燒結(jié)法赤泥生產(chǎn)混凝土的研究探討

摘要: 通過對燒結(jié)法赤泥的化學(xué)成分、礦物組分、化學(xué)元素等的分析測試, 表明赤泥具有一定的膠凝性。在實(shí)驗(yàn)室條件下, 對赤泥進(jìn)行700 ℃的煅燒處理, 并利用其制取水泥赤泥混凝土, 與基準(zhǔn)混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對比。結(jié)果表明, 當(dāng)赤泥的摻量大于15%時(shí), 水泥赤泥混凝土不同齡期的強(qiáng)度顯著降低, 而經(jīng)一定溫度煅燒處理的赤泥制取的水泥赤泥混凝土, 強(qiáng)度降低幅度減緩。

關(guān)鍵詞: 赤泥; 水泥; 膠凝性; 混凝土

中圖分類號: X758 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1008- 9500( 2007) 03- 0017- 03

　　赤泥是氧化鋁生產(chǎn)過程產(chǎn)生的最大廢棄物, 也是氧化鋁廠最大的污染源。全世界每年排放赤泥約6 000 萬t, 我國是世界第四大氧化鋁生產(chǎn)國, 據(jù)統(tǒng)計(jì), 僅河南、山東、山西、貴州、廣西等五大鋁廠年排放量就達(dá)600 萬t, 累積赤泥堆存量高達(dá)5 000 萬t。

　　赤泥露天堆放, 占據(jù)山地和農(nóng)田, 造成大氣污染。堆場上層的堿液大量滲漏到附近農(nóng)田, 造成土壤沼澤化, 鹽堿化, 對地表、地下水造成了不同程度的污染。

　　自20 世紀(jì)60 年代以來, 國內(nèi)外開始加大對赤泥的研究探討, 主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: 將赤泥應(yīng)用于水泥混凝土的研究利用[1- 3] ; 利用赤泥生產(chǎn)水泥[4, 5] ;

　　從赤泥中提取有價(jià)金屬[6, 7] ; 利用赤泥做聚氯乙烯復(fù)合材料的填料[8]等。其中許多研究都存在赤泥利用量少, 效率低下, 或經(jīng)濟(jì)成本過高, 沒有實(shí)際生產(chǎn)意義, 并且均容易造成二次污染等問題。

　　將赤泥應(yīng)用于混凝土砌塊生產(chǎn)中是解決赤泥這種工業(yè)固體廢物資源化的有效途徑, 對減輕赤泥堆放區(qū)域地下水的污染、企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和新型建筑材料的發(fā)展都有一定的意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

　　水泥: 焦作市堅(jiān)固水泥廠325# 普通硅酸鹽水泥。比表面積3 900 cm2 /g;

　　砂: 高硅質(zhì)砂, 細(xì)度模數(shù)屬于中砂, 比表面積為2 300～2 800 cm2 /g。其性能指標(biāo)符合我國《建筑用砂》(GB/T 14684—2001) ;

　　碎石: 為機(jī)械破碎后篩分制成的建筑用碎石, 其中粒徑10～20 mm 的碎石占70%; 粒徑小于10 mm的碎石占30%。其性能指標(biāo)符合我國《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2001) ;

　　水: 飲用自來水;

　　赤泥: 取自河南省焦作市中州鋁廠赤泥堆場, 為燒結(jié)法一年陳化赤泥, 外觀為板結(jié)塊狀, 呈棕黃色;赤泥經(jīng)110 ℃保溫烘干2 小時(shí)( 充分干燥) , 0.080 mm方孔篩干法篩余為4%。

　　中州鋁廠赤泥的化學(xué)成分如表1 所示。

1.2 試驗(yàn)方法

　　從表1、表2 和表3 可以看出, 赤泥含有較高的鈣質(zhì)成分, 并且含有一定數(shù)量的硅酸二鈣, 經(jīng)分析,赤泥中有效鈣質(zhì)含量達(dá)26%。同時(shí)赤泥中含有相當(dāng)數(shù)量的無定形鋁硅酸鹽物質(zhì), 它們在水泥水化過程中放出的氫氧化鈣的作用下產(chǎn)生火山灰反應(yīng), 從而產(chǎn)生膠凝性。所以赤泥可以作為一種具有膠凝性的鈣質(zhì)材料取代部分水泥, 基于赤泥的這種礦物特性,選擇了水泥—赤泥為膠結(jié)物來制取混凝土。本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了兩組配合比方案。一組是用磨細(xì)赤泥( 通過0.08 mm 的方孔篩, 篩余量不超過4%) 分別代替15%、20%和25%水泥制取的水泥赤泥混凝土; 另一組是用經(jīng)700 ℃煅燒的赤泥分別代替15%、20%和25%水泥制取的水泥赤泥混凝。

　　本試驗(yàn)選用混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C20 的混凝土, 坍落度為25～50 mm。成型的混凝土試件在20 ℃左右的濕空氣中養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期分別測定抗折和抗壓強(qiáng)度。

　　混凝土配制強(qiáng)度按下式計(jì)算:

fcu.o ≥ fcu.k + 1.645 σ

　　式中: fcu.o —混凝土配制強(qiáng)度(MPa) ;fcu.k —混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa) ;

