陳立東，宋志偉

(1.山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)部，晉中 030619;2.太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

赤泥是在生產(chǎn)氧化鋁過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，由于我國(guó)工業(yè)化水平的快速發(fā)展，氧化鋁產(chǎn)能逐年提升，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的赤泥。目前赤泥主要以赤泥堆場(chǎng)的方式存放，堆場(chǎng)中大量的赤泥不僅會(huì)消耗土地資源，也會(huì)給堆場(chǎng)周邊帶來(lái)一系列的環(huán)境問(wèn)題，造成嚴(yán)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(chǎn)氧化鋁產(chǎn)生的赤泥，在生產(chǎn)氧化鋁的過(guò)程中，赤泥顆粒以極細(xì)的廢渣排出，由于大部分顆粒組分在溶液中反應(yīng)而失去活性，因此赤泥的活化成為了目前研究的重點(diǎn)。

赤泥的活化主要分為機(jī)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(duì)赤泥進(jìn)行活化可使赤泥的強(qiáng)度有所提升。Kaya等[5]研究了使用HCl并經(jīng)85 ℃和220 ℃分別處理，對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，通過(guò)掃描電鏡、X射線(xiàn)衍射及熱重分析等方法，發(fā)現(xiàn)赤泥經(jīng)酸改性并通過(guò)煅燒處理可對(duì)赤泥活性產(chǎn)生重要影響，同時(shí)可提高赤泥的熱穩(wěn)定性。Gladyshev等[6]研究了50%、100%和150%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳酸鈉對(duì)赤泥的影響，對(duì)赤泥進(jìn)行XRD和紅外光譜分析，發(fā)現(xiàn)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(shù)2.4的液體水玻璃作為激發(fā)劑的激發(fā)效果，發(fā)現(xiàn)拜耳法赤泥的膠凝活性極低，水玻璃難以激發(fā)其活性；燒結(jié)法赤泥中含有β硅酸二鈣，可用水玻璃作為激發(fā)劑激發(fā)其活性，在礦渣∶赤泥=3∶7時(shí)28 d強(qiáng)度可達(dá)65 MPa以上。使用水玻璃可以激發(fā)赤泥、礦渣的活性[8]，也可有效增強(qiáng)赤泥、粉煤灰混合材料的強(qiáng)度，當(dāng)赤泥加入量達(dá)到60%～70%時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度均可達(dá)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(fā)劑對(duì)赤泥、礦渣膠結(jié)填充料的影響，發(fā)現(xiàn)脫硫石膏的激發(fā)效果最為明顯，且摻量占填充材料的1.5%時(shí)效果最佳。

研究發(fā)現(xiàn)，使用酸堿材料對(duì)赤泥進(jìn)行激發(fā)時(shí)，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(shù)學(xué)者的研究重點(diǎn)放在了燒結(jié)法赤泥的激發(fā)方面，但使用CaO作為改性材料且對(duì)拜耳法赤泥的研究較少。本論文主要研究使用CaO作為激發(fā)劑對(duì)拜耳法赤泥進(jìn)行激發(fā)，考慮不同配比條件下的材料強(qiáng)度，分析改性赤泥固化黃土強(qiáng)度隨赤泥添加量和齡期增長(zhǎng)的變化規(guī)律，探索了基于CaO改性赤泥固化黃土在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用赤泥取自山西呂梁某鋁廠(chǎng)，固化所用黃土取自山西太原東山地區(qū)某工地，取土深度4～5 m，赤泥和黃土在試驗(yàn)前經(jīng)風(fēng)干碾碎過(guò)1.25 mm方孔篩，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

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

試驗(yàn)使用水泥為太原獅頭水泥廠(chǎng)生產(chǎn)的標(biāo)號(hào)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(lái)水。

1.2 試驗(yàn)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(zhǎng)度為70.7 mm的立方體模具中，放置在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)5～10 s，每組制備3個(gè)平行試樣。按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至待測(cè)齡期，使用微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)各試塊進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，其中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度使用qu表示。

1.3 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

在固化黃土試驗(yàn)前，先進(jìn)行固化劑配合比的優(yōu)化試驗(yàn)，其中各配比方案見(jiàn)表2，所有材料用量均為與黃土的質(zhì)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(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥摻量為10%時(shí)，赤泥∶CaO為3∶1和2∶1時(shí)，其固化黃土的qu均大于5%及15%水泥摻量；而當(dāng)赤泥∶CaO為3∶1時(shí)，qu達(dá)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(dá)39.2%和7.6%。

