赤泥摻量對赤泥基地聚物膠凝材料強(qiáng)度及環(huán)境μ匭緣撓跋煅芯

劉海林 呂政凡 李育林 范萌萌 歐陽旻奇

摘要：為將赤泥應(yīng)用于道路工程領(lǐng)域，文章以廣西平果鋁拜耳法赤泥為研究對象，利用經(jīng)700 ℃煅燒赤泥制備不同赤泥摻量（50%～100%）的赤泥基地聚物膠凝材料（RMG），研究赤泥摻量對RMG強(qiáng)度特性的影響及RMG堿性和污染物浸出情況。結(jié)果表明：RMG的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著赤泥摻量的提高而降低，赤泥摻量≤70%時，RMG可滿足42.5級水泥強(qiáng)度要求，并且其3 d和7 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)28 d的61%和82%以上，早期性能優(yōu)良；在環(huán)境影響方面，隨浸出次數(shù)的增加，RMG浸出液的pH值逐漸趨于穩(wěn)定，在50%～70%最優(yōu)赤泥摻量下，RMG的pH穩(wěn)定值為9.5左右；此外，RMG也具有良好的重金屬固化效果，對赤泥中的主要污染物Cr、As和Se的固化率分別達(dá)87.00%、95.98%和98.73%。結(jié)合RMG的抗壓強(qiáng)度和赤泥的最大化利用兩方面因素分析，建議選擇70%赤泥和30%礦渣粉的比例制備RMG。

關(guān)鍵詞：赤泥；礦渣；地聚物；抗壓強(qiáng)度；浸出試驗(yàn)

中圖分類號：U416.03? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0025-03

0 引言

地聚物膠凝材料是一種以活性硅鋁質(zhì)材料和液體激發(fā)劑為原料的新型綠色低碳材料，因其早期強(qiáng)度和耐久性優(yōu)良，在道路修復(fù)或補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域倍受關(guān)注［1］。廣西是我國重要的氧化鋁生產(chǎn)基地，據(jù)統(tǒng)計，2022年僅百色地區(qū)的赤泥現(xiàn)有堆存量就高達(dá)1.63×108 t，并仍在以每年1 600×104 t的速度增長，但因拜耳法赤泥存在高堿性［2］、低活性［3］等問題，目前其綜合利用率＜10%［4］。大量露天堆存的赤泥不僅占用了寶貴的土地資源，也容易造成土壤堿化［5］和地下水污染［6］等問題。

赤泥中富含大量鋁硅酸鹽礦物，是一種潛在的地聚物制備原料。利用赤泥制備地聚物膠凝材料，實(shí)現(xiàn)鋁工業(yè)固廢赤泥在道路工程領(lǐng)域的資源化利用，已成為當(dāng)前交通行業(yè)的研究熱點(diǎn)。對此，宋迪等［7］以赤泥、粉煤灰和礦粉為原材料，以NaOH為激發(fā)劑，制備出了一種28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)6.5 MPa的可控低強(qiáng)度材料。何凝［8］利用赤泥和礦渣制備了一種地聚合物透水混凝土路面材料，研究發(fā)現(xiàn)赤泥的堿性能夠促進(jìn)地聚合物的水化反應(yīng)，使得該透水混凝土具有快凝早強(qiáng)的特點(diǎn)。丁鑄等［9］采用水玻璃激發(fā)赤泥和礦渣的活性，制備出了強(qiáng)度高達(dá)72.1 MPa的赤泥-礦渣地聚合物水泥。莫林強(qiáng)等［10］進(jìn)一步采用經(jīng)熱堿活化處理的赤泥與礦渣復(fù)合，制備地聚物砂漿，在赤泥摻量為40%時，抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)60.7 MPa。王永寶等［11］還發(fā)現(xiàn)赤泥摻量提高有助于降低礦渣-赤泥基地聚物收縮應(yīng)變。由此可見，將赤泥用作地聚物膠凝材料可取得良好的效果，但這些研究中的赤泥利用率最高僅為50%，仍處于較低水平，并且也未針對赤泥地聚物材料的環(huán)境影響展開相應(yīng)研究。此外，赤泥的化學(xué)礦物成分受產(chǎn)地、鋁土礦原料和氧化鋁制備工藝等因素的影響而存在明顯差異，不同地區(qū)的赤泥處理參數(shù)并不完全相同。

