武斌,譚卓英,寧迎福

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.遼寧省交通高等專科學(xué)校 建筑工程系，遼寧 沈陽 110122；3.遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110005)

0 引 言

赤泥(red mud)是氧化鋁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，堿含量較高，會對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重污染。我國是鋁工業(yè)生產(chǎn)大國，每年有大量的赤泥排放，使赤泥處理利用問題日益突出[1]。由于赤泥膠結(jié)性能較好[2-3]，因此，處理赤泥的主要領(lǐng)域是建材行業(yè)，多在混凝土中添加。國內(nèi)外學(xué)者對赤泥在混凝土中的應(yīng)用進行了一些研究。LIU R X等[4]利用赤泥作為火山灰材料替代粉煤灰制作自密實混凝土，并進行抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量試驗，其強度指標(biāo)得到了不同程度的提高，此外，由于赤泥的內(nèi)部固化作用，使得混凝土的干縮減小，證明赤泥在自密實混凝土中應(yīng)用是可行的；M.P.Rudraswamy等[5]利用赤泥直接替換水泥制作赤泥混凝土并進行了強度試驗，發(fā)現(xiàn)赤泥替代率為10%時力學(xué)性能最好；D.Linora Metilda等[6]進行了赤泥混凝土的抗壓和劈裂抗拉試驗，結(jié)果表明，當(dāng)赤泥替換15%的水泥時，抗壓強度和劈裂抗拉強度超過普通混凝土，當(dāng)赤泥替換率增加到20%～30%時，抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢；P.Deshmukh[7]利用赤泥制作混凝土外加劑改善混凝土的力學(xué)性能，赤泥的添加量分別為1%，2%,3%，當(dāng)添加2%的赤泥時，力學(xué)性能改善最為可觀;梁乃興等[8-9]通過室內(nèi)試驗，用赤泥替代25%的水泥制成赤泥混凝土，其抗折強度與普通混凝土相當(dāng)，而抗壓強度提高不明顯;顏祖興[10]配制出了適合公路使用的赤泥混凝土，即替換水泥用量為33%，此時滲透性和抗凍性稍有降低。由于赤泥具有一定的放射性[11]，為了推進赤泥在建筑材料方面的應(yīng)用，廣大學(xué)者對其進行了相關(guān)研究。其中，黃迎超等[12]提出為降低赤泥的放射性，采用浮選、重選、電磁分離、靜電分離的手段將放射性元素從赤泥中分離；田崇霏等[13-14]對赤泥在水泥水化過程中的放射性進行了研究，得出當(dāng)赤泥添加量15%時最優(yōu)，此時，232Th,226Ra,40K放射性比活度均出現(xiàn)明顯下降，隨著赤泥摻量提高，其放射性比活度提高，但隨著時間推移放射性比活度保持不變。

赤泥混凝土的研究具有重要意義，但目前文獻尚未報道赤泥摻加到混凝土中的經(jīng)濟性結(jié)論，基于此，本文進行了45個摻加赤泥的混凝土試件抗壓試驗，且對放射性進行了試驗研究，并結(jié)合工程案例對其經(jīng)濟性進行了分析。

1 試 驗

1.1 試驗材料

水泥采用亞泰牌42.5強度等級普通硅酸鹽水泥，基本性能參數(shù)數(shù)值見表1。砂為天然普通河砂，基本性能參數(shù)數(shù)值見表2。粗骨料為天然連續(xù)級配的碎石，最大粒徑20 mm，見表3。赤泥為山東魏橋北海氧化鋁廠拜耳法生產(chǎn)氧化鋁廢棄赤泥，基本化學(xué)成分見表4。赤泥0.045 mm篩的過篩率為76%，粒徑分布見表5。拌和水為實驗室自來水。

表1 水泥的基本性能參數(shù)數(shù)值

表2 細(xì)骨料的基本性能參數(shù)數(shù)值

表3 粗骨料的基本性能參數(shù)數(shù)值

表4 赤泥化學(xué)成分

表5 赤泥的粒徑分布

1.2 赤泥混凝土制備

用赤泥等質(zhì)量替代混凝土中的水泥配制混凝土，共設(shè)置了5種赤泥質(zhì)量替代率，即r=0,5%,10%,15%,20%；r=0時，為普通混凝土，作為基準(zhǔn)混凝土。按文獻[15]進行普通混凝土配合比設(shè)計，先確定各種材料用量，然后按5種赤泥質(zhì)量替代率對水泥進行替代。制備過程中，首先依次將稱重后的粗骨料、水泥、赤泥和細(xì)骨料倒入實驗室臥式強制攪拌機中攪拌2 min，使各材料混合均勻，然后加入水和塑化劑再攪拌2 min，制備出45個混凝土試件(150 mm×150 mm×150 mm)，配合比見表6，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護3，28，90 d再進行后續(xù)試驗。

