CaO改性赤泥固化劑固化黃土的力學性能研究

陳立東，宋志偉

(1.山西建筑職業技術學院實驗實訓教學部，晉中 030619;2.太原理工大學建筑與土木工程學院，太原 030024)

0 引 言

赤泥是在生產氧化鋁過程中產生的工業廢渣，由于我國工業化水平的快速發展，氧化鋁產能逐年提升，同時也產生了大量的赤泥。目前赤泥主要以赤泥堆場的方式存放，堆場中大量的赤泥不僅會消耗土地資源，也會給堆場周邊帶來一系列的環境問題，造成嚴重的土地鹽堿化及地下水污染[1-2]。拜耳法赤泥是使用拜耳法生產氧化鋁產生的赤泥，在生產氧化鋁的過程中，赤泥顆粒以極細的廢渣排出，由于大部分顆粒組分在溶液中反應而失去活性，因此赤泥的活化成為了目前研究的重點。

赤泥的活化主要分為機械活化[3]、熱活化[4]、酸堿或酸堿性材料活化等方式，采用酸堿或酸堿性材料對赤泥進行活化可使赤泥的強度有所提升。Kaya等[5]研究了使用HCl并經85 ℃和220 ℃分別處理，對材料結構進行改性，通過掃描電鏡、X射線衍射及熱重分析等方法，發現赤泥經酸改性并通過煅燒處理可對赤泥活性產生重要影響，同時可提高赤泥的熱穩定性。Gladyshev等[6]研究了50%、100%和150%質量分數的碳酸鈉對赤泥的影響，對赤泥進行XRD和紅外光譜分析，發現赤泥吸熱峰的溫度隨蘇打量的增加而降低。史迪等[7]研究了模數2.4的液體水玻璃作為激發劑的激發效果，發現拜耳法赤泥的膠凝活性極低，水玻璃難以激發其活性；燒結法赤泥中含有β硅酸二鈣，可用水玻璃作為激發劑激發其活性，在礦渣∶赤泥=3∶7時28 d強度可達65 MPa以上。使用水玻璃可以激發赤泥、礦渣的活性[8]，也可有效增強赤泥、粉煤灰混合材料的強度，當赤泥加入量達到60%～70%時，3 d抗壓強度均可達10 MPa以上[9]。黃迪等[10]研究了以天然石膏、脫硫石膏、石灰等材料作為激發劑對赤泥、礦渣膠結填充料的影響，發現脫硫石膏的激發效果最為明顯，且摻量占填充材料的1.5%時效果最佳。

研究發現，使用酸堿材料對赤泥進行激發時，使用較多的是HCl、碳酸鈉、水玻璃以及脫硫石膏等活化劑，由于拜耳法赤泥中活性材料較少，多數學者的研究重點放在了燒結法赤泥的激發方面，但使用CaO作為改性材料且對拜耳法赤泥的研究較少。本論文主要研究使用CaO作為激發劑對拜耳法赤泥進行激發，考慮不同配比條件下的材料強度，分析改性赤泥固化黃土強度隨赤泥添加量和齡期增長的變化規律，探索了基于CaO改性赤泥固化黃土在實際工程中的應用。

1 實 驗

1.1 試驗材料

試驗所用赤泥取自山西呂梁某鋁廠，固化所用黃土取自山西太原東山地區某工地，取土深度4～5 m，赤泥和黃土在試驗前經風干碾碎過1.25 mm方孔篩，其主要化學成分見表1。

表1 赤泥和黃土的主要化學成分Table 1 Main chemical components of red mud and loess /wt%

試驗使用水泥為太原獅頭水泥廠生產的標號42.5普硅水泥。使用分析純CaO作為改性劑，以確保改性劑的純度。制備試塊使用的水為自來水。

1.2 試驗方法

將固化材料與黃土混合攪拌均勻后裝入攪拌器，加入水后均勻拌和，裝入長度為70.7 mm的立方體模具中，放置在振動臺上振動5～10 s，每組制備3個平行試樣。按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)，在標準環境下養護至待測齡期，使用微機控制電子試驗機對各試塊進行無側限抗壓強度測試，其中無側限抗壓強度使用qu表示。

1.3 試驗配合比設計

在固化黃土試驗前，先進行固化劑配合比的優化試驗，其中各配比方案見表2，所有材料用量均為與黃土的質量比，其中水泥摻量選取5%、10%、15%，赤泥∶CaO分別為5∶1、3∶1、2∶1，在28 d進行抗壓強度測試，測試結果見表2。

