赤泥-秸稈基輕質砂漿的制備及其性能表征

(安徽工業大學材料科學與工程學院，安徽馬鞍山243002)

赤泥是生產氧化鋁過程中的工業固廢，每噸氧化鋁產生的赤泥達1～1.5 t[1]，其強堿性特征除導致赤泥資源化處置的水平極低外，還對環境造成嚴重影響[2]。根據生產工藝和鋁土礦石品位的不同，赤泥分為燒結法、拜耳法和聯合法3種。近年來，學者們對燒結法赤泥和拜耳法赤泥進行了大量研究，文獻[3-6]中的研究表明，具有水化膠凝活性的燒結法赤泥(含2CaO·SiO2)可與粉煤灰、水泥和礦渣等原料結合，用于燒結磚、水泥填土等，且性能優良；文獻[7-8]利用燒結法加工出耐水性能良好的赤泥地聚物纖維板和輕質建材。我國赤泥主要為拜耳法赤泥，其富含的無膠凝活性硅鋁成分及以結合態存在的堿金屬化合物需被高溫激活才能用作膠凝材料的原料，這不利于其規模化處置[9]。文獻[10]中的研究表明，采用質量分數20%的水玻璃(Na2SiO3·9H2O)作為激發劑，其提供的Na2O和[SiO4]4-能有效激發礦渣和赤泥，可制備出具較高力學性能的赤泥-堿礦渣基膠凝材料。若將上述方法中的水玻璃用富含3CaO·SiO2的硅酸鹽水泥和礦渣微粉混合物替換，并采用秸稈粉末提供活性含硅鋁成分與纖維成分，可使上述赤泥-堿礦渣基膠凝材料易被施工，還能將大量的農作物固廢用作建材原料。因此，筆者利用拜耳法赤泥、秸稈、礦渣微粉、硅酸鹽水泥等為原料，制備赤泥膠凝材料及其秸稈輕質砂漿試樣，并對其性能進行表征。

1 實驗

1.1 原料

拜耳法赤泥，由廣西信發鋁業有限公司提供，含水率為18.2%(質量分數)；S95等級礦渣微粉，為安徽馬鋼嘉華新型建材有限公司生產；P.O 42.5水泥，為馬鞍山海螺有限公司生產；秸稈粉(簡稱秸稈)、小麥秸稈，取自阜陽某農村秸稈處置中心，秸稈長度≤4 mm。各原料主要化學成分如表1。

表1 實驗原料的化學組成，w/%Tab.1 Chemical composition of experiment materials，w/%

1.2 原料配比設計

赤泥膠凝材料由赤泥、礦渣微粉、P.O42.5水泥均勻混合而成。保持水灰比為0.7(水和赤泥膠凝材料粉體的質量之比)和赤泥含量(50%，質量分數)不變，改變礦渣微粉和水泥的比例，探尋赤泥膠凝材料中水泥和礦渣微粉的最優配比。以最優配比的礦渣微粉與水泥為基礎，保持其和水灰比0.7不變，改變赤泥含量，優化出最佳的赤泥膠凝材料組成。在此基礎上，保持水灰比0.7不變，向赤泥膠凝材料的泥漿中添加不同摻量的秸稈，研究秸稈摻量對赤泥膠凝材料-秸稈輕質砂漿(簡稱赤泥-秸稈輕質砂漿)試樣性能的影響，其中秸稈添加量分別占膠凝材料泥漿容積的0%，10%，20%，30%，40%，50%(體積分數)。

1.3 試樣的制備

1.3.1 赤泥膠凝材料凈漿硬化試樣的制備

將赤泥放入干燥箱中于120℃條件下烘干后，投至球磨機的球磨罐中，用Φ30 mm的氧化鋁球球磨0.5 h獲得赤泥粉體；按照設計的配比稱取一定量的水泥、礦渣微粉、赤泥粉，和少量(約20個)的Φ30 mm氧化鋁球(作為攪拌介質)且一并投入球磨機的球磨罐中，在球磨罐中混合0.5 h，混勻原料，獲得赤泥膠凝材料；取出赤泥膠凝材料，按照水灰比0.7，在凈漿攪拌機中加入水將其攪拌成赤泥膠凝材料凈漿。凈漿制備的具體步驟為：按照設定水灰比，先將膠凝材料加入攪拌鍋內再緩慢加入水，慢攪60 s和快攪90 s，獲得拌勻的膠凝材料凈漿。將凈漿澆注入40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂三聯試模中，通過振搗方法除去凈漿中的氣泡，靜置24 h后脫模，將脫模后的試樣放入濕度90%、標準室溫(20±2)℃的養護室中養護，獲得齡期為3，7，28 d的赤泥膠凝材料凈漿硬化試樣(簡稱赤泥凈漿硬化試樣)。

