師 杰

（1.開封大學 土木建筑工程學院，河南 開封 475004；2.開封市建筑固體廢棄物再生利用技術重點實驗室，河南 開封 475004）

0 引言

赤泥［1］是制鋁工業(yè)的產(chǎn)物，是提取氧化鋁時排出的廢渣.一般來說，生產(chǎn)1噸氧化鋁，附帶產(chǎn)生1～2噸赤泥.赤泥成分復雜，浸出液的 pH 值［2］高達 12.1～13.0.若得不到及時有效的利用，就只能依靠在大面積的堆場［3，4］堆放.堆放的赤泥占用土地，污染水系，干燥后隨風飄散，又污染大氣.赤泥的無害化利用成為煉鋁工業(yè)的目標，如何實施是一個急需解決的難題.

目前，對赤泥的無害化利用主要有以下幾種方法：制備水泥、提煉有價金屬和吸附污染物等.制備水泥［5，6］是指將一定量的赤泥摻入水泥中，但赤泥中堿含量較高，需要先對其進行消鈉處理.提煉有價金屬［7－9］是指提取赤泥中的鋁、鐵和稀土等元素，但是這種方法帶來了高成本和廢渣再處理的問題.吸附污染物［10－12］是指利用赤泥的高堿性特性和較大的比表面積吸附酸性氣體，但這種吸附對赤泥的消耗量較小.可以說，以上幾種方式均沒有完全實現(xiàn)赤泥的無害化利用目標，沒有徹底解決問題.

堿激發(fā)膠凝材料［13－17］是一種以堿性激發(fā)劑激發(fā)硅鋁質(zhì)原材料活性的膠凝材料，具有快硬早強和環(huán)保的特點.赤泥是冶鋁廢渣，含有大量硅鋁氧化物和結(jié)合堿，是制備堿激發(fā)膠凝材料的理想原料.但赤泥顆粒的粒徑大多小于100nm，同時含有較多孔隙，具有較強的吸水性，故制備堿激發(fā)膠凝材料時，無法獲得較高的力學性能.

本文利用赤泥的高堿性和高吸水性，在堿激發(fā)下制備高水膠凝材料，通過摻加礦粉，對其力學性能進行改進.并且研究了堿性激發(fā)劑（水玻璃、熟石灰）和礦粉用量以及不同水灰比對其力學性能和干密度的影響.根據(jù)研究結(jié)果，提出了赤泥基高水膠凝材料的強度預測模型，為赤泥基高水膠凝材料的實際應用提供了一定的理論基礎.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 赤泥

本試驗所使用的赤泥為洛陽龍門煤業(yè)有限公司提供的燒結(jié)法赤泥.使用時，將赤泥塊體破碎烘干并磨成微粉，所得微粉，95%以上的顆粒粒徑小于 20μm，密度為 2.58g／cm3，比表面積為 4200cm2／g，標準稠度需水量為80%.其化學組成見表1.

1.1.2 礦粉

本試驗所使用的礦渣為河南平原水泥廠提供的磨細?；郀t礦渣爐粉（以下簡稱礦粉）.所得礦粉，90%以上的顆粒粒徑小于20μm，密度為2.85g／cm3，比表面積為4400cm2／g，標準稠度需水量為28%.其化學組成見表1.

表1 原材料的化學成分w／%

1.1.3 堿性激發(fā)劑

本試驗所用堿性激發(fā)劑為熟石灰粉和水玻璃.所用熟石灰粉的密度為2.45g／cm3，比表面積為3200cm2／g.本試驗所用水玻璃的模數(shù)為2.7，波美度37°，含水率60%，使用時，用氫氧化鈉將模數(shù)調(diào)配成1.0.本試驗所用氫氧化鈉為東莞市匯欣工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的片狀氫氧化鈉.

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗配合比

用赤泥和礦粉的粉料混合物在堿激發(fā)下制備赤泥基高水膠凝材料.分別對水玻璃、熟石灰和礦粉的最佳摻量以及赤泥基膠凝材料的最佳水灰比進行研究.具體配合比見表2.其中，編號N01—N05的任務為探究激發(fā)劑水玻璃的摻量對膠凝材料力學性能的影響的規(guī)律，編號N06—N10的任務為探究激發(fā)劑熟石灰的摻量對膠凝材料力學性能的影響的規(guī)律，編號N11—N16的任務為探究礦粉的摻量對膠凝材料力學性能的影響的規(guī)律，編號N17—N22的任務為探究水灰比的大小對膠凝材料力學性能的影響的規(guī)律.

表2 用于赤泥基高水膠凝材料力學性能研究的相關材料試驗配合比

1.2.2 試件制備與養(yǎng)護

試件由固態(tài)組份和液態(tài)組份混合制備.其中，固態(tài)組份由赤泥、礦粉和熟石灰組成，液態(tài)組份由NaOH、水玻璃和水組成.