研究發現，當水泥摻量為10%時，赤泥∶CaO為3∶1和2∶1時，其固化黃土的qu均大于5%及15%水泥摻量；而當赤泥∶CaO為3∶1時，qu達到最大值，且在10%水泥摻量的條件下，分別較5∶1及2∶1的漲幅達39.2%和7.6%。

根據上述分析，制備以10%水泥摻量，赤泥∶CaO為3∶1的固化劑方案，而赤泥、CaO和水泥均以黃土為基準，赤泥摻量用cRM表示，試驗方案見表3。由于赤泥吸水性較強，而CaO在反應過程中也要消耗更多的水，所以各方案含水率分別從27%增加至31%，即每增加15%的赤泥，添加1%的水作為補償，含水率為水占實驗材料總量的百分比。

表2 固化劑配比方案及試塊28 d無側限抗壓強度Table 2 Proportioning schemes of curing agent and unconfined compressive strength for 28 d of test blocks

表3 試驗方案Table 3 Test scheme

2 結果與討論

2.1 無側限抗壓強度隨改性赤泥摻量的變化

圖1 無側限抗壓強度隨赤泥摻量的變化曲線Fig.1 Relationship between unconfined compressive strength and red mud content

圖1是無側限抗壓強度隨赤泥摻量的變化規律圖，由圖可以看出，隨著赤泥的增加，無側限抗壓強度逐漸增大；當赤泥摻量達到45%～60%時，強度變化趨于平緩，并在此區間達到最大值。

使用二次函數對qu-cRM進行擬合發現，曲線可以較好的反應強度變化規律，擬合使用公式(1)：

(1)

式中,qu是無側限抗壓強度，MPa；cRM是赤泥摻量，%；a、b、e分別為常數。

表4是無側限抗壓強度隨赤泥摻量變化的參數及最佳預測值，通過R2可以看出，在赤泥摻量為0%～60%時，函數可以較好的體現出強度變化。同樣使用各齡期對應的a、b、e值，可以有效預測出試塊在該齡期的最大預測強度與相應的赤泥摻量。當齡期在7～28 d時，最大預測強度為4.2 MPa左右，但對應的最適合赤泥摻量略有不同；當齡期達到90 d時，最大預測強度為5.8 MPa，最適合的赤泥摻量為52.12%，這與赤泥摻量為45%的測試值基本相同。

表4 無側限抗壓強度在各齡期下隨赤泥摻量變化的參數及最佳預測值Table 4 Parameters and optimum predicted value of unconfined compressive strength with the variation of red mud content at different age

為了研究改性赤泥作為固化劑與水泥作為固化劑固化黃土的強度強化值，定義赤泥強化因子kRM：

kRM=qc=x/qc=0

(2)

式中，kRM是赤泥強化因子；qc=x是cRM=x時的強度，MPa；qc=0是水泥固化黃土的強度，MPa。

表5是kRM值，在較早齡期時(7～14 d)，改性赤泥固化劑的提升幅度較大，赤泥摻量為15%時，強度可以提高3倍以上；當赤泥摻量為30%～60%時，強度可提高5倍以上。在28～90 d齡期，赤泥摻量為15%時，強度提高2倍以上；當赤泥摻量為30%～60%時，強度可提高2.5～4倍。

表5 赤泥強化因子kRMTable 5 Red mud strengthening factor kRM

2.2 無側限抗壓強度隨齡期的變化

圖2 無側限抗壓強度隨齡期的變化Fig.2 Relationship between unconfined compressive strength and curing age

圖2是無側限抗壓強度隨養護齡期增加的規律圖，由圖可以看出，隨著齡期的增加，強度整體趨于增大的狀態，但在7 d和14 d兩個齡期，會出現略微降低的情況，這可能是由于赤泥固化劑在較早期時就可以發揮較大的性能，故在7～14 d可以忽略養護帶來的強化效果。

觀察圖2發現，隨著養護齡期的增加，無側限抗壓強度呈現出線性增長的趨勢，因此使用線性函數(3)進行擬合：

qu=a+bt

(3)

