赤泥-粉煤灰加气混凝土制备研究.pdf

钎 鲤 建蟓 全 国 中 文 核 心 期 刊 赤泥一 粉煤灰加号混凝土制备研究 王瑞燕， 岳涛 ( 重庆 交通 大学 土木 建筑学 院材料 系， 重庆4 0 0 0 7 4 ) 摘要 ： 赤泥是铝土矿提取氧化铝过程中产生的废弃物。 赤泥建材化利用具有使用量大、 产品附加值高等特点， 是赤泥无害化、 资 源 化利 用的优选 途径 。 以强度级别 A 3 5 、 密度级别 B 0 6的加气混凝土为设计 目标， 研究 了组成材料、 养护制度对 赤泥一 粉煤灰加气混 凝土强度、 密度的影响。结果表明， 采用赤泥、 粉煤灰等固体工业废料制备的加气混凝土， 强度和密度满足加气混凝土砌块质量要 求 ， 满足建筑材料放射性核 素限量 要求 。 关键 词： 赤泥； 粉煤灰； 加气混凝土； 强度； 密度； 放射性 中图分类号： T U 5 2 2 3 + 2 文件标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 3 1 - 0 4 S t u d y o n p r e p a r a tio n o f r e d mu d & fl y a s h a e r a t e d c o n c r e t e WANG Ru i y a n ， YU E T o o ( De p a r t me n t o f Bu i l d i ng Ma t e ria l ， Ci v i l a n d Ar c h i t e c t u r a l En g i n e e rin g ， Ch o n g q i ng J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 7 4， Ch i n a ) Abs t r a c t ： Re d mu d i s t h e wa s t e g e n e r a t e d i n p r o c e s s of e x t r a c t i n g a l u mi n a f r o m b a u x i t e Th e u t i l i z a t i o n o f r e d mu d i n p mp a fi ng c o ns t r u c t i o n ma t e r i als h a s f e a t u r e s o f l a r g e u s i n g a mo u n t a n d hi g h a d d e d v a l ue ， wh i c h i s a n o p t i mal me t h o d f o r r e c y c l e a n d s a f e t r e a t me n t o f t h e r e d mu dTo t h e t arg e t o f a e r a t e d c o n c r e t e wi t h A3 5 s t r e n g t h g r a d e a n d B0 6 d e n s i t y g r a d e， i n flu e n c e o f ma t e ria l s c o mp o s i t i o n a n d c u ri n g c o n d i t i o n s o n s t r e n gth a n d d e n s i t y of r e d mu d fly a s h a e r a t e d c o nc r e t e h a s b e e n s t u d i e d Re - s u h s s h o w t h a t for a e r a t e d c o n c r e t e p r e p a r e d wi t h r e d mu d， fly a s h a n d o t h e r i n d u s t ri al s o l