基于此，本文以廣西平果鋁拜耳法赤泥為研究對象，采用高溫對赤泥進(jìn)行熱活化處理后將其與?；郀t礦渣混合，并采用水玻璃溶液激發(fā)其活性，制備赤泥基地聚物膠凝材料，重點(diǎn)研究不同赤泥摻量對赤泥基地聚物膠凝材料強(qiáng)度特性及其環(huán)境的影響。研究成果可為廣西拜耳法赤泥在道路修復(fù)或補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域的資源化利用提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)用赤泥為取自中鋁廣西分公司平果赤泥堆存的拜耳法赤泥。?；郀t礦渣粉購自廣西某公司，等級為S95級。堿激發(fā)劑為購自嘉興市某公司的水玻璃溶液，模數(shù)為2.3，Na2O和SiO2含量分別為13.75%、29.99%，根據(jù)文獻(xiàn)［12］的方法，試驗(yàn)前采用實(shí)驗(yàn)室分析純NaOH將水玻璃溶液模數(shù)調(diào)整至1.7，即制得試驗(yàn)用堿激發(fā)溶液。采用XRD對赤泥、礦渣粉的礦物組成進(jìn)行分析，結(jié)果如下頁圖1所示。由圖1可知，赤泥中的主要礦物成分為鈣霞石族礦物、加藤石、赤鐵礦、三水鋁石和方解石，礦渣粉的XRD譜圖呈現(xiàn)鼓峰包形狀，其主要礦物為非晶態(tài)礦物。通過XRF熒光光譜分析測得赤泥和礦粉化學(xué)成分如下頁表1所示。

1.2 配合比

在前期研究［13］中發(fā)現(xiàn)，赤泥的最佳煅燒溫度為700 ℃，在該溫度下赤泥的活性指數(shù)由0.711提高至0.826，故本次試驗(yàn)選用經(jīng)700 ℃煅燒的磨細(xì)赤泥。試驗(yàn)共設(shè)計5種配比，以赤泥摻量為變量，固定水灰比為0.5，水玻璃溶液模數(shù)為1.7，水玻璃摻量為8%（以Na2O占赤泥和礦渣的質(zhì)量百分比計），赤泥基地聚物膠凝材料（以下簡稱RMG）的詳細(xì)配合比如表2所示。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

RMG試樣的制備流程為：按照設(shè)計配合比稱量相應(yīng)質(zhì)量的赤泥、礦渣、堿激發(fā)劑和水；根據(jù)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗(yàn)方法》（GB/T 1346-2011），依次將水、堿激發(fā)劑、赤泥礦渣混合料投入NJ-160型水泥凈漿攪拌機(jī)中，攪拌方式為慢攪120 s，停拌15 s，期間將攪拌葉片和鍋壁的漿體刮入鍋中，隨后高速攪拌120 s；然后將制得的漿體裝入20 mm×20 mm×20 mm的六聯(lián)立方試模中，振實(shí)后覆膜，并放入濕氣養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h；最后將試件拆模，在20 ℃±1 ℃的水養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。

1.3.2 測試方案

抗壓強(qiáng)度測試參考《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB /T 17671-2021）進(jìn)行，試驗(yàn)儀器采用YAW-300D微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)，為保證抗壓強(qiáng)度的精確性，設(shè)定儀器加載速率為0.6 kN/s，每組做3個平行樣并取平均值作為該組的抗壓強(qiáng)度值。堿性浸出試驗(yàn)參考《放射性廢物固體化長期浸出試驗(yàn)》（GB7023-86），采用半動態(tài)浸出試驗(yàn)方法進(jìn)行，即用線將養(yǎng)護(hù)28 d的各組試樣捆綁并吊入去離子水中浸泡，自開始浸泡后的第1 d、3 d和7 d測量浸泡液中的pH值，然后每隔一周測量一次直至數(shù)值穩(wěn)定，每組取兩個試樣的平均值作為該組試樣的測試結(jié)果。重金屬浸出試驗(yàn)則參考《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》（HJ 557-2010）進(jìn)行，并采用ICP-MS測試浸出液中的重金屬含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度分析

