戴麗聰，李成，步暉涵

（1.常州市眾華建材科技有限公司，江蘇 常州 213003；2.江蘇藍(lán)圈新材料股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 前言

赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時(shí)排出的污染性廢渣。一般，平均每生產(chǎn) 1 噸氧化鋁，便產(chǎn)生出 1～2 噸赤泥。中國(guó)作為世界氧化鋁生產(chǎn)大國(guó)，每年排放的赤泥高達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸之多。鋁土礦中鋁含量產(chǎn)量高的，基本都是采用拜爾法煉鋁，這種泥被稱(chēng)為“拜爾法赤泥”；鋁土礦中鋁含量產(chǎn)量低的，都是采用燒結(jié)法或燒結(jié)法和拜爾法聯(lián)合煉鋁，這種赤泥分別被稱(chēng)為“燒結(jié)法赤泥”或“聯(lián)合法赤泥”。

赤泥礦物成分復(fù)雜，世界上常規(guī)采用多種方法對(duì)其進(jìn)行分析，主要有偏光顯微鏡、掃描顯微鏡、差熱分析儀等方法。用以上幾種方法測(cè)出赤泥的主要礦物成分為文石和方解石，含量在 60%～65% 左右；其次是蛋白石、三水鋁石、針鐵礦成分；含量最少的成分是鈦礦石、菱鐵礦、天然堿、水玻璃、鋁酸鈉和火堿。赤泥的礦物成分復(fù)雜，且不符合天然土的礦物組合。赤泥中含有多種微量元素，而放射性主要來(lái)自于鐳、釷、鉀。赤泥的物理性質(zhì)：顆粒直徑 0.088～0.25mm，比重 2.7～2.9，容重 0.8～1.0g/cm3，熔點(diǎn) 1200～1250℃。赤泥的 pH 值很高，其中：浸出液的 pH 值為 12.1～13.0，氟化物含量 11.5～26.7mg/L；赤泥的 pH 值為 10.29～11.83，氟化物含 4.89～8.6mg/L。

本文中探討的鎂質(zhì)環(huán)保建材使用的是經(jīng)過(guò)檢測(cè)合格的赤泥，其放射性物質(zhì)含量均符合 GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》的要求。鎂質(zhì)膠凝材料是以氧化鎂為主要成分的氣硬性膠凝材料，用水調(diào)制氧化鎂時(shí)，將生成氫氧化鎂，漿體凝結(jié)硬化慢，硬化后強(qiáng)度低。用氯化鎂、硫酸鎂等鹽類(lèi)溶液調(diào)制的鎂質(zhì)膠凝材料具有早強(qiáng)、質(zhì)輕、耐火、耐沖擊、與有機(jī)材料結(jié)合性能好等特點(diǎn)，在裝飾、建筑節(jié)能等方面具有良好的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)，是一種綠色節(jié)能環(huán)保的建筑材料。目前鎂質(zhì)膠凝材料主要應(yīng)用于建筑材料，因其有耐水性差、易變形、易返鹵返霜、易使鋼筋腐蝕等缺點(diǎn)，在一定程度上限制了其應(yīng)用，近幾十年來(lái)經(jīng)過(guò)眾多科研院所的共同努力，獲得了較好的效果，但是由于技術(shù)保密的原因，并不能使所有的菱鎂制品企業(yè)掌握其核心技術(shù)，使得菱鎂制品質(zhì)量水平參差不齊。硫酸鎂、氧化鎂和水制成的硫氧鎂膠凝材料，保留了菱鎂膠凝材料的部分優(yōu)點(diǎn)，克服了吸潮返鹵、腐蝕鋼筋等缺點(diǎn)，但是硫氧鎂膠凝材料如果不經(jīng)過(guò)改性也有強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)，如果我們能夠進(jìn)一步或者深入研究，提高硫氧鎂膠凝材料性能，必將使硫氧鎂膠凝材料應(yīng)用前景更加廣闊。硫酸鎂、氧化鎂和水制成的硫氧鎂膠凝材料，保留了菱鎂膠凝材料的部分優(yōu)點(diǎn)，克服了吸潮返鹵、腐蝕鋼筋等缺點(diǎn)，但是硫氧鎂膠凝材料如果不經(jīng)過(guò)改性也有強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)，如果能夠進(jìn)一步提升硫氧鎂膠凝材料性能，必將使硫氧鎂膠凝材料應(yīng)用前景更加廣闊。