i d wa s t e ， i t s s t r e n gth a n d d e n s i t y c a n me e t t h e q u a l i t y r e q u i r e me n t s of a e r a t e d c o n c r e t e b l o c k ， an d me e t t h e r a d i o a c t i v e s p e c i e s l i mi t r e q u i r e me n t o f b u i l d i n g ma t e ria 1 Ke y wo rd s： r e d mu d； fly a s h； a e r a t e d c o nc r e t e ； s t r e n gth； d e n s i t y ； r a d i o a c t i v e 赤泥是以铝土矿为原料生产氧化铝过程中产生的固体 废物， 每生产 1 t 氧化铝， 大约产生赤泥O 8 1 5 t 。 2 0 0 9 年， 我 国氧化铝产量为2 3 7 8 万t ， 约占世界总产量的3 0 ， 产生的 赤泥近 3 0 0 0 万t 。因其颗粒极细且具有强碱性和放射性， 赤 泥的综合利用至今仍属世界性难题， 国际上对赤泥主要采用 堆存覆土的处置方式。目 前， 我国赤泥综合利用率仅约4 ， 累积堆存量达到2 亿t 。随着我国氧化铝产量的逐年增长和 铝土矿品位的逐渐降低，赤泥的年产生量还将不断增加， 预 计到2 0 1 5 年，赤泥累计堆存量将达到3 5 亿t_l _ 。2 0 1 0年8 月， 工信部和科技部联合下发了 赤泥综合利用指导意见 ， 以期提高赤泥综合利用率和综合利用技术水平， 减少赤泥堆 存对环境、 安全造成的影响。 基金项 目： 重庆 市科学技术委员会 自然科学基金项 目 ( C S TC2 O O 9 BB 73 7 6) 收稿 臼期： 2 0 1 1 一 O 3 一 l 6 作 者简介 ： 王瑞燕 ， 女， 1 9 6 7年生 ， 四川宜 宾人 ， 硕士 ， 副教授 ， 从事土 木 工程材料 教学及科研 工作 。地址 ： 重庆市 南岸区学府大 道 6 6号 ， E m a i l ： t j h l a r a w y a h o o c o rn c n 。 加气混凝土因其内部存在大量的封闭微孔，具有良 好的 保温、 隔热、 隔声、 抗震、 耐久等综合技术性能， 是建筑节能自 保温体系中性能优良的墙体材料。 利用赤泥、 粉煤灰等固体工 业废料生产加气混凝土， 符合国家节约能源、 循环利用资源的 国策， 是固体废料建材化、 资源化综合利用的有效途径， 产品 附加值高， 具有良 好的环保和经济效益。 1 原材料 拜尔法生产氧化铝直接以苛性钠溶液处理铝土矿，使矿 石中氧化铝生成可溶性铝酸钠并与其它矿物分离，矿石中的 二氧化硅等则成为不溶性残渣赤泥。赤泥的组成和特性 因铝土矿的种类、 生产工艺、 存放时间而不同， 适当热处理和 机械作用有利于赤泥活性的提高 。拜尔法赤泥的主要矿物 组成包括文石、 方解石、 钙钛矿、 钙霞石、 赤铁石、 一水硬铝石、 三水铝石、 水石榴石、 铝硅酸钠水合物、 水蛋白 石等， 在赤泥孔 隙溶液中尚有少量的硅酸钠、 铝酸钠、 苛性碱和胶体铁等不稳 定的化合物 2 - 7 。拜尔法赤泥的碱性高( p H值 l 2 ) 、 密度小、 含 水率高， 颗粒很细， 呈高分散胶体状态， 有一定的自 胶结性能和 潜在活性， 具有与加气混凝土制浆和养护工艺相适应的属性。 NE W B UI L Dl NG M ATE R l AL S 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王瑞燕， 等： 赤泥 一粉煤灰加气混凝土制备研究 粉煤灰是火力发电燃煤过程中排放的烟道灰， 主要成分 为活性S i O 和A 1 2 0 ， ， 具有火山灰活性， 在碱激发和硫酸盐激 发作用下生成的硅酸盐和硫铝酸盐矿物有利于加气混凝土强 度的形成与发展。