赤泥在新型鎂質(zhì)環(huán)保建材中的應(yīng)用探討

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。中國作為世界氧化鋁生產(chǎn)大國，每年排放的赤泥高達數(shù)百萬噸之多。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)采用多種方法對其進行分析，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 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)過檢測合格的赤泥，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，將生成氫氧化鎂，漿體凝結(jié)硬化慢，硬化后強度低。用氯化鎂、硫酸鎂等鹽類溶液調(diào)制的鎂質(zhì)膠凝材料具有早強、質(zhì)輕、耐火、耐沖擊、與有機材料結(jié)合性能好等特點，在裝飾、建筑節(jié)能等方面具有良好的運用優(yōu)勢，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，在一定程度上限制了其應(yīng)用，近幾十年來經(jīng)過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，克服了吸潮返鹵、腐蝕鋼筋等缺點，但是硫氧鎂膠凝材料如果不經(jīng)過改性也有強度較低的缺點，如果我們能夠進一步或者深入研究，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，克服了吸潮返鹵、腐蝕鋼筋等缺點，但是硫氧鎂膠凝材料如果不經(jīng)過改性也有強度較低的缺點，如果能夠進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于硫氧鎂水泥物理性能的增強作用，還有如何將赤泥用于增強硫氧鎂水泥的同時，使其能夠均勻地分散于水泥基材料中的方法，來探討其對于水泥漿體流動性和其他性能的影響。

1 赤泥對硫氧鎂水泥性能影響的研究

1.1 試驗原料及儀器

1.1.1 試驗原料

試驗所用原料及產(chǎn)地見表1。

表1 赤泥影響硫氧鎂水泥性能研究原料

1.1.2 試驗儀器

試驗所用儀器見表2。

表2 試驗儀器

1.2 試驗步驟

1.2.1 攪拌

每鍋膠凝材料使用小型機械攪拌機進行攪拌，一開始攪拌機處于待機狀態(tài)，然后按以下程序進行操作：首先，將配方所需赤泥分別標(biāo)記稱好，1# 6%、2# 7%、3# 8%、4# 9%、5# 10%，用準(zhǔn)備好的燒杯統(tǒng)一稱量硫酸鎂溶液；第二步，將稱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 15s 時間內(nèi)使用一膠刀片刮具將葉片和攪拌機鍋壁上的漿料，刮入鍋中間，然后在高速運轉(zhuǎn)下攪拌 60s 時間，每個攪拌階段的時間誤差應(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)立即進行成型，將空的試模和模套固定在振實臺上，用一個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

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

1.2.4 抗折與抗壓性能的測試

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

（2）抗壓強度測試是在半截棱柱體的側(cè)面上進行的試驗。將半截棱柱體的中心與壓力機板受壓中心差控制在±0.5mm 之內(nèi)，把棱柱體露在壓板外，露出來的部分約 10mm，整個加荷過程中速度應(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。

1.2.5 凝結(jié)時間測試

1.2.5.1 初凝時間的測定

從試件放在濕氣養(yǎng)護箱開始，從加水 30min 時進行第一次試驗測定。測定時，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，使試針垂直自由落體的沉入水泥凈漿里面，仔細觀察試針停止下沉?xí)r，或者在釋放試針 30s 時后的指針讀數(shù)；當(dāng)試驗臨近初凝時間時，每間隔 5min時間開始測定一次，如果試針沉至距底板大約 (4±1)mm 的時候，就是水泥達到初凝的狀態(tài)；記錄水泥的初凝時間。

1.2.5.2 終凝時間的測定

為了試驗的準(zhǔn)確性，我們在終凝針上安裝了一個環(huán)形的附件。在經(jīng)歷初凝時間測定試驗后，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)護箱中繼續(xù)養(yǎng)護。當(dāng)試驗臨近終凝時間時，應(yīng)當(dāng)間斷每隔 15min 測定一次，確認(rèn)試針沉入試體 0.5mm 時，即為試驗附件不能在試體上留下痕跡的時候，判斷水泥達到終凝的狀態(tài)。記錄時間為水泥的終凝時間。

1.2.5.3 終凝時間測定注意要點

在最初測定的試驗操作時，應(yīng)輕輕扶持住金屬柱，讓其徐徐往下移動，以防止試針撞彎掉，試驗結(jié)果必須以自由下落為標(biāo)準(zhǔn)。整個試驗的過程中，應(yīng)當(dāng)注意臨近初凝和終凝時，每隔 5min、每隔 15min（或更短時間）測定一次，到達初凝或終凝的時候應(yīng)立即重復(fù)測一次，當(dāng)兩次結(jié)論相同時才能確定到達初凝或者終凝狀態(tài)，而且每次測定不能將試針落入原針孔處，每次測定完畢后，必須將試針擦拭干凈，并且將試模放回濕氣養(yǎng)護箱內(nèi)重新養(yǎng)護，整個試驗測試過程要防止試模受振動和顛斜。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 凝結(jié)時間測試結(jié)果分析

赤泥含量對試件凝結(jié)時間的影響結(jié)果見表3 和圖1。因根據(jù)試驗條件允許，我們在試驗配方做了一定的整改，將赤泥的含量提升，從而使試驗現(xiàn)象更能明顯地看出赤泥對水泥基復(fù)合材料的凝結(jié)時間的影響。

表3 和圖1 顯示，赤泥含量越高，試件的凝結(jié)速度越快，總體來看，赤泥對水泥基復(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

抗折和抗壓強度結(jié)果見表4 和圖2、3。

表3 赤泥含量對凝結(jié)時間的影響

圖1 加入赤坭水泥漿凝結(jié)時間

表4 試塊強度數(shù)據(jù)表

圖2 抗折強度

圖3 抗壓強度

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

3 結(jié)論

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

中國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。