　　　　　　σ—混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差(MPa) ;1.645—混凝土的強(qiáng)度保證率達(dá)95%時(shí)的概率度。

　　當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C20 時(shí), σ=2.5 MPafcu.o = 20+1.645 ×2.5 = 24 MPa

　　根據(jù)配制強(qiáng)度計(jì)算配合比為:水泥∶砂∶石∶水=1∶1.38∶2.94∶0.46。

　　表4 配合比方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 水泥赤泥混凝土強(qiáng)度測試與分析

　　表5 為赤泥水泥混凝土的強(qiáng)度測試結(jié)果。

　　表5 水泥赤泥混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

　　由表5 結(jié)果可以看出, 用磨細(xì)赤泥代替部分水泥, 形成水泥赤泥混凝土, 當(dāng)赤泥代替水泥用量較合適時(shí), 可以獲得滿意的強(qiáng)度。如用赤泥代替15%的水泥的水泥赤泥混凝土, 在抗折強(qiáng)度與基準(zhǔn)水泥混凝土的抗折強(qiáng)度相當(dāng), 特別是當(dāng)齡期達(dá)28 天的時(shí)候, 抗折強(qiáng)度更為接近。雖然在抗壓強(qiáng)度方面不如基準(zhǔn)水泥混凝土, 但是都能滿足強(qiáng)度為C20 的混凝土的強(qiáng)度要求; 當(dāng)赤泥代替水泥用量達(dá)到20%時(shí), 其抗壓強(qiáng)度相對于基準(zhǔn)水泥混凝土有相當(dāng)程度的降低, 但是抗折強(qiáng)度依然比較接近; 當(dāng)赤泥代替水泥用量達(dá)到25%時(shí), 其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度相比于基準(zhǔn)水泥混凝土都有明顯降低。這說明了赤泥代替水泥用量有一定的范圍, 超過這個(gè)范圍, 會(huì)引起混凝土力學(xué)性能的大幅度降低。

　　通過表5, 還可以看出水泥赤泥混凝土從7 天到28 天的抗折強(qiáng)度增長速度比水泥混凝土快。雖然水泥赤泥混凝土在7 天齡期的時(shí)候, 抗折強(qiáng)度要比基準(zhǔn)水泥混凝土低, 但28 天齡期的水泥赤泥混凝土相對增加的抗折強(qiáng)度比水泥混凝土要大。

　　以上試驗(yàn)結(jié)果表明磨細(xì)赤泥顆粒細(xì)微。一方面起到了對混凝土孔隙的填充作用, 另一方面, 也表明了磨細(xì)赤泥因?yàn)橐欢康臒o定形鋁硅酸鹽和活性硅酸二鈣存在, 對混凝土的強(qiáng)度有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用。

2.2 摻入經(jīng)700 ℃煅燒赤泥的水泥赤泥混凝土強(qiáng)度測試結(jié)果

　　表6 水泥在700 ℃煅燒赤泥混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

　　從表6 可以看出, 經(jīng)700 ℃煅燒處理的赤泥制作水泥赤泥混凝土, 其不同齡期的強(qiáng)度均有不同程度的增加, 尤其是赤泥摻量較多時(shí)的后期抗壓強(qiáng)度增長幅度較大。抗折強(qiáng)度有一定程度的增加, 但幅度較小。這說明對赤泥進(jìn)行煅燒處理, 對它潛在的活性有一定的激發(fā)作用。說明赤泥經(jīng)煅燒處理后有一定量的活性硅酸二鈣, 如β- C2S 等一些水硬性礦物質(zhì)的形成, 在對不同溫度下的赤泥( 300 ℃、500 ℃、700℃、900 ℃) 進(jìn)行X 射線衍射分析和紅外光譜分析,

　　結(jié)果證實(shí)了在經(jīng)一定溫度( 700 ℃以上) 的煅燒后,有相當(dāng)數(shù)量的β- C2S 形成。另外, 經(jīng)過煅燒處理, 使赤泥中一些含水礦物的結(jié)晶水, 乃至結(jié)構(gòu)水脫去, 致使赤泥原有結(jié)構(gòu)被破壞, 形成無定形的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu), 從而使赤泥的活性增加。

3 結(jié)論與討論

　　(1) 當(dāng)赤泥代替水泥用量在15%左右時(shí), 水泥赤泥混凝土的強(qiáng)度, 特別是抗折強(qiáng)度與普通水泥混凝土強(qiáng)度相當(dāng), 抗壓強(qiáng)度也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)赤泥代替水泥的用量超過20%時(shí)候, 其強(qiáng)度有比較明顯的下降;

　　(2) 利用700 ℃煅燒預(yù)處理赤泥, 可以激發(fā)赤泥的潛在活性, 使水泥在700 ℃煅燒赤泥混凝土強(qiáng)度的抗折、抗壓強(qiáng)度均有不同程度的改善, 基本上都高于相同摻量赤泥的水泥赤泥混凝土強(qiáng)度。

　　(3) 利用經(jīng)一定溫度煅燒處理的赤泥代替部分水泥制作混凝土砌塊等, 強(qiáng)度符合要求, 工藝簡單,有一定的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。

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