min，制備出45個(gè)混凝土試件(150 mm×150 mm×150 mm)，配合比見(jiàn)表6，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)3，28，90 d再進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

表6 混凝土的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

所有試件的抗壓試驗(yàn)均在200 t微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，部分試件見(jiàn)圖1，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。赤泥混凝土的輻射測(cè)試?yán)盟拇ㄐ孪冗_(dá)測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CIT-3000F型低本底多道γ能譜儀進(jìn)行，分別進(jìn)行3,28,90 d齡期的抗壓強(qiáng)度及226Ra，232Th，40K放射性比活度的測(cè)定。

圖1 制作完的部分試件

圖2 試驗(yàn)裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 赤泥摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響

2.1.1 不同替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響

不同赤泥替代率與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖3所示。隨著赤泥替代率增加，3,28,90 d齡期下的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度先增加后降低；r=5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，分別為20.66,41.83,47.12 MPa，與普通混凝土相比，強(qiáng)度分別提高了9.54%,46.93%,31.51%；r=20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最小，分別為18.48,28.32,30.90 MPa，與普通混凝土相比，強(qiáng)度分別降低了2.05%,0.50%,13.77%。因此，當(dāng)赤泥替代率低于20%時(shí)，摻加赤泥的混凝土抗壓強(qiáng)度均高于普通混凝土；r=20%時(shí)，摻加赤泥的混凝土與普通混凝土的抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)，說(shuō)明赤泥替代水泥的作用較明顯。

圖3 抗壓強(qiáng)度與赤泥替代率的關(guān)系

不同水化齡期下，不同赤泥替代率的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度如圖4所示。隨著水化齡期延長(zhǎng)，不同赤泥替代率的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度增加，赤泥替代率為0,5%,10%,15%,20%時(shí)，水化齡期3～28 d的抗壓強(qiáng)度分別提高了50.91%,102.43%,94.80%,83.41%,53.29%；水化齡期28～90 d的抗壓強(qiáng)度分別提高了25.86%,12.64%,1.61%,3.85%,9.08%。因此，水化齡期3～28 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高率隨赤泥替代率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；r=5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高率最大；r=20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高率與普通混凝土基本相當(dāng)，說(shuō)明赤泥替代水泥的作用較明顯。水化齡期28～90 d時(shí)，摻加赤泥的混凝土抗壓強(qiáng)度提高率總體上比普通混凝土的減少，且趨勢(shì)不明顯。

圖4 抗壓強(qiáng)度與水化齡期的關(guān)系

2.1.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖5是掃描電鏡觀察到的微觀結(jié)構(gòu)。

赤泥能夠改善混凝土的抗壓強(qiáng)度，主要有兩方面原因：一是赤泥起到物理填充作用，由圖5(a)和(b)可知，普通混凝土孔隙較多，摻赤泥后混凝土孔隙較小，說(shuō)明摻加赤泥能夠提高混凝土的密實(shí)度，減小混凝土孔隙率；二是由于赤泥的火山灰特性，由圖5(c)和(f)可知，r=0時(shí)，電鏡圖像呈現(xiàn)出較大尺寸的板狀C—H晶體，可以看到針狀的C—S—H凝膠；r=5%時(shí)，電鏡圖像中較大尺寸的板狀C—H晶體減少，針狀的C—S—H凝膠交錯(cuò)分布。混凝土中的水泥在水化過(guò)程中生成Ca(OH)2，與赤泥中的大量活性SiO2，F(xiàn)e2O3，Al2O3進(jìn)行二次水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，反應(yīng)過(guò)程中消耗了生成的Ca(OH)2，同時(shí)促進(jìn)水化進(jìn)一步反應(yīng)，改善界面的結(jié)構(gòu)形態(tài)，從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖5 摻赤泥混凝土掃描電鏡圖像

2.2 赤泥摻量對(duì)混凝土放射性影響

不同赤泥替代率下的混凝土放射性檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。r為0～20%時(shí)，3,28,90 d齡期下赤泥混凝土內(nèi)外照射指數(shù)和總比活度均有所增加:3 d時(shí)增加幅度分別為188.5%,156.1%,142.5%；28 d時(shí)增加幅度分別為197.3%,163%,152.2%；90 d時(shí)增加幅度分別為200.2%,165.5%,154.8%。這是因?yàn)殡S著混凝土中赤泥越多，赤泥混凝土中的226Ra，232Th,40K含量越高，材料放射性就越強(qiáng)。不同水化齡期下，不同赤泥替代率的混凝土放射性檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。隨著水化齡期延長(zhǎng)，內(nèi)外照射指數(shù)和總比活度均有所增加，但增長(zhǎng)幅度不大。說(shuō)明不同赤泥替代率下，水化齡期對(duì)混凝土放射性影響不大。