根據(jù)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(zhǔn)，赤泥摻量用cRM表示，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。由于赤泥吸水性較強(qiáng)，而CaO在反應(yīng)過(guò)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(bǔ)償，含水率為水占實(shí)驗(yàn)材料總量的百分比。

表2 固化劑配比方案及試塊28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 2 Proportioning schemes of curing agent and unconfined compressive strength for 28 d of test blocks

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Test scheme

2 結(jié)果與討論

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨改性赤泥摻量的變化

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨赤泥摻量的變化曲線(xiàn)Fig.1 Relationship between unconfined compressive strength and red mud content

圖1是無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨赤泥摻量的變化規(guī)律圖，由圖可以看出，隨著赤泥的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)赤泥摻量達(dá)到45%～60%時(shí)，強(qiáng)度變化趨于平緩，并在此區(qū)間達(dá)到最大值。

使用二次函數(shù)對(duì)qu-cRM進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，曲線(xiàn)可以較好的反應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律，擬合使用公式(1)：

(1)

式中,qu是無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；cRM是赤泥摻量，%；a、b、e分別為常數(shù)。

表4是無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨赤泥摻量變化的參數(shù)及最佳預(yù)測(cè)值，通過(guò)R2可以看出，在赤泥摻量為0%～60%時(shí)，函數(shù)可以較好的體現(xiàn)出強(qiáng)度變化。同樣使用各齡期對(duì)應(yīng)的a、b、e值，可以有效預(yù)測(cè)出試塊在該齡期的最大預(yù)測(cè)強(qiáng)度與相應(yīng)的赤泥摻量。當(dāng)齡期在7～28 d時(shí)，最大預(yù)測(cè)強(qiáng)度為4.2 MPa左右，但對(duì)應(yīng)的最適合赤泥摻量略有不同；當(dāng)齡期達(dá)到90 d時(shí)，最大預(yù)測(cè)強(qiáng)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(cè)試值基本相同。

表4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在各齡期下隨赤泥摻量變化的參數(shù)及最佳預(yù)測(cè)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(qiáng)度強(qiáng)化值，定義赤泥強(qiáng)化因子kRM：

kRM=qc=x/qc=0

(2)

式中，kRM是赤泥強(qiáng)化因子；qc=x是cRM=x時(shí)的強(qiáng)度，MPa；qc=0是水泥固化黃土的強(qiáng)度，MPa。

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

表5 赤泥強(qiáng)化因子kRMTable 5 Red mud strengthening factor kRM

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化Fig.2 Relationship between unconfined compressive strength and curing age

圖2是無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增加的規(guī)律圖，由圖可以看出，隨著齡期的增加，強(qiáng)度整體趨于增大的狀態(tài)，但在7 d和14 d兩個(gè)齡期，會(huì)出現(xiàn)略微降低的情況，這可能是由于赤泥固化劑在較早期時(shí)就可以發(fā)揮較大的性能，故在7～14 d可以忽略養(yǎng)護(hù)帶來(lái)的強(qiáng)化效果。

觀(guān)察圖2發(fā)現(xiàn)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出線(xiàn)性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因此使用線(xiàn)性函數(shù)(3)進(jìn)行擬合：

qu=a+bt

(3)

式中，qu是無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；t是齡期，d；a、b分別為常數(shù)。

表6是強(qiáng)度隨齡期增加的參數(shù)及R2，由R2可以看出，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期在7～90 d時(shí)，使用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性函數(shù)即可有效表征強(qiáng)度的變化，但也要考慮個(gè)別赤泥摻量時(shí)的變化狀態(tài)。分析a可以看出，隨著赤泥摻量的增加，截距逐漸增大，說(shuō)明強(qiáng)度在較早齡期時(shí)也會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)；分析b可以看出，當(dāng)使用水泥固化劑時(shí)，斜率為0.014，而使用改性赤泥作為固化劑時(shí)，斜率為0.02左右，表明在相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，改性赤泥固化劑對(duì)強(qiáng)度的增長(zhǎng)率比水泥要更好。