1.3.2 赤泥-秸稈輕質砂漿試樣的制備

按照赤泥-秸稈輕質砂漿試樣的配比配料(秸稈預濕)，將其加入砂漿攪拌機中干拌2 min，再加入水濕拌3 min(水灰比0.7)，制得赤泥-秸稈輕質砂漿。將砂漿澆注入40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂三聯試模中，通過振搗方法去除攪拌時帶入砂漿中的氣泡，靜置24 h后脫模，將脫模后的試樣放入濕度90%、標準室溫(20±2)℃的養護室中養護，獲得齡期為3，7，28 d的赤泥-秸稈輕質砂漿試樣。

1.4 性能表征

采用X射線熒光光譜分析儀(XRF，ARLADVANT'X IntellipowerTM3600型，德國布魯克公司生產)分析原料的化學組成；采用MTS Exceed E44電子萬能試驗機(MTS系統(中國)公司生產)測試各齡期試樣的抗折和抗壓強度及軟化系數(軟化系數為試樣在水飽和狀態和干燥狀態下無側限抗壓強度之比)；試樣容重、吸水率按照GB/50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性性能試驗方法》要求進行測試；采用穩態法測試試樣的導熱系數，試樣尺寸為Φ135 mm×40 mm，YBF-3型導熱系數測定儀，杭州大華儀器制造有限公司制造；使用日本電子公司生產的JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣截面的顯微形貌。

2 實驗結果與討論

2.1 赤泥膠凝材料的力學性能

赤泥膠凝材料的組成為質量分數50%的赤泥+質量分數50%的水泥與礦渣，改變水泥與礦渣含量、赤泥含量不變，赤泥膠凝材料凈漿硬化試樣各齡期抗壓強度的變化趨勢如圖1。從圖1可看出，隨著水泥摻量的降低，試樣的抗壓強度呈先提高后降低的趨勢。這是因為：當水泥與礦渣質量比在一定范圍內減小時，盡管水泥含量有所降低，但只要水泥中的堿含量足夠激發礦渣的活性，就會使試樣強度隨著水泥含量降低(即礦渣含量增大)而增大；隨著水泥含量的進一步降低，其對礦渣的堿激發效果減弱，導致試樣的強度隨之降低，其中水泥與礦渣質量比為1∶3時試樣的抗壓強度最大，3，7，28 d齡期的抗壓強度分別達4.3，6.5，8.0 MPa。

圖1 水泥與礦渣配比對赤泥凈漿硬化試樣抗壓強度的影響Fig.1 Effect of cement-slag mass ratio on the compressive strength of hardened specimens of red mud paste

水泥與礦渣配比(質量比為1∶3)不變，赤泥加入量對赤泥凈漿硬化試樣各齡期抗壓強度的影響如圖2。從圖2可看出：隨著赤泥量的增加，試樣的抗壓強度隨之降低，表明赤泥中SiO2、Al2O3和Na2O成分處于被結合和惰性狀態[11]，故在赤泥膠凝材料的赤泥-水泥-礦渣三元組成中，增加赤泥含量會降低赤泥凈漿硬化試樣的力學性能，其中赤泥質量分數為30%時，試樣3，7，28 d齡期的抗壓強度分別達6.0，8.6，10.5 MPa，其膠結性能可滿足(使用量最大的)普通建材的力學性能要求。JC/T 862—2008“粉煤灰混凝土小型空心砌塊”標準中，要求非承重的建筑圍護和隔斷墻材的抗壓強度≥3.5MPa[12]。因此，本研究在赤泥膠凝材料的基礎上，采用秸稈作為輕集料，制備赤泥-秸稈輕質砂漿試樣，該砂漿澆注成型后可被加工成輕質砌塊、墻板等自保溫墻材。

圖2 赤泥含量對赤泥凈漿硬化試樣抗壓強度的影響Fig.2 Effect of red mud content on the compressive strength of hardened red mud paste specimens