（1）料漿的制備

按表2中的配合比稱量原材料.將赤泥、礦渣與熟石灰混合均勻，作為固態(tài)組份；將NaOH溶于水玻璃，與水混合均勻，作為液態(tài)組份.將固態(tài)、液態(tài)兩組份放在攪拌機中混合攪拌，至料漿中沒有粉末顆粒時停止.最后，將制備好的漿體均勻倒入40mm×40mm×160mm的三聯(lián)立方體模具內(nèi)，振搗至模具內(nèi)的漿體充滿密實.

（2）試件的養(yǎng)護

在試模上覆蓋一層塑料薄膜并加蓋一層濕布（用來保濕），將其放入養(yǎng)護室（20±2℃，相對濕度大于90%）進行養(yǎng)護，24h后取出脫模.再將試件用塑料薄膜包裹，然后放置在養(yǎng)護室中養(yǎng)護至試驗所需齡期.

（3）試驗內(nèi)容

測試試件7d、28d、60d齡期的抗壓強度和28d齡期的干表觀密度.

2 結(jié)果與討論

2.1 水玻璃對赤泥基高水膠凝材料力學性能的影響

從圖1中可以看出水玻璃對赤泥基高水膠凝材料力學性能的影響.試件7d齡期的抗壓強度隨著水玻璃摻量的增加而增加.當水玻璃摻量低于10%時，抗壓強度增長較快；當水玻璃摻量高于10%時，抗壓強度增長較慢.試件28d、60d齡期的抗壓強度增長趨勢和增長規(guī)律與7d齡期的相似.

由圖1中試件28d齡期的干密度變化曲線可知：當水玻璃摻量低于10%時，干密度增長較快；當水玻璃摻量高于10%時，干密度增長放緩.由此可知，赤泥基試件的干密度與抗壓強度具有相似的變化趨勢，即增加水玻璃摻量可使赤泥基試件的密實度不斷增加.

圖1 水玻璃對赤泥基高水膠凝材料的影響

2.2 熟石灰對赤泥基高水膠凝材料力學性能的影響

從圖2中可以看出熟石灰對赤泥基高水膠凝材料力學性能的影響.當熟石灰摻量低于10%時，試件7d齡期的抗壓強度逐漸增加；當熟石灰摻量高于10%時，試件7d齡期的抗壓強度逐漸降低.試件28d、60d齡期的抗壓強度變化趨勢與7d齡期的變化趨勢相似.

圖2 熟石灰對赤泥基高水膠凝材料的影響

由圖2中試件28d齡期的干密度變化曲線可知，當熟石灰摻量從3%增加到15%時，干密度從720kg／m3降低到710kg／m3，呈緩慢下降趨勢.可見熟石灰對赤泥基試件的干密度并無顯著影響.

2.3 礦粉對赤泥基高水膠凝材料力學性能的影響

從圖3中可以看出礦粉對赤泥基高水膠凝材料力學性能的影響.當?shù)V粉摻量低于60%時，試件7d齡期的抗壓強度逐漸增加；當?shù)V粉摻量高于60%時，試件7d齡期的抗壓強度逐漸降低.當?shù)V粉摻量低于50%時，試件28d、60d齡期的抗壓強度逐漸增加；當?shù)V粉摻量高于60%時，試件28d、60d齡期的抗壓強度逐漸降低.可見礦粉對赤泥基試件的抗壓強度有顯著影響.

由圖3中試件28d齡期的干密度變化曲線可知，當?shù)V粉摻量從20%增加到70%時，干密度從710kg／m3增加到720kg／m3，呈緩慢增長趨勢.可見礦粉對赤泥基試件的干密度無顯著影響.

圖3 礦粉對赤泥基高水膠凝材料的影響

2.4 水灰比對赤泥基高水膠凝材料力學性能的影響

從圖4中可以看出水灰比對赤泥基高水膠凝材料力學性能的影響.試件7d齡期的抗壓強度隨著水灰比的增加，呈線性降低趨勢.試件28d、60d齡期的抗壓強度增長趨勢與7d齡期的增長趨勢相似.當水灰比不大于1.2時，7d齡期以上試件的抗壓強度大于4Mpa.

圖4 水灰比對赤泥基高水膠凝材料的影響

由圖4中試件28d齡期的干密度變化曲線可知，當水灰比從0.8增加到1.3時，赤泥基試件的干密度從920kg／m3降低到680kg／m3，呈直線下降趨勢.可見水灰比對赤泥基試件的干密度有著顯著影響.

3 結(jié)論

1）赤泥基高水膠凝材料的水化需要經(jīng)過溶解、水解、縮聚和固化四個步驟，最終生成物為具有網(wǎng)狀類沸石結(jié)構(gòu)的聚合物.

2）增加水玻璃摻量可同時增加赤泥基高水膠凝材料的抗壓強度和干密度；增加熟石灰摻量對干密度無明顯影響，但對抗壓強度的增長有抑制作用；增加礦粉摻量對干密度無明顯影響，但對抗壓強度的增長有促進作用.