表6 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在不同赤泥摻量下隨齡期增加的參數(shù)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(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化黃土強(qiáng)度的強(qiáng)化值，定義齡期強(qiáng)化因子kt：

kt=qt=x/qt=7

(4)

式中，kt是齡期強(qiáng)化因子；qt=x是t=xd時(shí)的qu，MPa；qt=7是t=7 d時(shí)的qu，MPa。

表7是相同赤泥摻量時(shí)養(yǎng)護(hù)齡期14～90 d與7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值，當(dāng)使用水泥作為固化劑時(shí)，kt明顯大于改性赤泥固化劑，這是由于水泥在7 d時(shí)的強(qiáng)度較低，使得后期養(yǎng)護(hù)效果更為明顯，90 d齡期時(shí)可達(dá)2.7倍以上。當(dāng)使用改性赤泥作為固化劑時(shí)，14 d與28 d在1左右，說(shuō)明7 d齡期的固化黃土強(qiáng)度可以達(dá)到28 d齡期時(shí)效果；當(dāng)養(yǎng)護(hù)超過(guò)90 d時(shí)，強(qiáng)度相對(duì)7 d齡期可以達(dá)到1.5倍的提升。

表7 齡期強(qiáng)化因子ktTable 7 Curing period strengthening factor kt

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化的機(jī)理分析

由上述分析可知，隨著改性赤泥的增加，試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(shí)還有赤泥和CaO。CaO遇水反應(yīng)生成Ca2+和OH-，在原料拌和時(shí)，所加的水量不足以使CaO全部反應(yīng)，因此固化黃土中的CaO處于過(guò)量狀態(tài)，圖3為固化黃土經(jīng)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后的壓裂面照片，其中白色部分為未反應(yīng)的CaO。過(guò)量的CaO在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，可以持續(xù)反應(yīng)釋放出Ca2+和OH-，Ca2+與黃土中的Na+、K+發(fā)生置換反應(yīng)，改善固化黃土的骨架結(jié)構(gòu)，使土顆粒間的強(qiáng)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(yīng)，生成了強(qiáng)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(fā)揮高強(qiáng)度的作用[11-12]。試塊在持續(xù)的養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，空氣中的水分進(jìn)入試塊內(nèi)部，促使水泥不斷的進(jìn)行水化反應(yīng)，同時(shí)赤泥在CaO的激發(fā)作用下，不斷的反應(yīng)生成活性陰離子，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的不斷增加，試塊強(qiáng)度也不斷增大。

圖3 改性赤泥固化黃土抗壓試驗(yàn)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(qiáng)度也逐漸增大，但最大值出現(xiàn)的范圍是改性赤泥摻量為45%～60%區(qū)間。這是由于改性赤泥的增加，意味著CaO與赤泥同時(shí)增多，但CaO在固定含水量下反應(yīng)量是不變的，即孔隙水系統(tǒng)中的Ca2+和OH-在CaO過(guò)量時(shí)會(huì)處于飽和狀態(tài)，故增大范圍有限。圖4是改性赤泥固化黃土SEM圖，分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)赤泥逐漸增多時(shí)，在OH-的激發(fā)下，水解出的活性陰離子也會(huì)達(dá)到一定限度，因此改性赤泥在固定范圍內(nèi)對(duì)固化黃土強(qiáng)度提升效果可以達(dá)到最大。

3 結(jié) 論

(1)隨著赤泥的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)赤泥摻量達(dá)到45%～60%時(shí)，強(qiáng)度變化趨于平緩，并在此區(qū)間達(dá)到最大值。使用二次函數(shù)可以較好的擬合出滿(mǎn)足強(qiáng)度隨赤泥摻量變化的規(guī)律，并可使用二次函數(shù)預(yù)測(cè)最優(yōu)赤泥摻量。

(2)隨著齡期的增加，改性赤泥固化黃土強(qiáng)度在7～28 d時(shí)變化不大；在7～90 d范圍內(nèi)，強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)可以使用線(xiàn)性函數(shù)得到較好的表征。

(3)定義了赤泥強(qiáng)化因子和齡期強(qiáng)化因子，并具體分析出赤泥的摻入與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)試塊強(qiáng)度增加的倍數(shù)：在28～90 d齡期時(shí)，赤泥摻量為15%時(shí)，強(qiáng)度提高2倍以上；當(dāng)赤泥摻量為30%～60%時(shí)，強(qiáng)度可提高2.5～4倍之間。