圖6 赤泥替代率對(duì)混凝土的放射性影響

圖7 水化齡期對(duì)混凝土的放射性影響

赤泥具有一定天然放射性，放射性主要來(lái)源于226Ra，232Th,40K發(fā)生核衰變時(shí)釋放的α,β,γ射線。摻赤泥的混凝土在水化過(guò)程中，一方面，隨著水化進(jìn)行，不斷釋放放射性核素離子，引起放射性對(duì)比活度的提高；另一方面，隨著水化進(jìn)行，產(chǎn)生的C—S—H凝膠對(duì)放射性核素有一定的吸附和包裹作用，將釋放的放射性核素離子包封于固化體中，使得放射性對(duì)比活度降低。本文的赤泥替代率范圍內(nèi)各放射性指標(biāo)滿足文獻(xiàn)[16]要求。

3 赤泥替代率對(duì)混凝土經(jīng)濟(jì)性影響

3.1 工程概況

以沈陽(yáng)市燃?xì)饪偣景丝脴?shù)儲(chǔ)配站辦公樓工程為例，分析赤泥替代混凝土的經(jīng)濟(jì)性。此工程為4層框架結(jié)構(gòu)，檐口標(biāo)高16.7 m，抗震設(shè)防烈度7度，地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，基本風(fēng)壓0.55 kN/m2，基本雪壓0.50 kN/m2，工程立面圖見(jiàn)圖8。

圖8 工程平、立面圖

3.2 經(jīng)濟(jì)分析

采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院的PKPM V2.2軟件對(duì)0,5%,10%,15%,20% 5種赤泥替代率混凝土強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，并利用PKPM中的STAT-S模塊進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，具體工程量見(jiàn)表7。

由表7可知，隨著赤泥替代率提高，鋼筋用量相應(yīng)降低，但幅度不大，主要是因?yàn)閷?shí)際工程中梁、柱截面較大，配筋多由最小配筋率控制，如果適當(dāng)調(diào)節(jié)截面尺寸，達(dá)到最優(yōu)截面將會(huì)進(jìn)一步節(jié)約鋼筋；r=0，20%時(shí)，鋼筋用量基本相當(dāng)，這是因?yàn)閞=20%時(shí)抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相當(dāng)。根據(jù)表7中水泥用量，r=20%時(shí)，水泥用量減少20%，經(jīng)濟(jì)效果較好。

表7 工程量統(tǒng)計(jì)

赤泥主要在堆場(chǎng)堆放，維護(hù)費(fèi)用昂貴，大約是氧化鋁價(jià)格的2%左右。目前，氧化鋁價(jià)格為2 800元/t，每生產(chǎn)1 t氧化鋁大概產(chǎn)生2 t赤泥，生產(chǎn)1 t氧化鋁產(chǎn)生的赤泥維護(hù)費(fèi)用為56元。水泥價(jià)格為420元/t，根據(jù)表6～7，利用生產(chǎn)1 t氧化鋁產(chǎn)生的赤泥替代20%的水泥可以制備27 m3混凝土，將節(jié)省水泥費(fèi)用840元。因此，如果摻赤泥混凝土進(jìn)行工程應(yīng)用，每消耗1 t赤泥所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益將達(dá)到448元，若考慮到消耗堆放的赤泥環(huán)境效益和社會(huì)效益及水泥生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗，赤泥在混凝土中應(yīng)用的價(jià)值將會(huì)更大。

4 結(jié) 論

(1)水化齡期越長(zhǎng)，相同赤泥替代率下的混凝土的抗壓強(qiáng)度提高越明顯；r=20%時(shí)，各水化齡期下的混凝土與普通混凝土抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)。

(2)隨著赤泥替代率增加，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度先增加后降低，r=5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，r=20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最小。

(3)混凝土中赤泥越多，226Ra,232Th,40K含量就越高，材料放射性就越大。隨著水化齡期延長(zhǎng)，內(nèi)外照射指數(shù)和總比活度均有所增加，但增加幅度不大，總體上水化齡期對(duì)赤泥混凝土放射性影響不大。摻赤泥的混凝土內(nèi)外照射指數(shù)均滿足文獻(xiàn)[16]要求。

(4)摻赤泥的混凝土具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景良好。