王建偉

（天津市建筑科學(xué)研究院有限公司，天津 300393）

赤泥是制鋁工業(yè)制備氧化鋁時排出的污染性廢渣，平均每生產(chǎn)1 t 氧化鋁，就會附帶產(chǎn)生1～1.5 t 赤泥。我國作為氧化鋁生產(chǎn)大國，每年排放的赤泥量高達數(shù)百萬噸[1]。赤泥中含有大量有價值的成分，長期堆存是一種浪費，因此綜合利用赤泥具有實際意義。國內(nèi)外有許多學(xué)者開展赤泥資源化研究，包括制備水泥、生產(chǎn)陶瓷、塑料填料等[2]；但大部分技術(shù)吃渣量小、生產(chǎn)成本高，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用[3]。

赤泥應(yīng)用在道路基層材料中吃渣量較大、成本低、性能高，具有廣闊的市場前景。楊家寬等[4]在實際工程中推薦配合比為陳赤泥∶粉煤灰∶石灰=75∶15∶10固化赤泥，其強度可以達到高速公路和一級公路的標(biāo)準要求；孫杰等[5]對二灰穩(wěn)定赤泥的強度特性進行室內(nèi)研究，探討二灰比、二灰總量及赤泥種類3 個因素對無側(cè)限抗壓強度的影響規(guī)律，得到最優(yōu)配比為石灰∶粉煤灰∶山鋁赤泥=30∶20∶50。秦祿盛等[6]通過不同齡期、不同配比下水泥粉煤灰固化赤泥，研究了固化體的強度隨著組合摻量和齡期的變化規(guī)律。本文研究以水泥-赤泥-粉煤灰組成的穩(wěn)定土固化劑的配比、性能及其對工程渣土的固化效果和作用機理。

1 材料與方法

1.1 原材料

1）赤泥。由河南省鄭州市鋁業(yè)有限公司拜耳法制鋁所得，因為放置過程中失水而結(jié)塊，使用前進行烘干和球磨處理，過0.15 mm孔篩，去除篩余備用。赤泥的活性指數(shù)為65.8%，pH 值為11.8。赤泥的化學(xué)成分和化學(xué)組成見表1和圖1。

圖1 赤泥的礦物組成

表1 赤泥的化學(xué)成分%

續(xù)表1%

2）粉煤灰。由華能煤氣化發(fā)電有限公司電廠燃煤產(chǎn)生的固體廢棄物，0.075 mm 篩余為2.2%，使用前進行烘干處理。粉煤灰的活性指數(shù)為91.8，其主要成分及性能指標(biāo)均符合GB/T-1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的規(guī)定，見表2。

表2 粉煤灰的化學(xué)成分%

3）水泥。天津冀東水泥有限公司生產(chǎn)的42.5 級普通硅酸鹽水泥。

4）渣土。取自某大學(xué)實驗樓擴建所產(chǎn)生的建筑渣土，通過9.75 mm篩去除篩余后，使用顎式破碎機破碎和球磨機球磨，過0.15 mm的篩子去除篩余，烘干備用。渣土的塑性指數(shù)為9.67，屬于粉質(zhì)土，通過擊實試驗測得最佳含水率13.21%，渣土的化學(xué)成分和礦物組成見表3和圖2。

表3 渣土的化學(xué)成分%

圖2 渣土的礦物組成

1.2 試驗方法

通過砂漿抗壓強度試驗論證赤泥-粉煤灰高摻量取代水泥的可行性，不同赤泥和粉煤灰比例對水泥取代后，利用XRD 和SEM 對試驗設(shè)計固化劑水化產(chǎn)物進行分析。依據(jù)JTG 51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》，同時參照JTJ 034—2018《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，外摻10%的固化劑固化渣土，通過7 d 無側(cè)限抗壓強度對固化土的力學(xué)性能進行檢測。

1.2.1 砂漿試塊力學(xué)性能試驗

參考GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》相關(guān)要求，膠砂比1∶3、水膠比0.5制備水泥-赤泥-粉煤灰固化劑砂漿試塊，試塊尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，每組3 塊。試塊脫模后放在水中進行養(yǎng)護，到規(guī)定齡期后進行抗壓強度、抗折強度試驗。

1.2.2 固化土7 d無側(cè)限抗壓強度試驗

參考JTG 51—2009 相關(guān)要求，用摻量為10%的固化劑制備渣土穩(wěn)定土試塊，尺寸為50 mm×?50 mm，每組6 塊，凈質(zhì)量205 g±3 g。標(biāo)準養(yǎng)護6 d 后，浸水1 d，測試前0.5 h取出浸水試塊擦干表面水跡。

