拜耳法赤泥對(duì)建筑砌塊性能的影響分析*

劉日鑫，張錦洲，高淑娟

（1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164；2.長(zhǎng)江大學(xué)）

拜耳法赤泥對(duì)建筑砌塊性能的影響分析*

劉日鑫1，張錦洲2，高淑娟1

（1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164；2.長(zhǎng)江大學(xué)）

研究了拜耳法赤泥對(duì)建筑砌塊密度、強(qiáng)度及其他性能的影響。以赤泥取代粉煤灰，研究了赤泥對(duì)建筑砌塊密度及抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示：隨著赤泥用量增加，砌塊密度逐漸降低；當(dāng)赤泥取代60%粉煤灰時(shí)，砌塊7 d和28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為32.1MPa和37.2MPa。以赤泥取代60%粉煤灰為基準(zhǔn)，摻入生石灰取代赤泥，研究了生石灰對(duì)建筑砌塊強(qiáng)度的影響。研究表明：當(dāng)生石灰取代10%～15%赤泥時(shí)，建筑砌塊7 d和28 d抗壓強(qiáng)度最高，分別為34.2MPa和39.1MPa。以赤泥取代60%粉煤灰為基準(zhǔn)，以生石灰取代15%赤泥，制備建筑砌塊，研究了砌塊的其他性能。結(jié)果表明，該配方制備的砌塊符合JC 239—2001《粉煤灰磚》的要求。

砌塊；赤泥；建筑；資源化

拜耳法赤泥是拜耳法工藝生產(chǎn)氧化鋁產(chǎn)生的一種廢棄物。拜耳法赤泥活性低，較燒結(jié)法赤泥更難資源化，對(duì)環(huán)境負(fù)荷大。國(guó)外對(duì)拜耳法赤泥在建筑材料中的應(yīng)用進(jìn)行了研究：Tsakiridis等［1］用赤泥生產(chǎn)水泥；Ribeiro等［2］將赤泥加入高強(qiáng)混凝土中提高混凝土的抗腐蝕性能；Kavas［3］將生產(chǎn)硼形成的廢棄物作為赤泥磚的助熔劑，在700～900℃爐中燒結(jié)生產(chǎn)赤泥磚。中國(guó)學(xué)者［4-6］對(duì)利用赤泥回收堿、還原鐵、浸出鈉等進(jìn)行了研究，取得了一定的效果。筆者［7］在前期研究中，將拜耳法赤泥加入混凝土中，利用赤泥多孔特性來(lái)降低自密實(shí)混凝土泌水和離析現(xiàn)象，同時(shí)可以有效降低混凝土收縮并提高強(qiáng)度。現(xiàn)在，筆者利用拜耳法赤泥作為主要原料之一生產(chǎn)建筑砌塊，研究赤泥對(duì)建筑砌塊性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

1）赤泥，取自山西某鋁業(yè)有限公司赤泥大壩。赤泥密度為2.19 g/cm3，24 h吸水率為30.0%。赤泥主要氧化物為SiO2和Al2O3，有少量Fe2O3、TiO2、K2O、P2O5，主要物化性能見(jiàn)表1。圖1為赤泥XRD譜圖。赤泥由古柱沸石和水鈣沸石組成，約占赤泥礦物組成總量的80%。2）I型勃蘭特水泥，購(gòu)于中國(guó)香港，物理化學(xué)性能見(jiàn)表1。3）粉煤灰，來(lái)自中國(guó)香港某發(fā)電廠，密度為2.32 g/cm3，24 h吸水率為9.2%，物理化學(xué)性能見(jiàn)表1。4）生石灰，化學(xué)試劑，密度約為3.35 g/cm3。5）骨料為機(jī)制砂（CFS），最大粒徑為6mm，產(chǎn)自中國(guó)香港。

表1 原材料物理化學(xué)性能

圖1 拜耳法赤泥XRD譜圖

1.2 配方設(shè)計(jì)

以水泥、赤泥、砂子、生石灰、水為主要原料，經(jīng)壓制成型、自然養(yǎng)護(hù)制得待測(cè)試樣。建筑砌塊原料配比見(jiàn)表2。空白試樣膠凝材料為水泥和粉煤灰，骨料為機(jī)制砂。表2配方分為兩組，Ⅰ組用赤泥取代粉煤灰，研究赤泥加入量對(duì)砌塊密度及抗壓強(qiáng)度的影響；Ⅱ組以Ⅰ組最優(yōu)配方（Ⅰ組3號(hào)樣）為基礎(chǔ)，以生石灰取代赤泥，分析生石灰和赤泥共同作用對(duì)砌塊強(qiáng)度的影響。選取Ⅱ組試樣性能最優(yōu)配方制備砌塊，分析其綜合性能。