2.2 赤泥-秸稈輕質砂漿的力學性能

2.2.1 抗壓強度

圖3 秸稈摻量對赤泥-秸稈輕質砂漿試樣抗壓強度的影響Fig.3 Effect of straw content on the compressive strength of red mud--straw lightweight mortar specimens

圖3為秸稈摻量對各齡期赤泥-秸稈輕質砂漿試樣抗壓強度的影響。從圖3可看出：隨著秸稈摻量的增加，試樣各齡期抗壓強度均逐漸降低，秸稈體積分數為10%時，試樣的3，7，28 d抗壓強度相對于不摻加秸稈試樣均大幅降低，其中試樣28 d抗壓強度為7.3 MPa，與不摻加秸稈時的10.5 MPa相比，強度降低了30.6%，這是由于摻入秸稈帶入的大量空隙所致。但是當秸稈體積分數為10%，20%時，試樣的抗壓強度相近，而后隨著秸稈摻量的增加，試樣的抗壓強度開始降低，但降低幅度不大，表明試樣中秸稈粉末的活性含硅鋁成分具備參加水化反應的活性，從而有效彌補了因引入秸稈(弱結構)集料所導致的強度降低。

2.2.2 抗折強度

圖4為秸稈摻量對各齡期赤泥-秸稈輕質砂漿試樣抗折強度的影響。從圖4可以看出：隨著秸稈摻量的增加，試樣的3，7，28 d抗折強度均增大。其中：秸稈體積分數由0增加到30%時，試樣的28 d抗折強度增加緩慢，僅增加0.22 MPa；隨著秸稈摻量的繼續增加，試樣的抗折強度增加明顯，秸稈體積分數為50%時試樣的抗折強度最大，為1.9 MPa。隨著秸稈摻量增加，試樣體內的纖維和活性含硅鋁成分的數量會同步增多，使得均勻分布在膠凝材料硬化基體內的秸稈纖維具有一定的承載能力和較高的延性；秸稈中活性含硅鋁的成分會強化秸稈與基體結合處(及鄰近區域)結構，有利于增強基體材料的韌性，從而導致試樣的抗折強度隨著秸稈量的增加而提高。

圖4 秸稈摻量對赤泥-秸稈輕質砂漿試樣抗折強度的影響Fig.4 Effect of straw content on the flexural strength of red mud--straw lightweight mortar specimens

2.2.3 軟化系數

赤泥-秸稈輕質砂漿試樣的遇水穩定性可用軟化系數來衡量，圖5為秸稈摻量對赤泥-秸稈輕質砂漿試樣軟化系數的影響。從圖5可看出：隨著秸稈摻量的增加，試樣28 d的軟化系數先增大后減小；未摻加秸稈時，試樣的軟化系數為0.93，當秸稈摻量增加至30%(體積分數)時，試樣的軟化系數達最大，為0.97；繼續增加秸稈摻量，體積分數至50%時，試樣的軟化系數卻隨之降低。這是由于：秸稈體積分數不超過30%時，隨著秸稈摻量的增加，秸稈提供硅鋁成分逐漸增多，生成的凝膠，凝膠及其碳化產物CaCO3等耐水性產物[13]可將不耐水的秸稈顆粒有效包裹，致使試樣的軟化系數隨秸稈量的增加而增大；隨著秸稈量的繼續增加，體系中產生的耐水性產物不足于將不耐水的秸稈顆粒有效包裹，從而導致試樣的軟化系數隨秸稈量的繼續增加而降低。摻加秸稈的試樣軟化系數均高于未摻加秸稈試樣，表明秸稈中的無機組分參與水化反應會提高試樣結構的遇水穩定性。

圖5 秸稈摻量對赤泥-秸稈輕質砂漿試樣軟化系數的影響Fig.5 Effect of straw content on the softening coefficient of red mud--straw lightweight mortar specimens

2.3 赤泥-秸稈輕質砂漿的其他物理性能

2.3.1 容重和導熱系數

圖6 秸稈摻量對赤泥-秸稈輕質砂漿試樣容重和導熱系數的影響Fig.6 Effect of straw content on the specific weight and thermal conducting coefficient of red mud--straw lightweight mortar specimens