1.2.3 固化劑水化產(chǎn)物分析

固化劑在0.5 水膠比下攪拌成型，制成30 mm×30 mm×50 mm 試塊，1 d 后脫模放置在恒溫、恒濕養(yǎng)護箱養(yǎng)護，制粉。使用UltimaIv 型X 線衍射儀對固化劑不同水化齡期的水化產(chǎn)物進行X射線衍射分析。

1.2.4 固化土微觀分析

固化土試塊抗壓破壞后，取試塊中心試樣進行72 h 無水乙醇終止水化，使用JSM-7800F 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對試樣進行微觀分析。

1.3 試驗配比

試驗中A0為對照組，設(shè)計A、B 兩個試驗組，A1～A6組水泥含量為30%，B1～B7組水泥含量為20%。見表4。

表4 試驗配比%

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 砂漿試塊力學(xué)性能

試驗發(fā)現(xiàn)，赤泥的需水量比水泥、粉煤灰更多。隨著赤泥摻量的不斷增加，新拌砂漿的流動性逐漸降低，當(dāng)摻量達到60%時，僅通過振動難以一次成型，通過摻加膠凝材料質(zhì)量0.5%的聚羧酸系減水劑重新制作新拌砂漿進行振動成型，試塊表面與內(nèi)部沒有明顯氣孔存在。當(dāng)試塊中赤泥含量超過膠凝材料質(zhì)量50%時，養(yǎng)護28 d后，試塊表面有堿白析出。

試驗對照組A0的水泥膠砂試塊3 d 抗壓強度29.2 MPa、抗折強度5.4 MPa，28 d 抗壓強度46.8 MPa、抗壓強度7.7 MPa。試驗設(shè)計配比固化劑砂漿3、28 d 的力學(xué)性能見表5。

表5 赤泥-粉煤灰固化劑砂漿試塊力學(xué)性能試驗結(jié)果 MPa

由表5 可以得到：試驗設(shè)計配比膠砂試塊的3 d抗壓強度在赤泥含量為30%時，出現(xiàn)峰值，A3組抗壓強度略低于對照組；當(dāng)赤泥含量超過40%時，抗壓強度開始出現(xiàn)近似線性下降；赤泥含量為60%時，抗壓強度僅17.8 MPa，遠低于對照組抗壓性能；赤泥含量在30%～50%的設(shè)計配比抗折強度趨于平穩(wěn)，A 組試塊抗折強度都超過4.5 MPa，B 組試塊抗折強度超過4 MPa，與對照組相比抗折強度下降明顯；試驗設(shè)計配比膠砂試塊的28 d抗壓強度、抗折強度都隨著赤泥含量的增加而不斷下降，與對照組相比抗壓強度降低明顯，表明水泥對力學(xué)性能的影響減弱，已經(jīng)不起主導(dǎo)作用且水泥含量一定時，由于試驗原料中赤泥的活性遠低于粉煤灰的活性，被激發(fā)活性的粉煤灰已經(jīng)對試塊力學(xué)性能起到主導(dǎo)作用。

2.2 7 d無側(cè)限抗壓強度

外摻10%固化劑的固化土中，對照組A0的7 d 無側(cè)限抗壓強度為8.1 MPa。在試驗設(shè)計配比固化土中，固化劑的摻量較低時難以在試塊中形成膠凝網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)固化劑摻量達到10%時，出現(xiàn)無側(cè)限抗壓強度最佳值。見圖3。

圖3 固化劑摻量10%的固化渣土7 d 無側(cè)限抗壓強度

由圖3可見：外摻量為10%的試驗組力學(xué)性能呈先升高后降低的趨勢，與砂漿試塊力學(xué)性能試驗早齡期抗壓強度曲線相似，其中A3組的7 d無側(cè)向限抗壓強度達到8.2 MPa，略高于對照組A0的7 d無側(cè)限抗壓強度且固化劑中赤泥含量不超過50%時，固化土7 d無側(cè)向限抗壓強度均≥5 MPa，均符合JTJ 034—2018中水泥穩(wěn)定土的抗壓強度標(biāo)準，可以用于高速公路或一級公路；當(dāng)固化劑中赤泥含量不超過60%時，固化土7 d無側(cè)向限抗壓強度≥2.5 MPa，符合JTJ 034—2018 中水泥穩(wěn)定土的抗壓強度標(biāo)準，可以用于二級公路。