表2 實(shí)驗(yàn)配方設(shè)計(jì)

1.3 試樣制備及養(yǎng)護(hù)

試件尺寸為香港理工大學(xué)土木工程實(shí)驗(yàn)室根據(jù)ASTM D1633—2000（2007）《模制土壤水泥圓筒的耐壓強(qiáng)度用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》自行設(shè)計(jì)。砌塊為圓柱體，內(nèi)徑和高均為50 mm，經(jīng)壓制成型。成型壓力為20MPa，達(dá)到最大成型壓力時(shí)靜止20min，減壓脫模，置入23℃±2℃、濕度為80%的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

2 結(jié)果分析

2.1 赤泥對(duì)建筑砌塊硬化密度的影響

圖2a為赤泥取代粉煤灰時(shí)砌塊密度的變化。圖2b為以生石灰取代赤泥，赤泥和生石灰的共同作用對(duì)砌塊密度的影響。由圖2a可以看出，隨著赤泥取代率增加，砌塊密度逐漸下降，赤泥取代率由0%增加至100%時(shí)，砌塊密度由1 960.8 kg/m3下降至1 820.0 kg/m3，赤泥取代率每增加10%，砌塊密度下降1.5%。這是由于，拜耳法赤泥主要礦物組成為水鈣沸石、古柱沸石和柱沸石，為多孔性物質(zhì)，而粉煤灰是由大量玻璃體微珠組成，珠體內(nèi)部比較致密，用赤泥取代粉煤灰后，雖然經(jīng)過(guò)壓制成型，但仍在砌塊內(nèi)部留存許多孔結(jié)構(gòu)，致使砌塊密度降低。由圖2b看出，隨著生石灰取代率增加砌塊密度逐漸增加。這主要是由于生石灰密度較赤泥密度大。

圖2 赤泥取代粉煤灰率（a）和生石灰取代赤泥率（b）對(duì)砌塊密度的影響

2.2 赤泥對(duì)建筑砌塊抗壓強(qiáng)度的影響

圖3a為赤泥取代粉煤灰時(shí)砌塊7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的變化；圖3b為以生石灰取代赤泥砌塊7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的變化。由圖3a看出，砌塊7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相似。隨著赤泥取代率增加，砌塊抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)，赤泥取代60%粉煤灰時(shí)，砌塊7 d和28 d抗壓強(qiáng)度都達(dá)到最高值，分別為32.1MPa和37.2MPa，較空白試樣分別提高了10.3%和11.7%。這是由于，拜耳法赤泥中含有大量孔隙，在成型過(guò)程中可以吸收大量水，這些水被儲(chǔ)存在孔隙里，當(dāng)水泥后期水化過(guò)程中消耗掉體系內(nèi)部大量自由水以后，儲(chǔ)存在孔隙里的水會(huì)被釋放出來(lái)，促使水泥繼續(xù)水化，從而提高砌塊的強(qiáng)度。該結(jié)果已在筆者前期的研究中得到證實(shí)［5］。此外，赤泥中還有部分活性物質(zhì)，也是促使砌塊強(qiáng)度提高的因素之一。圖3b中，隨著生石灰取代率增加，在氧化鈣和赤泥的共同作用下砌塊的強(qiáng)度逐漸上升，當(dāng)生石灰取代10%赤泥時(shí)，砌塊7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，為34.2MPa；當(dāng)生石灰取代15%赤泥時(shí)，砌塊28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，為39.1MPa。砌塊7 d和28 d抗壓強(qiáng)度較空白試樣分別提高了6.2%和5.1%。從表1可以看出，拜耳法赤泥CaO含量較低，CaO與SiO2的比值僅為0.1，與水泥中CaO與SiO2的比值為3.2相差甚遠(yuǎn)。因此，當(dāng)原料中加入一定量生石灰后，可能與赤泥中的活性SiO2發(fā)生反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，提高了砌塊強(qiáng)度。

圖3 赤泥取代粉煤灰率（a）和生石灰取代赤泥率（b）對(duì)砌塊抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 建筑砌塊其他性能分析

