赤泥基高水胶凝材料的力学性能探究

师 杰

（1.开封大学 土木建筑工程学院，河南 开封 475004；2.开封市建筑固体废弃物再生利用技术重点实验室，河南 开封 475004）

0 引言

赤泥［1］是制铝工业的产物，是提取氧化铝时排出的废渣.一般来说，生产1吨氧化铝，附带产生1～2吨赤泥.赤泥成分复杂，浸出液的 pH 值［2］高达 12.1～13.0.若得不到及时有效的利用，就只能依靠在大面积的堆场［3，4］堆放.堆放的赤泥占用土地，污染水系，干燥后随风飘散，又污染大气.赤泥的无害化利用成为炼铝工业的目标，如何实施是一个急需解决的难题.

目前，对赤泥的无害化利用主要有以下几种方法：制备水泥、提炼有价金属和吸附污染物等.制备水泥［5，6］是指将一定量的赤泥掺入水泥中，但赤泥中碱含量较高，需要先对其进行消钠处理.提炼有价金属［7－9］是指提取赤泥中的铝、铁和稀土等元素，但是这种方法带来了高成本和废渣再处理的问题.吸附污染物［10－12］是指利用赤泥的高碱性特性和较大的比表面积吸附酸性气体，但这种吸附对赤泥的消耗量较小.可以说，以上几种方式均没有完全实现赤泥的无害化利用目标，没有彻底解决问题.

碱激发胶凝材料［13－17］是一种以碱性激发剂激发硅铝质原材料活性的胶凝材料，具有快硬早强和环保的特点.赤泥是冶铝废渣，含有大量硅铝氧化物和结合碱，是制备碱激发胶凝材料的理想原料.但赤泥颗粒的粒径大多小于100nm，同时含有较多孔隙，具有较强的吸水性，故制备碱激发胶凝材料时，无法获得较高的力学性能.

本文利用赤泥的高碱性和高吸水性，在碱激发下制备高水胶凝材料，通过掺加矿粉，对其力学性能进行改进.并且研究了碱性激发剂（水玻璃、熟石灰）和矿粉用量以及不同水灰比对其力学性能和干密度的影响.根据研究结果，提出了赤泥基高水胶凝材料的强度预测模型，为赤泥基高水胶凝材料的实际应用提供了一定的理论基础.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 赤泥

本试验所使用的赤泥为洛阳龙门煤业有限公司提供的烧结法赤泥.使用时，将赤泥块体破碎烘干并磨成微粉，所得微粉，95%以上的颗粒粒径小于 20μm，密度为 2.58g／cm3，比表面积为 4200cm2／g，标准稠度需水量为80%.其化学组成见表1.

1.1.2 矿粉

本试验所使用的矿渣为河南平原水泥厂提供的磨细粒化高炉矿渣炉粉（以下简称矿粉）.所得矿粉，90%以上的颗粒粒径小于20μm，密度为2.85g／cm3，比表面积为4400cm2／g，标准稠度需水量为28%.其化学组成见表1.

表1 原材料的化学成分w／%

1.1.3 碱性激发剂

本试验所用碱性激发剂为熟石灰粉和水玻璃.所用熟石灰粉的密度为2.45g／cm3，比表面积为3200cm2／g.本试验所用水玻璃的模数为2.7，波美度37°，含水率60%，使用时，用氢氧化钠将模数调配成1.0.本试验所用氢氧化钠为东莞市汇欣工贸有限公司生产的片状氢氧化钠.

1.2 试验方法

1.2.1 试验配合比

用赤泥和矿粉的粉料混合物在碱激发下制备赤泥基高水胶凝材料.分别对水玻璃、熟石灰和矿粉的最佳掺量以及赤泥基胶凝材料的最佳水灰比进行研究.具体配合比见表2.其中，编号N01—N05的任务为探究激发剂水玻璃的掺量对胶凝材料力学性能的影响的规律，编号N06—N10的任务为探究激发剂熟石灰的掺量对胶凝材料力学性能的影响的规律，编号N11—N16的任务为探究矿粉的掺量对胶凝材料力学性能的影响的规律，编号N17—N22的任务为探究水灰比的大小对胶凝材料力学性能的影响的规律.

表2 用于赤泥基高水胶凝材料力学性能研究的相关材料试验配合比

1.2.2 试件制备与养护

试件由固态组份和液态组份混合制备.其中，固态组份由赤泥、矿粉和熟石灰组成，液态组份由NaOH、水玻璃和水组成.