2.3 X射線衍射分析（XRD）

試塊恒溫、恒濕養(yǎng)護3、7、14、28、60 d 后，去除表面材料，進行XRD 分析。水泥摻量一定、粉煤灰摻量較大時，在固化劑水化前期，粉煤灰的火山灰效應(yīng)尚未顯現(xiàn)，粉煤灰的存在相當(dāng)于稀釋了水泥，固化劑水化反應(yīng)主要是水泥水化產(chǎn)生的水化硅酸鈣；隨著赤泥成分的不斷增加，試塊中活性SiO2、Al2O3增多，同時赤泥的堿屬性在固化劑中起到堿激發(fā)劑的作用，促進粉煤灰中活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成大量類水泥水化產(chǎn)物，試塊中的Ca（OH）2、活性SiO2和Al3+轉(zhuǎn)化成各種鈣鋁酸鹽化合物和鈣鋁硅酸鹽化合物，C-S-H 與鈣鋁酸鹽化合物反應(yīng)生成鈣鋁硅酸鹽化合物[8]；赤泥在固化劑中的含量升高，Al3+、OH-增多，水化硅鋁酸鈣（C-AS-H）的峰也隨著升高。見圖4。

圖4 A組固化劑7 d XRD檢測結(jié)果

水化時間增加，粉煤灰摻量較大的試塊中C-S-H凝膠的峰出現(xiàn)；當(dāng)赤泥含量逐漸增大，C-S-H 凝膠的峰逐漸消失，出現(xiàn)明顯的水化硅鋁酸鈣的峰，進一步證明試塊中C-S-H、活性SiO2和Al3+轉(zhuǎn)化成水化硅鋁酸鈣。見圖5。

圖5 A組固化劑28 d XRD檢測結(jié)果

固化劑早期強度主要通過水泥水化產(chǎn)生的C-SH 凝膠和赤泥中大量活性SiO2、Al2O3與水泥水化產(chǎn)物中C-S-H 產(chǎn)生的水化硅鋁酸鈣共同作用。隨著養(yǎng)護齡期增長，粉煤灰水化的同時其熟料顆粒表面為固化劑水化反應(yīng)產(chǎn)物提供沉淀場所，從而促進固化劑的水化作用；同時Ca（OH）2與空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)，生成大量的CaCO3。見圖6。

圖6 固化劑A3不同齡期XRD分析結(jié)果

2.4 微觀形貌

試塊養(yǎng)護7 d 后在掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察微觀形貌。渣土在沒有固化劑固化的情況下，呈松散狀且無固化劑試塊壓制成型并浸水后失去原本形狀，無法為結(jié)構(gòu)提供強度；有固化劑的試塊水泥通過水化已經(jīng)形成C-S-H 凝膠，為試塊提供膠凝網(wǎng)絡(luò)，將松散狀渣土固化成一個整體，見圖7。

圖7 不同配比固化劑固化土掃描電鏡

圖8 是摻加10%A3組固化劑固化土，通過固化劑固化已經(jīng)形成一個整體，可以觀察到大量凝膠狀物質(zhì)，由XRD 測試結(jié)果可知該凝膠為水化硅鋁酸鹽凝膠，粉煤灰的摻入填補了水泥與赤泥固化后穩(wěn)定土內(nèi)存在的孔洞，在固化體內(nèi)仍存在少量片狀Ca（OH）2和細針尖狀鈣礬石；適合配比的赤泥、粉煤灰在水泥的膠結(jié)作用下，將渣土粘結(jié)牢固，共同為渣土穩(wěn)定土提供強度。

圖8 外摻10%A3組固化劑固化土

3 結(jié)論

1）水泥用量一定時，水泥-赤泥-粉煤灰固化劑的膠砂試樣強度隨赤泥摻量的增加呈先增加再降低的趨勢，以其固化的穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強度也呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。當(dāng)摻加10%配比為水泥∶赤泥∶粉煤灰=3∶3∶4 的固化劑時，固化的工程渣土7 d 無側(cè)限抗壓強度達到8.2 MPa。

2）水泥-赤泥-粉煤灰固化劑是通過水泥水化生成C-S-H膠結(jié)固化工程渣土的，赤泥的堿性物質(zhì)在固化劑中起到激發(fā)劑的作用，可促進赤泥、粉煤灰中活性SiO2、Al2O3發(fā)生二次水化反應(yīng)，增強固化效果。

3）以赤泥、粉煤灰為主要組成的穩(wěn)定土固化劑對工程渣土具有顯著的固化效果；還能消納大量的固體廢棄物，減少環(huán)境污染。