同时， 粉煤灰的掺入有利于降低赤泥加气 混凝土中放射性核素含量。 根据赤泥、 粉煤灰等固体废料的化学组成及矿物组成， 加 气混凝土采用水泥、 赤泥、 粉煤灰、 复合激发剂为主要材料， 原 材料性能测试结果如下： ( 1 ) 水泥( C ) ： 重庆夏强P F 3 2 5 R级水泥， 3 d抗压强度 1 7 6 M P a ， 抗折强度4 1 5 M P a ； 2 8 d 抗压强度3 2 6 M P a ， 抗折 强度6 9 5 M P a 。 ( 2 ) 粉煤灰( F A ) ： 重庆洛璜电厂粉煤灰， 8 O m筛筛余 1 6 6 ， 需水量比1 0 3 ， 内照射指数 = 0 5 2 B q k g ， 外照射指 数L = 0 7 6 B q k g 。主要化学成分见表 1 。 表 1 粉煤灰的主要化学成分 ( 3 ) 赤泥( R M ) ： 重庆博赛集团先锋氧化铝厂拜尔法赤泥， I ra = 1 5 9 B q k g ， = 3 1 6 B q k g ， 主要化学组成见表2 。 表 2 赤泥的主要化学组成 ( 4 ) 复合激发剂( A D ) ： 用于对赤泥和粉煤灰起活性激发 作用 圳 。 ( 5 ) 浆体稠度调节剂： 用于调节料浆的稠度和稠化速度。 ( 6 ) 铝粉膏( A 1 ) ： 用于浆体化学加气。 2 试验方案及性能试验结果 文献f 1 l 1 系统研究了原材料组成对赤泥一 粉煤灰加气混 凝土性能的影响规律。其研究结果表明， 在水泥一 赤泥一 粉煤 灰一 复合激发剂体系中， 加气混凝土的强度和密度与胶凝材料 组成、 铝粉掺量、 料水比( 粉料与水的质量比， 下同) 呈显著多 元线性关系； 料水比和铝粉掺量是影响加气混凝土孔结构的 主要因素， 进而对加气混凝土的强度和密度产生较大的影响； 水泥、 赤泥、 粉煤灰、 激发剂与水反应的生成物是加气混凝土 孔壁的形成物质， 对孔壁强度产生影响， 进而影响加气混凝土 表 3 原材料组成及加气混凝土性能试验结果 注： 赤泥按烘干质量计； 试件在7 O、 相对湿度大于 9 0 条件下养护5 d ， 再在 2 O、 相对湿度大 |f 9 0 条件 F 养护至2 8 d的抗压强 度； 试件在 7 0、 相对湿度大于9 0 条件下养护5 d的抗压强度； 试件在 2 0、 相对湿度大于9 0 条件下养护至2 8 d的抗压强度； 试什 在重庆源冠加气混凝土厂蒸压釜中相同工艺条件养护的抗压强度， 蒸汽压力 1 5 M P a ， 养护时间6 0 h ； 试件在重庆源冠加气混凝土厂蒸压釜 中相 同工艺条件 养护后， 再在 自然条件下放置 5 d的抗压强度。 3 2 新型建筑材料 2 0 1 1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王瑞燕， 等： 赤泥 一 粉煤灰加气混凝土制备研究 的强度； 加气混凝土早期强度主要取决于水泥用量， 复合激发 剂对赤泥和粉煤灰的活性激发作用对加气混凝土后期强度的 增长有重要作用； 赤泥的强碱性会显著提高浆体的碱度， 从而 影响铝粉的发气速度。 基于赤泥一 粉煤灰加气混凝土性能变化规律，根据加气 混凝土的密度要求确定铝粉掺量，并根据加气混凝土强度要 求确定料水比 和组成材料比例，可以制备指定强度和密度的 加气混凝土。以我国目前普遍生产的A 3 5 、 B 0 6 加气混凝土 为设计目 标， 设计原材料组成方案， 试验结果见表3 。 3 结果讨论 ( 1 ) 赤泥一 粉煤灰加气混凝土的强度和密度主要取决于 料水比和铝粉掺量。从表3 第 l 第 1 2组、 1 7 组数据可以看 出，料水比和铝粉掺量一定的条件下，改变粉料中各组分比 例， 加气混凝土的强度和密度基本不变； 第 1 3 、 l 4 组与第3 组 数据对比 表明， 铝粉掺量一定， 加气混凝土的强度和密度随料 水比增大而增大； 第 1 5 、 1 6 组与第3 组数据对比表明， 料水比 一 定， 加气混凝土强度和密度随铝粉掺量增加而减小。 