燒結法赤泥生產混凝土的研究探討

摘要: 通過對燒結法赤泥的化學成分、礦物組分、化學元素等的分析測試, 表明赤泥具有一定的膠凝性。在實驗室條件下, 對赤泥進行700 ℃的煅燒處理, 并利用其制取水泥赤泥混凝土, 與基準混凝土的抗折、抗壓強度進行對比。結果表明, 當赤泥的摻量大于15%時, 水泥赤泥混凝土不同齡期的強度顯著降低, 而經一定溫度煅燒處理的赤泥制取的水泥赤泥混凝土, 強度降低幅度減緩。

關鍵詞: 赤泥; 水泥; 膠凝性; 混凝土

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

　　赤泥是氧化鋁生產過程產生的最大廢棄物, 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國, 據統(tǒng)計, 僅河南、山東、山西、貴州、廣西等五大鋁廠年排放量就達600 萬t, 累積赤泥堆存量高達5 000 萬t。

　　赤泥露天堆放, 占據山地和農田, 造成大氣污染。堆場上層的堿液大量滲漏到附近農田, 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60 年代以來, 國內外開始加大對赤泥的研究探討, 主要體現在以下幾個方面: 將赤泥應用于水泥混凝土的研究利用[1- 3] ; 利用赤泥生產水泥[4, 5] ;

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

　　將赤泥應用于混凝土砌塊生產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)的經濟效益和新型建筑材料的發(fā)展都有一定的意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

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

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

　　碎石: 為機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, 為燒結法一年陳化赤泥, 外觀為板結塊狀, 呈棕黃色;赤泥經110 ℃保溫烘干2 小時( 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成分如表1 所示。

1.2 試驗方法

　　從表1、表2 和表3 可以看出, 赤泥含有較高的鈣質成分, 并且含有一定數量的硅酸二鈣, 經分析,赤泥中有效鈣質含量達26%。同時赤泥中含有相當數量的無定形鋁硅酸鹽物質, 它們在水泥水化過程中放出的氫氧化鈣的作用下產生火山灰反應, 從而產生膠凝性。所以赤泥可以作為一種具有膠凝性的鈣質材料取代部分水泥, 基于赤泥的這種礦物特性,選擇了水泥—赤泥為膠結物來制取混凝土。本試驗共設計了兩組配合比方案。一組是用磨細赤泥( 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。

　　本試驗選用混凝土的設計強度等級為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)護至預定齡期分別測定抗折和抗壓強度。

　　混凝土配制強度按下式計算:

fcu.o ≥ fcu.k + 1.645 σ

　　式中: fcu.o —混凝土配制強度(MPa) ;fcu.k —混凝土立方體抗壓強度標準值(MPa) ;

　　　　　　σ—混凝土強度標準差(MPa) ;1.645—混凝土的強度保證率達95%時的概率度。

　　當混凝土強度等級為C20 時, σ=2.5 MPafcu.o = 20+1.645 ×2.5 = 24 MPa

　　根據配制強度計算配合比為:水泥∶砂∶石∶水=1∶1.38∶2.94∶0.46。

　　表4 配合比方案

2 試驗結果及討論

2.1 水泥赤泥混凝土強度測試與分析

　　表5 為赤泥水泥混凝土的強度測試結果。

　　表5 水泥赤泥混凝土強度試驗結果

　　由表5 結果可以看出, 用磨細赤泥代替部分水泥, 形成水泥赤泥混凝土, 當赤泥代替水泥用量較合適時, 可以獲得滿意的強度。如用赤泥代替15%的水泥的水泥赤泥混凝土, 在抗折強度與基準水泥混凝土的抗折強度相當, 特別是當齡期達28 天的時候, 抗折強度更為接近。雖然在抗壓強度方面不如基準水泥混凝土, 但是都能滿足強度為C20 的混凝土的強度要求; 當赤泥代替水泥用量達到20%時, 其抗壓強度相對于基準水泥混凝土有相當程度的降低, 但是抗折強度依然比較接近; 當赤泥代替水泥用量達到25%時, 其抗壓強度和抗折強度相比于基準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, 超過這個范圍, 會引起混凝土力學性能的大幅度降低。

　　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 天齡期的時候, 抗折強度要比基準水泥混凝土低, 但28 天齡期的水泥赤泥混凝土相對增加的抗折強度比水泥混凝土要大。

　　以上試驗結果表明磨細赤泥顆粒細微。一方面起到了對混凝土孔隙的填充作用, 另一方面, 也表明了磨細赤泥因為一定量的無定形鋁硅酸鹽和活性硅酸二鈣存在, 對混凝土的強度有一定的補強作用。

2.2 摻入經700 ℃煅燒赤泥的水泥赤泥混凝土強度測試結果

　　表6 水泥在700 ℃煅燒赤泥混凝土強度試驗結果

　　從表6 可以看出, 經700 ℃煅燒處理的赤泥制作水泥赤泥混凝土, 其不同齡期的強度均有不同程度的增加, 尤其是赤泥摻量較多時的后期抗壓強度增長幅度較大。抗折強度有一定程度的增加, 但幅度較小。這說明對赤泥進行煅燒處理, 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的形成, 在對不同溫度下的赤泥( 300 ℃、500 ℃、700℃、900 ℃) 進行X 射線衍射分析和紅外光譜分析,

　　結果證實了在經一定溫度( 700 ℃以上) 的煅燒后,有相當數量的β- C2S 形成。另外, 經過煅燒處理, 使赤泥中一些含水礦物的結晶水, 乃至結構水脫去, 致使赤泥原有結構被破壞, 形成無定形的亞穩(wěn)結構, 從而使赤泥的活性增加。

3 結論與討論

　　(1) 當赤泥代替水泥用量在15%左右時, 水泥赤泥混凝土的強度, 特別是抗折強度與普通水泥混凝土強度相當, 抗壓強度也能達到設計要求。當赤泥代替水泥的用量超過20%時候, 其強度有比較明顯的下降;

　　(2) 利用700 ℃煅燒預處理赤泥, 可以激發(fā)赤泥的潛在活性, 使水泥在700 ℃煅燒赤泥混凝土強度的抗折、抗壓強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度。

　　(3) 利用經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, 強度符合要求, 工藝簡單,有一定的社會、經濟、環(huán)境效益。

參考文獻

　　1 顏祖興.水泥赤泥混凝土開發(fā)應用研究[ J] .混凝土,2000( 10) : 18- 19.

　　2 梁乃興, 張登良, 顏祖興.水泥赤泥混凝土強度形成機理[ J] .西安建筑科技大學學報, 1996, 28( 2) :148- 150.

　　3 吳波, 張德成, 張昭忠, 等.利用赤泥生產加氣混凝土砌塊的研究[ J] .中國資源綜合利用, 2005( 6) :29.

　　4 張培新.利用赤泥制備硫鋁酸鹽快硬水泥的研究[ J] .環(huán)境污染與防治, 2000, 22( 6) : 16- 17.

　　5 張彥娜, 潘志華, 李東旭, 等.赤泥用作高性能水泥調節(jié)組分的研究[ J] .南京工業(yè)大學學報, 2004( 5) :22- 23.

　　6 張江娟, 鄧佐國, 徐廷華.從赤泥鹽酸浸出液中提取鈧[ J] .有色金屬再生與利用, 2006( 8) : 19- 21.

　　7 從赤泥中回收鐵的方法[ J] .環(huán)?；? 2006, 26(4) :271.

　　8 李國昌, 劉緒政.赤泥對聚氯乙烯軟膜透光率的影響[ J] .非金屬礦, 2001, 24( 4) : 28- 29.