通過(guò)2.1節(jié)和2.2節(jié)分析可知，抗壓強(qiáng)度最高的試樣為Ⅱ組2號(hào)樣和3號(hào)樣。按照Ⅱ組3號(hào)樣配方制備砌塊，對(duì)砌塊吸水率、抗凍性能、收縮性能及碳化性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并與JC 239—2001《粉煤灰磚》進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3看出，砌塊各方面性能指標(biāo)均達(dá)到了中國(guó)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)粉煤灰磚所規(guī)定的要求。某些性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的下限值，如抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗凍性能。砌塊的吸水率較高，達(dá)到23.3%，這主要是由于赤泥的多孔特性使砌塊的吸水率增加。如何降低砌塊的吸水率是以后研究的方向。

表3 砌塊實(shí)測(cè)性能并與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

3 結(jié)論

利用拜耳法赤泥取代粉煤灰，研究了赤泥對(duì)水泥基砌塊密度及抗壓強(qiáng)度的影響。在赤泥較優(yōu)取代率基礎(chǔ)上，加入生石灰取代赤泥，分析了生石灰和赤泥的共同作用對(duì)砌塊強(qiáng)度的影響。得出結(jié)論：1）隨著赤泥取代率增加，砌塊密度下降；2）赤泥取代60%粉煤灰，砌塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值；3）生石灰取代10%～15%赤泥，砌塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，其他性能符合粉煤灰磚標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，利用拜耳法赤泥生產(chǎn)建筑砌塊是可行的，為拜耳法赤泥的資源化利用提供了新的思路。但是，赤泥與生石灰的作用機(jī)理以及降低砌塊的吸水率還有待進(jìn)一步研究。

［1］ Tsakiridis PE，Agatzini-Leonardou S，Oustadakis P.Redmud addition in the raw meal for the production of portland cement clinker［J］.J.Hazard.Mater.，2004，116：103-110.

［2］ Ribeiro D V，Labrincha JA，MorelliM R.Effect of the addition of redmud on the corrosion parametersof reinforced concrete［J］.CementConcreteRes.，2012，42（1）：124-133.

［3］ Kavas T.Use of boron waste as a fluxing agent in production of red mud brick［J］.Build.Environ.，2006，41：1779-1783.

［4］ 李建偉，楊久俊，孫紅玲，等.赤泥堿回收工藝研究［J］.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2014，46（1）：46-48.

［5］ 韓玉芳，楊久俊，董光玉，等.赤泥中鐵的微波還原性及其熱力學(xué)分析［J］.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2015，47（2）：53-55.

［6］ 陳紅亮，汪婷，柯楊，等.赤泥中鈉鐵酸法浸出的工藝條件和機(jī)理探討［J］.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2016，48（1）：44-48.

［7］ Liu R X，Poon C S.Utilization of red mud derived from bauxite in self-compacting concrete［J］.J.Clean.Prod.，2016，112：384-391.——————

Effectsof Bayer redmud on propertiesof building blocks

Liu Rixin1，Zhang Jinzhou2，Gao Shujuan1
（1.Changzhou Vocational Institute of Engineering，Changzhou 213164，China；2.Yangtze University）

The effectsof Bayer redmud on the properties，such as density and compressive strength etc.of the building blocks were investigated.The fly ash in the building blockswas replaced with red mud and the effects of red mud on density and compressive strength of building blockswere investigated.Results showed that the density of blockswas decreased with the increaseof redmud.However，the compressive strength（7 d and 28 d）of the blocks reached themaximum，and were 32.1MPa and 37.2MPa when the replacementwas 60%.Take this as the standard，calcium oxide was doped to replace red mud，and the effectof the calcium oxide on building blockswas investigated.As the calcium oxide replacement range at10%～15%，the 7 d and 28 d compressive strength of building blocks were the highest，i.e.34.2 MPa and 39.1 MPa，respectively.Take the replacement of 60%fly ash with red mud as the basis，the building blocks were prepared by replacing 15%red mud with calcium oxide，and their other propertieswere studied.In addition，the properties ofblocks prepared with themix proportions met the Chinese criterion，F(xiàn)ly Ash Brick，JC 239—2001.

block；redmud；building；recycling

TQ133.1

A

1006-4990（2017）03-0052-03

2016-09-12

劉日鑫（1975— ），男，博士，副教授，研究方向?yàn)閺U棄物資源化利用。

張錦洲（1976— ），男，副教授，研究方向?yàn)椴牧霞庸すこ獭?/p>

湖北省建設(shè)廳科技項(xiàng)目計(jì)劃（鄂建文［2015］67號(hào)）；常州市科技局項(xiàng)目（CE20165033）。

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