表6 混凝土的配合比

1.3 試驗方法

所有試件的抗壓試驗均在200 t微機控制壓力試驗機上進行，部分試件見圖1，試驗裝置見圖2。赤泥混凝土的輻射測試?yán)盟拇ㄐ孪冗_測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CIT-3000F型低本底多道γ能譜儀進行，分別進行3,28,90 d齡期的抗壓強度及226Ra，232Th，40K放射性比活度的測定。

圖1 制作完的部分試件

圖2 試驗裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 赤泥摻量對抗壓強度影響

2.1.1 不同替代率對混凝土抗壓強度影響

不同赤泥替代率與混凝土立方體抗壓強度關(guān)系如圖3所示。隨著赤泥替代率增加，3,28,90 d齡期下的混凝土立方體抗壓強度先增加后降低；r=5%時，抗壓強度最大，分別為20.66,41.83,47.12 MPa，與普通混凝土相比，強度分別提高了9.54%,46.93%,31.51%；r=20%時，抗壓強度最小，分別為18.48,28.32,30.90 MPa，與普通混凝土相比，強度分別降低了2.05%,0.50%,13.77%。因此，當(dāng)赤泥替代率低于20%時，摻加赤泥的混凝土抗壓強度均高于普通混凝土；r=20%時，摻加赤泥的混凝土與普通混凝土的抗壓強度基本相當(dāng)，說明赤泥替代水泥的作用較明顯。

圖3 抗壓強度與赤泥替代率的關(guān)系

不同水化齡期下，不同赤泥替代率的混凝土立方體抗壓強度如圖4所示。隨著水化齡期延長，不同赤泥替代率的混凝土立方體抗壓強度增加，赤泥替代率為0,5%,10%,15%,20%時，水化齡期3～28 d的抗壓強度分別提高了50.91%,102.43%,94.80%,83.41%,53.29%；水化齡期28～90 d的抗壓強度分別提高了25.86%,12.64%,1.61%,3.85%,9.08%。因此，水化齡期3～28 d時，抗壓強度提高率隨赤泥替代率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；r=5%時，抗壓強度提高率最大；r=20%時，抗壓強度提高率與普通混凝土基本相當(dāng)，說明赤泥替代水泥的作用較明顯。水化齡期28～90 d時，摻加赤泥的混凝土抗壓強度提高率總體上比普通混凝土的減少，且趨勢不明顯。

圖4 抗壓強度與水化齡期的關(guān)系

2.1.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖5是掃描電鏡觀察到的微觀結(jié)構(gòu)。

赤泥能夠改善混凝土的抗壓強度，主要有兩方面原因：一是赤泥起到物理填充作用，由圖5(a)和(b)可知，普通混凝土孔隙較多，摻赤泥后混凝土孔隙較小，說明摻加赤泥能夠提高混凝土的密實度，減小混凝土孔隙率；二是由于赤泥的火山灰特性，由圖5(c)和(f)可知，r=0時，電鏡圖像呈現(xiàn)出較大尺寸的板狀C—H晶體，可以看到針狀的C—S—H凝膠；r=5%時，電鏡圖像中較大尺寸的板狀C—H晶體減少，針狀的C—S—H凝膠交錯分布。混凝土中的水泥在水化過程中生成Ca(OH)2，與赤泥中的大量活性SiO2，F(xiàn)e2O3，Al2O3進行二次水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，反應(yīng)過程中消耗了生成的Ca(OH)2，同時促進水化進一步反應(yīng)，改善界面的結(jié)構(gòu)形態(tài)，從而提高混凝土的抗壓強度。

