赤泥作水泥摻合料的試驗研究

申建立 姬永生 王 猛

(1.中國礦業大學力學與建筑工程學院，江蘇徐州 221008;2.博興縣建筑工程質量監督站，山東濱州 256500)

0 引言

赤泥是鋁土礦經過各種物理和化學處理，制取氧化鋁后所剩余的紅色粉泥狀的強堿性固體廢料，我國大多數生產廠家每生產1 t氧化鋁同時產出 0.6 t～1.5 t赤泥［1］，目前我國赤泥堆存量達上億噸［2］，大量赤泥的堆放對環境產生了嚴重的污染。目前已有大量關于赤泥用作建筑材料的試驗研究［3-8］，但是我國的赤泥利用率僅為15%左右。因此對赤泥的研究利用還是一個較為重要的課題。本文主要通過X衍射、SEM分析，采用煅燒的方式對赤泥進行處理，以此來研究赤泥作為水泥摻合料的強度性能差異。

1 試驗材料

1.1 赤泥、水泥的化學組成

本實驗采用赤泥河南煤化工集團氧化鋁廠燒結法生產過程中排放的陳赤泥，化學成分見表1。采用的水泥是江蘇徐州中聯水泥集團生產的P.O52.5水泥，化學成分見表2。

表1 赤泥化學成分 wt·%

表2 水泥化學成分 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，另有相當一部分為化學組成變化不定的無定形硅酸鹽和鋁硅酸鹽物質，與赤泥對應的未水化的硅酸鹽相在結構上為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作用，而無定形鋁硅酸鹽物質則起膠結作用和填充作用。其中，鈣鈦礦(CaTiO3)和鈣霞石呈現惰性。由于赤泥中含有一定量的C2S和一些無定形鋁硅酸鹽物質，可將其用于膠凝材料生產。

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，與現有松散赤泥相比，顯微鏡下可以看到固結赤泥塊中原赤泥團粒內部變得致密，而團粒間有在水化過程中形成的硅—鈣—鋁質“橋”以及有較密集的碳酸鈣晶體連結。

圖2 固結赤泥的電子顯微鏡圖片

由圖3可以看出赤泥顆粒較為細小(一般為0.1 μm數量級)，外形較為復雜，無固定形狀。由于赤泥顆粒不如粉煤灰顆粒光滑，所以赤泥的流動性較差。但赤泥顆粒表面的不規則性，可以較好的填充在水泥顆粒中，所以赤泥的摻入可以對水泥起到微填充的作用，由圖3b)還可以看出赤泥顆粒出現一定的團聚現象。

圖3 赤泥顆粒的電子顯微鏡圖片

2 試驗部分

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

試驗分別采用未煅燒磨細赤泥和600℃煅燒赤泥進行對比。試件制作參照GB/T 17671-1999水泥膠砂強度檢驗方法制備40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試塊，赤泥分別按0%(基準配比)，5% ，10% ，15% ，20% ，25% ，30% ，35% ，40% 質量分數摻入水泥，膠凝材料與標準砂的比為1∶3，水泥與膠凝材料比為0.5，試件在標準養護24 h后拆模，然后在溫度(20±1)℃的水中繼續養護至3 d，28 d齡期，測試其抗折和抗壓強度值。

3 試驗結果及分析

3 d強度試驗結果如圖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強度起主要貢獻，而赤泥由于活性較低對早期強度貢獻較小，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抗折強度基本和基準配比的強度相似，說明煅燒的赤泥的活性在熱力作用下得到激發。赤泥的3 d抗壓強度如圖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強度略高于基準配比，主要可能是由于赤泥的顆粒較細，隨著赤泥摻量的增加材料內的大孔逐漸變小，所以小摻量的時候強度較高。隨著赤泥摻量的增加強度出現了下降，主要原因是填充材料空隙僅需要較少的摻量，因此當摻量較大時強度出現了下降。而摻煅燒赤泥的試塊在摻量小于20%時強度遠高于基準配比，可能是由于煅燒激發了赤泥的活性，也可能是由于赤泥在材料中起到了微填充的作用，因此抗壓強度較高。

圖4 赤泥的3 d強度

由圖5a)可以看出摻未煅燒赤泥的28 d抗折強度在小摻量的時候與基準配比相當，當摻量超過15%時強度出現了下降，主要可能是在摻量較小時赤泥在材料中主要起到微填充的作用對強度有一定促進作用，而由于未煅燒赤泥的活性較弱，摻入赤泥對材料抗折強度的降低量和赤泥的微填充作用對強度的增加量較接近。當赤泥的摻入量過多時強度不斷下降。而煅燒赤泥的抗折強度和基準配比的較為接近，主要可能是熱處理激發了赤泥的活性，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抗壓強度在摻量為5%左右時遠高于基準配比的強度，可能是由于赤泥在摻量為5%左右時對材料的填充效果最佳，因此強度最高。隨著摻量的增加材料的強度逐漸下降，說明赤泥的填充已超過了最佳填充量，由于赤泥活性較弱，多余的赤泥影響了材料的強度。而摻煅燒赤泥的試塊強度在摻量小于20%時遠高于基準配比，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成分與赤泥中的硅質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材料進行填充，所以強度較高。

圖5 赤泥的28 d強度

4 結語

根據以上試驗研究和分析可以得出如下結論:

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

2)摻未煅燒赤泥的摻量為5%左右時強度最高，當赤泥摻量超過15%時，強度快速下降要低于基準配比的強度，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%時要遠高于基準配比的強度，在摻量達30%時依然高于基準水泥的強度，600℃煅燒赤泥的最大摻量可達30%。

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