（1）料浆的制备

按表2中的配合比称量原材料.将赤泥、矿渣与熟石灰混合均匀，作为固态组份；将NaOH溶于水玻璃，与水混合均匀，作为液态组份.将固态、液态两组份放在搅拌机中混合搅拌，至料浆中没有粉末颗粒时停止.最后，将制备好的浆体均匀倒入40mm×40mm×160mm的三联立方体模具内，振捣至模具内的浆体充满密实.

（2）试件的养护

在试模上覆盖一层塑料薄膜并加盖一层湿布（用来保湿），将其放入养护室（20±2℃，相对湿度大于90%）进行养护，24h后取出脱模.再将试件用塑料薄膜包裹，然后放置在养护室中养护至试验所需龄期.

（3）试验内容

测试试件7d、28d、60d龄期的抗压强度和28d龄期的干表观密度.

2 结果与讨论

2.1 水玻璃对赤泥基高水胶凝材料力学性能的影响

从图1中可以看出水玻璃对赤泥基高水胶凝材料力学性能的影响.试件7d龄期的抗压强度随着水玻璃掺量的增加而增加.当水玻璃掺量低于10%时，抗压强度增长较快；当水玻璃掺量高于10%时，抗压强度增长较慢.试件28d、60d龄期的抗压强度增长趋势和增长规律与7d龄期的相似.

由图1中试件28d龄期的干密度变化曲线可知：当水玻璃掺量低于10%时，干密度增长较快；当水玻璃掺量高于10%时，干密度增长放缓.由此可知，赤泥基试件的干密度与抗压强度具有相似的变化趋势，即增加水玻璃掺量可使赤泥基试件的密实度不断增加.

图1 水玻璃对赤泥基高水胶凝材料的影响

2.2 熟石灰对赤泥基高水胶凝材料力学性能的影响

从图2中可以看出熟石灰对赤泥基高水胶凝材料力学性能的影响.当熟石灰掺量低于10%时，试件7d龄期的抗压强度逐渐增加；当熟石灰掺量高于10%时，试件7d龄期的抗压强度逐渐降低.试件28d、60d龄期的抗压强度变化趋势与7d龄期的变化趋势相似.

图2 熟石灰对赤泥基高水胶凝材料的影响

由图2中试件28d龄期的干密度变化曲线可知，当熟石灰掺量从3%增加到15%时，干密度从720kg／m3降低到710kg／m3，呈缓慢下降趋势.可见熟石灰对赤泥基试件的干密度并无显著影响.

2.3 矿粉对赤泥基高水胶凝材料力学性能的影响

从图3中可以看出矿粉对赤泥基高水胶凝材料力学性能的影响.当矿粉掺量低于60%时，试件7d龄期的抗压强度逐渐增加；当矿粉掺量高于60%时，试件7d龄期的抗压强度逐渐降低.当矿粉掺量低于50%时，试件28d、60d龄期的抗压强度逐渐增加；当矿粉掺量高于60%时，试件28d、60d龄期的抗压强度逐渐降低.可见矿粉对赤泥基试件的抗压强度有显著影响.

由图3中试件28d龄期的干密度变化曲线可知，当矿粉掺量从20%增加到70%时，干密度从710kg／m3增加到720kg／m3，呈缓慢增长趋势.可见矿粉对赤泥基试件的干密度无显著影响.

图3 矿粉对赤泥基高水胶凝材料的影响

2.4 水灰比对赤泥基高水胶凝材料力学性能的影响

从图4中可以看出水灰比对赤泥基高水胶凝材料力学性能的影响.试件7d龄期的抗压强度随着水灰比的增加，呈线性降低趋势.试件28d、60d龄期的抗压强度增长趋势与7d龄期的增长趋势相似.当水灰比不大于1.2时，7d龄期以上试件的抗压强度大于4Mpa.

图4 水灰比对赤泥基高水胶凝材料的影响

由图4中试件28d龄期的干密度变化曲线可知，当水灰比从0.8增加到1.3时，赤泥基试件的干密度从920kg／m3降低到680kg／m3，呈直线下降趋势.可见水灰比对赤泥基试件的干密度有着显著影响.

3 结论

1）赤泥基高水胶凝材料的水化需要经过溶解、水解、缩聚和固化四个步骤，最终生成物为具有网状类沸石结构的聚合物.

2）增加水玻璃掺量可同时增加赤泥基高水胶凝材料的抗压强度和干密度；增加熟石灰掺量对干密度无明显影响，但对抗压强度的增长有抑制作用；增加矿粉掺量对干密度无明显影响，但对抗压强度的增长有促进作用.