圖6為秸稈摻量對赤泥-秸稈輕質砂漿試樣容重和導熱系數的影響曲線。從圖6可看出：隨著秸稈摻量的增加，試樣的容重逐漸降低，但降低幅度較小，由無秸稈摻量時的1.54 g/cm3逐漸降低至秸稈體積分數50%時的1.41 g/cm3，減小了約8.44%；隨著秸稈摻量的增加，試樣的導熱系數降低，且秸稈體積分數在30%～40%時降低速率增大，當秸稈體積分數由0增加至50%時，試樣的導熱系數λ由0.63 W/(mK)下降至0.40 W/(mK)，說明秸稈的輕質疏松結構(秸稈內部的孔隙較多，平均孔隙率可達83.5%[14])中夾帶的空氣對試樣的熱阻增大起到促進作用；秸稈體積分數為50%時，試樣已具備一定實用性的保溫隔熱效果，λ=0.40 W/(mK)。

2.3.2 吸水率

圖7為秸稈摻量對赤泥-秸稈輕質砂漿試樣吸水率的影響。從圖7可看出：隨著秸稈摻量的增加，試樣的48h吸水率先減小后增加，最低吸水率為13.9%(秸稈體積分數為30%)；秸稈體積分數由0增加至30%時，試樣的吸水率下降幅度較大，下降約10%；秸稈摻量繼續增加時，試樣的吸水率又隨之增大，但增幅不大。導致上述現象和秸稈的雙重作用有關，即秸稈量增加導致的空隙量和其提供的活性含硅鋁成分含量同步增大，當空隙量增加對吸水率貢獻小于活性含硅鋁成分的結構致密作用時，試樣吸水率隨秸稈量增加而降低，反之吸水率隨之增大。

圖7 秸稈摻量對赤泥-秸稈輕質砂漿試樣吸水率的影響Fig.7 Effect of straw content on the water absorption of red mud--straw lightweight mortar specimens

2.4 赤泥-秸稈輕質砂漿的微形貌

圖8為秸稈體積分數為30%的赤泥-秸稈輕質砂漿試樣截面微形貌的SEM照片。從圖8可看出，赤泥膠凝材料的水化產物和未反應物形成了較為致密的結構，且在秸稈纖維的表面出現了明顯的水化膠凝產物，水化膠凝產物可將秸稈纖維緊密包裹。秸稈的這種增強結構可解釋秸稈加入赤泥膠凝材料，其力學性能(尤其是抗折強度)顯著提升；同時秸稈表面的析出產物也給秸稈中的無機成分作為活性膠凝組分參與水化反應提供了有力證據。

圖8 赤泥-秸稈輕質砂漿試樣截面SEM照片Fig.8 SEM photo of cross-section of red mud-straw lightweight mortar specimen

3 結 論

以拜耳法赤泥、礦渣微粉、水泥(P.O42.5)和秸稈為原料，制備赤泥膠凝材料及赤泥-秸稈輕質砂漿試樣，研究秸稈摻量對赤泥-秸稈輕質砂漿試樣性能的影響，得出以下主要結論。

1)由質量分數為50%的赤泥和質量分數為50%的水泥、礦渣制備赤泥膠凝材料時，隨著水泥、礦渣混合物中水泥含量的減少，膠凝材料凈漿硬化試樣的各齡期抗壓強度先增大后降低，且m(水泥)/m(礦渣)=1∶3時的3，7，28 d齡期試樣均具最大的抗壓強度，分別為4.3，6.5，8.0 MPa。

2)赤泥膠凝材料中，加入體積分數為10%的秸稈可降低赤泥-秸稈輕質砂漿試樣的3，7，28 d齡期抗壓強度，但秸稈體積分數超過10%，赤泥-秸稈輕質砂漿試樣的抗壓強度隨秸稈量增加降低幅度減小；隨著秸稈摻量的增加，赤泥-秸稈輕質砂漿試樣的3，7，28 d齡期抗折強度均增大，秸稈體積分數增加至50%時，試樣的28 d抗折強度為1.9 MPa；與無秸稈試樣相比，赤泥-秸稈輕質砂漿試樣的軟化系數較高。

3)赤泥-秸稈輕質砂漿試樣的導熱系數隨著秸稈摻量增大而降低，從無秸稈試樣的0.63 W/(mK)降低至秸稈體積分數為50%試樣的0.40 W/(mK)；但試樣容重隨之降低的幅度不大，僅由無秸稈試樣的1.54 g/cm3降低至秸稈體積分數為50%試樣的1.41 g/cm3。