本課題主要是研究赤泥對(duì)于硫氧鎂水泥物理性能的增強(qiáng)作用，還有如何將赤泥用于增強(qiáng)硫氧鎂水泥的同時(shí)，使其能夠均勻地分散于水泥基材料中的方法，來(lái)探討其對(duì)于水泥漿體流動(dòng)性和其他性能的影響。

1 赤泥對(duì)硫氧鎂水泥性能影響的研究

1.1 試驗(yàn)原料及儀器

1.1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用原料及產(chǎn)地見(jiàn)表1。

表1 赤泥影響硫氧鎂水泥性能研究原料

1.1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)儀器

1.2 試驗(yàn)步驟

1.2.1 攪拌

每鍋膠凝材料使用小型機(jī)械攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，一開(kāi)始攪拌機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，然后按以下程序進(jìn)行操作：首先，將配方所需赤泥分別標(biāo)記稱(chēng)好，1# 6%、2# 7%、3# 8%、4# 9%、5# 10%，用準(zhǔn)備好的燒杯統(tǒng)一稱(chēng)量硫酸鎂溶液；第二步，將稱(chēng)好的氧化鎂和硫酸鎂溶液先倒入鍋中低速攪拌約 30s 左右，然后加入赤泥低速攪拌30s，停止攪拌 90s，且在第一個(gè) 15s 時(shí)間內(nèi)使用一膠刀片刮具將葉片和攪拌機(jī)鍋壁上的漿料，刮入鍋中間，然后在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下攪拌 60s 時(shí)間，每個(gè)攪拌階段的時(shí)間誤差應(yīng)控制在±1s 范圍內(nèi)。

1.2.2 試件的制備

膠凝材料制備后應(yīng)立即進(jìn)行成型，將空的試模和模套固定在振實(shí)臺(tái)上，用一個(gè)勺子直接從攪拌鍋里將膠凝材料分成二層裝入試模，完成后在試模上作好標(biāo)記1#、2#、3#、4#、5#。

1.2.3 試件的養(yǎng)護(hù)

將試件放入濕度 90%、溫度 30℃的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)。

1.2.4 抗折與抗壓性能的測(cè)試

（1）抗折強(qiáng)度測(cè)試是將試體一個(gè)側(cè)面放在多功能試驗(yàn)機(jī)的支撐圓柱上，讓試體的長(zhǎng)軸垂直于支撐圓柱，慢慢通過(guò) (50±10)N/s 的速率均勻地將荷載垂直地加在棱柱體相對(duì)側(cè)面上，直到試體折成兩段。

（2）抗壓強(qiáng)度測(cè)試是在半截棱柱體的側(cè)面上進(jìn)行的試驗(yàn)。將半截棱柱體的中心與壓力機(jī)板受壓中心差控制在±0.5mm 之內(nèi)，把棱柱體露在壓板外，露出來(lái)的部分約 10mm，整個(gè)加荷過(guò)程中速度應(yīng)控制在 (2400±200)N/s 的速率，適量、均勻地加荷直至到破壞為止，停止試驗(yàn)。

1.2.5 凝結(jié)時(shí)間測(cè)試

1.2.5.1 初凝時(shí)間的測(cè)定

從試件放在濕氣養(yǎng)護(hù)箱開(kāi)始，從加水 30min 時(shí)進(jìn)行第一次試驗(yàn)測(cè)定。測(cè)定時(shí)，取出試模放至試針下面，使試針頭與水泥凈漿表面間接接觸，把螺絲擰緊 1s 到 2s后，突然放開(kāi)，使試針垂直自由落體的沉入水泥凈漿里面，仔細(xì)觀察試針停止下沉?xí)r，或者在釋放試針 30s 時(shí)后的指針讀數(shù)；當(dāng)試驗(yàn)臨近初凝時(shí)間時(shí)，每間隔 5min時(shí)間開(kāi)始測(cè)定一次，如果試針沉至距底板大約 (4±1)mm 的時(shí)候，就是水泥達(dá)到初凝的狀態(tài)；記錄水泥的初凝時(shí)間。