这与文 献【 1 1 1 的研究结果一致。 ( 2 ) 料水比对加气混凝土的性能影响主要表现在2 个方 面， 一是直接影响反应生成物微结构的致密度， 对孔壁强度产 生影响； 二是料水比对料浆稠度有显著影响， 从而影响浆体内 气泡的大小和气泡间隔系数，进而影响加气混凝土细观孔结 构， 影响加气混凝土强度和密度。 当浆体稠度及稠化速度与发 气速度相适应时，随着料水比的增大，加气混凝土的强度提 高， 密度增大。 ( 3 ) 铝粉的掺量决定加气混凝土中的加气量， 当铝粉反应 生成氢气的速度与浆体稠化速度相适应时，随着铝粉掺量的 增加， 引气量、 孔隙率增大， 密度和强度降低。 ( 4 ) 水泥、 赤泥、 粉煤灰、 激发剂是加气混凝土强度形成的 主要组成成分。组成材料中的水泥在早期的水化有利于加气 混凝土早期孔结构的形成和稳定。粉煤灰和赤泥中的活性 S i O 、 A l 受水泥水化生成的C a ( 0 H ) 碱激发和复合激发剂 硫酸盐激发作用，在常压热养护条件下生成C S H凝胶和 A F t ( 见图1 ) ， 赤泥和粉煤灰活性激发产生的C - S H凝胶和 钙矾石， 保证了加气混凝土强度的增长。改变水泥、 赤泥和粉 煤灰的相对用量，可以调节加气混凝土的早期强度及后期强 度的发展。 ( 5 ) 赤泥和粉煤灰在粉料中总比例不变的情况下， 复合激 发剂掺量应与赤泥及粉煤灰掺量相适应。当复合激发剂掺 量 小于合理掺量时， 随着复合激发剂掺量的增加， 加气混凝土强 度呈增长趋势； 当复合激发剂掺量超过合理掺量， 加气混凝土 图 1 赤泥一 粉煤灰加气混凝土的 S E M照片 强度随激发剂掺量的增加而降低。 激发剂掺量较小时， 赤泥和 粉煤灰的活性得不到充分激发，在孔壁结构中主要起微集料 作用， 为保证加气混凝土的强度， 水泥的掺量需提高， 从而影 响经济性。 ( 6 ) 赤泥的高碱性可提高浆体碱度， 有利于氢气的顺利生 成； 赤泥的极细颗粒特征， 有利于其活性的激发， 并降低加气 混凝土制浆过程中的湿磨能耗和养护过程能耗；赤泥中存在 的N a 0对活性S i O 、 A 1 0 中的S i 一0 、 A l 一0键断裂起到加 速作用， 赤泥掺量增加， 加气混凝土强度略有提高。 ( 7 ) 在 7 0 c c 湿热条件下养护， 赤泥加气混凝土的强度有 较快的发展。 若以2 0 养护2 8 d强度为基准， 7 0 条件下养 护5 d 强度可达到基准强度的9 0 以上， 7 0 q C 条件下养护5 d 后再标准养护至2 8 d ， 强度较基准强度约平均增长 1 0 。 ( 8 ) 采用与加气混凝土实际生产相同的蒸压养护条件， 有 利于赤泥、 粉煤灰活性的激发， 有利于加气混凝土强度的形成 和发展。 蒸压后在自 然条件下放置， 试件的湿度变化对强度测 试结果有一定的影响。 ( 9 ) 赤泥具有较高的放射性， 是导致赤泥一 粉煤灰加气混 凝土放射性核素超限量的主要因素，这也是制约赤泥建材化 综合利用的重要因素_1 。根据 G B 6 5 6 6 -2 0 0 1 建筑材料放 射性核素限量 要求， 作为建筑主体材料， 和 ， r 均要求不大 于 1 0 B q k g ；对于空心率大于2 5 的建筑主体材料，要求 ， R a 1 0 B q k g 且 ， r l - 3 B q k g 。因此， 就本研究而言， 为满足 G B 6 5 6 6 -2 0 0 1 要求， 赤泥掺量不宜大于2 0 ； 考虑到加气混 凝土中孔隙率高达7 0 ， 赤泥的最大掺量不宜大于3 0 。 4 结语 ( 1 ) 料水比和铝粉掺量是影响加气混凝土强度和密度的 重要因素， 水泥水化及赤泥、 粉煤灰在碱激发和硫酸盐激发作 N E W BUI L DI NG MAT E RI A L S 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王瑞燕， 等： 赤泥 一粉煤灰加气混凝土制备研究 用下的反应生成物是加气混凝土强度的主要来源。