如圖2所示是不同煅燒赤泥摻量下赤泥基地聚物膠凝材料的3 d、7 d和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

由圖2可知，隨著赤泥占比的提高，RMG在各齡期的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)赤泥摻量為60%時，RMG的早期強(qiáng)度下降不明顯，表明煅燒赤泥在赤泥-礦渣體系中屬于有效成分，與礦渣共同發(fā)揮一定的協(xié)同作用，對材料早期強(qiáng)度的發(fā)展起到了積極作用；而在28 d齡期時，其抗壓強(qiáng)度對比50%赤泥摻量時下降了5.5%，但仍高達(dá)61.8 MPa，這可能是赤泥中的活性成分含量較低，其地聚物反應(yīng)主要發(fā)生在早期。當(dāng)赤泥摻量為70%時，RMG各齡期的抗壓強(qiáng)度較50%赤泥摻量時分別下降了21.8%、16.4%和16.5%，但從強(qiáng)度值來看，其28 d抗壓強(qiáng)度仍＞42.5 MPa，滿足42.5級水泥強(qiáng)度要求。而赤泥用量達(dá)80%和90%時，RMG的抗壓強(qiáng)度顯著下降，但在80%赤泥摻量時仍可滿足32.5級水泥強(qiáng)度要求。對于100%赤泥用量的RMG，其在7 d時取得抗壓強(qiáng)度最大值，28 d抗壓強(qiáng)度反而最低。這是因?yàn)榻?jīng)熱活化后，赤泥的活性雖得到提高，但赤泥中活性礦物含量仍低于GGBS，在堿激發(fā)條件下能產(chǎn)生的地聚物膠凝物質(zhì)有限。故在浸水養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)RMG的地聚物凝膠生成量達(dá)到極值后即處于水損害環(huán)境中，少量地聚物凝膠無法抵抗水侵蝕，進(jìn)而造成強(qiáng)度降低。從強(qiáng)度來看，90%和100%赤泥用量的RMG已無法用于道路修復(fù)，但仍可用于礦山充填等封閉無水環(huán)境中。

2.2 早期強(qiáng)度分析

如下頁圖3所示反映了不同赤泥摻量下RMG早期強(qiáng)度系數(shù)（即3 d、7 d抗壓強(qiáng)度值與28 d抗壓強(qiáng)度值之比）。由圖3可知，隨著赤泥摻量的提高，RMG的早期強(qiáng)度系數(shù)總體上呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)赤泥摻量為50%～70%時，RMG具有較高的早期強(qiáng)度，3 d早期強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)0.61～0.65，而7 d早期強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)0.82～0.86。根據(jù)《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2023）不同齡期強(qiáng)度要求值計算，42.5級和42.5R級水泥的3 d抗壓強(qiáng)度應(yīng)分別達(dá)到28 d的0.40倍和0.52倍以上，而本文赤泥摻量為50%～70%的RMG，其3 d早期強(qiáng)度系數(shù)高于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此，RMG具有較普通水泥更高的早期強(qiáng)度，在用于道路修復(fù)時，有利于縮短施工工期、降低施工成本。而當(dāng)赤泥摻量為80%時，RMG早期強(qiáng)度系數(shù)明顯下降，但仍高于規(guī)范GB175-2023中32.5級水泥3 d齡期抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到28 d齡期0.37倍以上的要求。對于抗壓強(qiáng)度值較低的90%和100%赤泥摻量的RMG，其7 d早期強(qiáng)度系數(shù)＞0.7，28 d早期強(qiáng)度系數(shù)＞0.89，用于低強(qiáng)度回填材料時較普通水泥基回填材料可更快形成強(qiáng)度，縮短工期。