1.2.5.2 終凝時(shí)間的測(cè)定

為了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，我們?cè)诮K凝針上安裝了一個(gè)環(huán)形的附件。在經(jīng)歷初凝時(shí)間測(cè)定試驗(yàn)后，應(yīng)立即將試模連同漿體平移的從玻璃板上面取下，翻轉(zhuǎn) 180 度后將直徑大的那端向上擺放，小的那端向下放在平直的玻璃板上，之后再次把試件放入濕氣養(yǎng)護(hù)箱中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。當(dāng)試驗(yàn)臨近終凝時(shí)間時(shí)，應(yīng)當(dāng)間斷每隔 15min 測(cè)定一次，確認(rèn)試針沉入試體 0.5mm 時(shí)，即為試驗(yàn)附件不能在試體上留下痕跡的時(shí)候，判斷水泥達(dá)到終凝的狀態(tài)。記錄時(shí)間為水泥的終凝時(shí)間。

1.2.5.3 終凝時(shí)間測(cè)定注意要點(diǎn)

在最初測(cè)定的試驗(yàn)操作時(shí)，應(yīng)輕輕扶持住金屬柱，讓其徐徐往下移動(dòng)，以防止試針撞彎掉，試驗(yàn)結(jié)果必須以自由下落為標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)試驗(yàn)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注意臨近初凝和終凝時(shí)，每隔 5min、每隔 15min（或更短時(shí)間）測(cè)定一次，到達(dá)初凝或終凝的時(shí)候應(yīng)立即重復(fù)測(cè)一次，當(dāng)兩次結(jié)論相同時(shí)才能確定到達(dá)初凝或者終凝狀態(tài)，而且每次測(cè)定不能將試針落入原針孔處，每次測(cè)定完畢后，必須將試針擦拭干凈，并且將試模放回濕氣養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)重新養(yǎng)護(hù)，整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程要防止試模受振動(dòng)和顛斜。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 凝結(jié)時(shí)間測(cè)試結(jié)果分析

赤泥含量對(duì)試件凝結(jié)時(shí)間的影響結(jié)果見(jiàn)表3 和圖1。因根據(jù)試驗(yàn)條件允許，我們?cè)谠囼?yàn)配方做了一定的整改，將赤泥的含量提升，從而使試驗(yàn)現(xiàn)象更能明顯地看出赤泥對(duì)水泥基復(fù)合材料的凝結(jié)時(shí)間的影響。

表3 和圖1 顯示，赤泥含量越高，試件的凝結(jié)速度越快，總體來(lái)看，赤泥對(duì)水泥基復(fù)合材料的凝結(jié)有加速作用。

2.2 力學(xué)性能結(jié)果分析

抗折和抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表4 和圖2、3。

表3 赤泥含量對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

圖1 加入赤坭水泥漿凝結(jié)時(shí)間

表4 試塊強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

圖2 抗折強(qiáng)度

圖3 抗壓強(qiáng)度

圖2、3 顯示，在水泥試塊中加入赤泥后，混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度有著明顯的提升，抗壓強(qiáng)度最大可提升 44%。當(dāng)赤泥含量達(dá)到 11% 時(shí)抗折、抗壓強(qiáng)度開(kāi)始出現(xiàn)下降。

3 結(jié)論

本文試驗(yàn)結(jié)果表明，在加入了赤泥后，對(duì)水泥的凝結(jié)有促進(jìn)作用，并能夠提高水泥膠砂的力學(xué)性能。

中國(guó)的固廢處理率目前在全球范圍還處于較低的水平，本文的探討為固廢的處理提供了新的思路，即赤泥在鎂質(zhì)膠凝材料中的應(yīng)用，希望能拋磚引玉，可以為建筑固廢的再生利用做更多的推廣。