圖5 摻赤泥混凝土掃描電鏡圖像

2.2 赤泥摻量對混凝土放射性影響

不同赤泥替代率下的混凝土放射性檢測結(jié)果如圖6所示。r為0～20%時，3,28,90 d齡期下赤泥混凝土內(nèi)外照射指數(shù)和總比活度均有所增加:3 d時增加幅度分別為188.5%,156.1%,142.5%；28 d時增加幅度分別為197.3%,163%,152.2%；90 d時增加幅度分別為200.2%,165.5%,154.8%。這是因為隨著混凝土中赤泥越多，赤泥混凝土中的226Ra，232Th,40K含量越高，材料放射性就越強。不同水化齡期下，不同赤泥替代率的混凝土放射性檢測結(jié)果如圖7所示。隨著水化齡期延長，內(nèi)外照射指數(shù)和總比活度均有所增加，但增長幅度不大。說明不同赤泥替代率下，水化齡期對混凝土放射性影響不大。

圖6 赤泥替代率對混凝土的放射性影響

圖7 水化齡期對混凝土的放射性影響

赤泥具有一定天然放射性，放射性主要來源于226Ra，232Th,40K發(fā)生核衰變時釋放的α,β,γ射線。摻赤泥的混凝土在水化過程中，一方面，隨著水化進行，不斷釋放放射性核素離子，引起放射性對比活度的提高；另一方面，隨著水化進行，產(chǎn)生的C—S—H凝膠對放射性核素有一定的吸附和包裹作用，將釋放的放射性核素離子包封于固化體中，使得放射性對比活度降低。本文的赤泥替代率范圍內(nèi)各放射性指標(biāo)滿足文獻[16]要求。

3 赤泥替代率對混凝土經(jīng)濟性影響

3.1 工程概況

以沈陽市燃?xì)饪偣景丝脴鋬ε湔巨k公樓工程為例，分析赤泥替代混凝土的經(jīng)濟性。此工程為4層框架結(jié)構(gòu)，檐口標(biāo)高16.7 m，抗震設(shè)防烈度7度，地震加速度0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，基本風(fēng)壓0.55 kN/m2，基本雪壓0.50 kN/m2，工程立面圖見圖8。

圖8 工程平、立面圖

3.2 經(jīng)濟分析

采用中國建筑科學(xué)研究院的PKPM V2.2軟件對0,5%,10%,15%,20% 5種赤泥替代率混凝土強度進行計算，并利用PKPM中的STAT-S模塊進行工程量統(tǒng)計，具體工程量見表7。

由表7可知，隨著赤泥替代率提高，鋼筋用量相應(yīng)降低，但幅度不大，主要是因為實際工程中梁、柱截面較大，配筋多由最小配筋率控制，如果適當(dāng)調(diào)節(jié)截面尺寸，達到最優(yōu)截面將會進一步節(jié)約鋼筋；r=0，20%時，鋼筋用量基本相當(dāng)，這是因為r=20%時抗壓強度與普通混凝土相當(dāng)。根據(jù)表7中水泥用量，r=20%時，水泥用量減少20%，經(jīng)濟效果較好。

表7 工程量統(tǒng)計

赤泥主要在堆場堆放，維護費用昂貴，大約是氧化鋁價格的2%左右。目前，氧化鋁價格為2 800元/t，每生產(chǎn)1 t氧化鋁大概產(chǎn)生2 t赤泥，生產(chǎn)1 t氧化鋁產(chǎn)生的赤泥維護費用為56元。水泥價格為420元/t，根據(jù)表6～7，利用生產(chǎn)1 t氧化鋁產(chǎn)生的赤泥替代20%的水泥可以制備27 m3混凝土，將節(jié)省水泥費用840元。因此，如果摻赤泥混凝土進行工程應(yīng)用，每消耗1 t赤泥所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益將達到448元，若考慮到消耗堆放的赤泥環(huán)境效益和社會效益及水泥生產(chǎn)過程中的能源消耗，赤泥在混凝土中應(yīng)用的價值將會更大。

4 結(jié) 論

(1)水化齡期越長，相同赤泥替代率下的混凝土的抗壓強度提高越明顯；r=20%時，各水化齡期下的混凝土與普通混凝土抗壓強度基本相當(dāng)。

(2)隨著赤泥替代率增加，混凝土立方體抗壓強度先增加后降低，r=5%時，抗壓強度最大，r=20%時，抗壓強度最小。

(3)混凝土中赤泥越多，226Ra,232Th,40K含量就越高，材料放射性就越大。隨著水化齡期延長，內(nèi)外照射指數(shù)和總比活度均有所增加，但增加幅度不大，總體上水化齡期對赤泥混凝土放射性影響不大。摻赤泥的混凝土內(nèi)外照射指數(shù)均滿足文獻[16]要求。

(4)摻赤泥的混凝土具有較好的經(jīng)濟效益，應(yīng)用前景良好。