2.3 堿浸出分析

由于廣西地區(qū)降雨量大，將高堿性的赤泥應(yīng)用于道路工程時可能發(fā)生堿滲漏問題。為此，本文采用半動態(tài)浸出試驗(yàn)對RMG的環(huán)境影響進(jìn)行評價，如圖4所示是不同赤泥摻量下RMG的半動態(tài)浸出試驗(yàn)結(jié)果。由圖4可以看出，隨著浸出次數(shù)的增加，所有RMG樣品的pH值均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，并且均在第7 d時出現(xiàn)最大值，隨后在第35 d后趨于穩(wěn)定，各組試樣pH值在9.53～9.93。在浸水試驗(yàn)的前14 d，可以明顯地觀察到赤泥摻量為90%～100%的樣品的pH值低于其余樣品。但在第21 d，其pH值開始大于其余樣品。這可能是由于

當(dāng)赤泥摻量較高時，堿性組分會附著在煅燒赤泥粗糙的表面上，使初期釋放的堿減少，但因赤泥摻量高的RMG強(qiáng)度低，且地聚物含量低，隨著浸水時間的增長，其結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，內(nèi)部的堿性組分逐漸被釋放出來，造成浸出液pH值升高。從穩(wěn)定階段的pH值來看，赤泥摻量越高，浸出液pH值也越高，故考慮赤泥的最大化利用和對環(huán)境的影響，宜選擇70%赤泥制備RMG。

2.4 重金屬浸出分析

重金屬也是限制赤泥路用的一大難點(diǎn)，為了分析RMG的毒性浸出值，本文采用水平振蕩法對70%赤泥摻量下的RMG進(jìn)行重金屬浸出試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，赤泥原樣中檢測出的重金屬主要為Cu、Cr、Ni、As和Se，其中Cr、As和Se的浸出值超出《公路工程赤泥（拜耳法）路基應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DB37/T 3559-2019）限值要求。對于RMG，其重金屬浸出值均滿足限值要求，原赤泥中的Cr、As和Se浸出值分別由54.11 ug/L、99.30 ug/L和105.65 ug/L下降至7.03 ug/L、3.99和1.34 ug/L，對應(yīng)重金屬的固化率分別達(dá)87.00%、95.98%和98.73%。這表明即使在70%赤泥摻量下，RMG仍具有良好的重金屬固化效果，是一種環(huán)境友好型的道路修復(fù)材料。

3 結(jié)語

本文以廣西平果鋁拜耳法赤泥為研究對象，通過室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)和浸出試驗(yàn)對不同赤泥摻量下RMG的強(qiáng)度特性及其環(huán)境影響進(jìn)行了研究。主要得出以下結(jié)論：

（1）隨著赤泥摻量的提高，RMG的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但在赤泥摻量為70%和80%時，其28 d抗壓強(qiáng)度分別可滿足42.5級和32.5級水泥強(qiáng)度要求，可作為道路修復(fù)材料；而當(dāng)赤泥摻量＞90%時，RMG中的地聚物產(chǎn)物減少，強(qiáng)度顯著下降，僅可用作低強(qiáng)度回填材料的固化劑。

（2）在赤泥摻量為50%～70%時，RMG具有較普通水泥更高的早期強(qiáng)度，其3 d和7 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)28 d的61%和82%以上；當(dāng)赤泥摻量＞90%時，RMG的7 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)28 d的89%以上。故RMG具有優(yōu)良的早期性能，將其應(yīng)用于道路工程時，有助于更快形成強(qiáng)度，縮短工期。

（3）隨浸出次數(shù)的增加，RMG浸出液的pH值逐漸趨于穩(wěn)定，赤泥摻量越高，RMG在穩(wěn)定階段的pH值也越高，最優(yōu)摻量為50%～70%。此外，RMG具有良好的重金屬固化效果，對赤泥中的Cr、As和Se三種主要污染物的固化率分別達(dá)87.00%、95.98%和98.73%。

（4）綜合分析RMG的抗壓強(qiáng)度和赤泥的最大化利用兩方面因素，建議選擇70%赤泥和30%礦渣粉的比例制備RMG。

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作者簡介：劉海林（1976—），高級工程師，研究方向：道路工程、路用固廢材料。