式中，qu是無側限抗壓強度，MPa；t是齡期，d；a、b分別為常數。

表6是強度隨齡期增加的參數及R2，由R2可以看出，當養護齡期在7～90 d時，使用簡單的線性函數即可有效表征強度的變化，但也要考慮個別赤泥摻量時的變化狀態。分析a可以看出，隨著赤泥摻量的增加，截距逐漸增大，說明強度在較早齡期時也會相應增強；分析b可以看出，當使用水泥固化劑時，斜率為0.014，而使用改性赤泥作為固化劑時，斜率為0.02左右，表明在相應的養護齡期時，改性赤泥固化劑對強度的增長率比水泥要更好。

表6 無側限抗壓強度在不同赤泥摻量下隨齡期增加的參數及R2Table 6 Parameters and R2 of unconfined compressive strength with the variation of curing age at different content of red mud

為了研究養護齡期對固化黃土強度的強化值，定義齡期強化因子kt：

kt=qt=x/qt=7

(4)

式中，kt是齡期強化因子；qt=x是t=xd時的qu，MPa；qt=7是t=7 d時的qu，MPa。

表7是相同赤泥摻量時養護齡期14～90 d與7 d無側限抗壓強度的比值，當使用水泥作為固化劑時，kt明顯大于改性赤泥固化劑，這是由于水泥在7 d時的強度較低，使得后期養護效果更為明顯，90 d齡期時可達2.7倍以上。當使用改性赤泥作為固化劑時，14 d與28 d在1左右，說明7 d齡期的固化黃土強度可以達到28 d齡期時效果；當養護超過90 d時，強度相對7 d齡期可以達到1.5倍的提升。

表7 齡期強化因子ktTable 7 Curing period strengthening factor kt

2.3 無側限抗壓強度變化的機理分析

由上述分析可知，隨著改性赤泥的增加，試塊無側限抗壓強度逐漸增大，這是由于改性赤泥固化劑中，不僅包含一部分水泥，同時還有赤泥和CaO。CaO遇水反應生成Ca2+和OH-，在原料拌和時，所加的水量不足以使CaO全部反應，因此固化黃土中的CaO處于過量狀態，圖3為固化黃土經無側限抗壓強度試驗后的壓裂面照片，其中白色部分為未反應的CaO。過量的CaO在養護過程中，可以持續反應釋放出Ca2+和OH-，Ca2+與黃土中的Na+、K+發生置換反應，改善固化黃土的骨架結構，使土顆粒間的強度提升。另一方面，赤泥中的易溶性礦物溶于孔隙水中，溶解出硅酸根和鋁酸根等活性陰離子，這些陰離子與孔隙水中飽和的Ca2+反應，生成了強度較大的硅酸鈣、鋁酸鈣和硅鋁酸鈣，使改性赤泥可以有效的發揮高強度的作用[11-12]。試塊在持續的養護過程中，空氣中的水分進入試塊內部，促使水泥不斷的進行水化反應，同時赤泥在CaO的激發作用下，不斷的反應生成活性陰離子，隨著養護齡期的不斷增加，試塊強度也不斷增大。

圖3 改性赤泥固化黃土抗壓試驗壓裂面照片
Fig.3 Fracture surface of specimen during the compressive test

圖4 改性赤泥固化黃土SEM圖
Fig.4 SEM image of solidified loess

隨著改性赤泥的增加，試塊強度也逐漸增大，但最大值出現的范圍是改性赤泥摻量為45%～60%區間。這是由于改性赤泥的增加，意味著CaO與赤泥同時增多，但CaO在固定含水量下反應量是不變的，即孔隙水系統中的Ca2+和OH-在CaO過量時會處于飽和狀態，故增大范圍有限。圖4是改性赤泥固化黃土SEM圖，分析發現當赤泥逐漸增多時，在OH-的激發下，水解出的活性陰離子也會達到一定限度，因此改性赤泥在固定范圍內對固化黃土強度提升效果可以達到最大。

3 結 論

(1)隨著赤泥的增加，無側限抗壓強度逐漸增大；當赤泥摻量達到45%～60%時，強度變化趨于平緩，并在此區間達到最大值。使用二次函數可以較好的擬合出滿足強度隨赤泥摻量變化的規律，并可使用二次函數預測最優赤泥摻量。

(2)隨著齡期的增加，改性赤泥固化黃土強度在7～28 d時變化不大；在7～90 d范圍內，強度隨齡期的增長可以使用線性函數得到較好的表征。

(3)定義了赤泥強化因子和齡期強化因子，并具體分析出赤泥的摻入與養護齡期對試塊強度增加的倍數：在28～90 d齡期時，赤泥摻量為15%時，強度提高2倍以上；當赤泥摻量為30%～60%時，強度可提高2.5～4倍之間。