赤泥的极 细颗粒特征， 有利于其活性的激发， 并降低加气混凝土制浆过 程中的湿磨能耗和养护过程能耗。 ( 2 ) 基于胶凝材料组成、 料水比、 铝粉掺量对赤泥一 粉煤 灰加气混凝土性能影响规律， 设计指定强度、 密度等级加气混 凝土时， 可以首先根据强度和密度的要求， 确定料水比和铝粉 掺量， 再根据养护制度确定水泥掺量， 根据赤泥的放射性核素 含量确定其安全掺量， 最后确定粉煤灰和激发剂掺量。 ( 3 ) 根据原材料具体情况， 通过调整原材料中各组成材料 的比例，赤泥一 粉煤灰加气混凝土的强度和密度符合 G B 1 1 9 6 8 -2 0 0 6 蒸压加气混凝土砌块 要求， 放射性核素符合 G B 6 5 6 6 -2 0 0 1 建筑材料放射性核素限量 要求。 参考文献 ： 【 1 工信部和科技部 赤泥综合利用指导意见 s 2 0 1 0 2 陈红霞 ， 孙恒虎 ， 李化建 热 处理温 度对赤泥胶凝 活性 的影 响 J 】 _ 轻金属 ， 2 0 0 6 ( 9 ) ： 2 2 2 5 【 3 孙恒 虎， 冯 向鹏， 刘晓 明， 等 机械 力化 学效应 对赤泥结构特性和 胶凝性能的影响I J J 稀有金属材料与工程 ， 2 0 0 6 ， 3 6( s u p p 1 2 ) ： 5 6 8 5 7 0 【 4 张彦娜 ， 潘志华 不 同温度 下赤泥的物理化学特征分析 J 1 _ 济南大 学学报， 2 0 0 5 ， 1 9( 4 ) ： 2 9 3 2 9 7 ( 上接第 2 7页) 数平均要低2 9 ； 5 排孔时， 叉排方式的砌块比 顺排方式的砌 块传热系数平均要低 1 5 3 。 可以看出， 孔洞采用叉排的方式 有助于传热系数的降低， 采用3 排以上的孔型设计时， 宜采用 又排孔洞的方式。 从图8 、 图9 可知， 砌块孔洞采用顺排方式时， 仅竖向热 流明显， 基本不存在横向热流， 采用又排方式时， 砌块内部存 在明显横向热流，这就说明砌块孔洞采用叉排方式可以延长 砌块内部热传导的路径， 其效果是使得热阻增大， 从而降低传 热系数。 3 结论 ( 1 ) 在夏热冬暖地区， 砌块自身材料及孔洞填充材料、 孔 洞排数及排列方式是影响自保温砌块传热系数的主要因素， 宜在综合考虑这些因素的基础上进行设计。 ( 2 ) 当砌块孔洞无填充物时， 影响砌块传热系数的首要因 素是孔洞排数； 当孔洞内 填充保温材料时， 影响砌块传热系数 的关键因素是砌块自 身材料及孔洞填充材料的导热系数。 ( 3 ) 就现阶段建筑节能要求来看， 在建筑砌块设计时， 采用 3 4 新型建筑材料 2 0 1 1 6 5 】 姜跃华， 刘勇 ， 林初夏 ， 等 郑州氧化铝 厂赤泥化学和矿物学特征 及资源化利用探讨 J _轻金属 ， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 1 8 2 1 6 曲永新 ， 关文章 ， 张永双 ， 等 炼 铝工业固体废料 ( 赤泥) 的物质组 成与工程特性及其 防治利用研究 J 1 工程地质学报 ， 2 0 0 0 ， 8 ( 3 ) ： 2 9 6 3 05 7 P i c a r o ， P e i T， K a n e B， e t S e p a r a t i o n a n d mi n e r a l o g i c a l a n al y s i s o f b a y e r r e d m u d D e v e l o p m e n t s i n C h e mi c a l E n g i n e e r i n g a n d Mi n e r al P r o c e s s i n g ， 2 0 02( 1 0 )： 4 7 5 -4 9 0 【 8 赵苏 ， 张乐， 郭兴华 赤泥复合激发剂 对粉煤灰的激 发作 用【 J 】 沈 阳建筑大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 4 ) ： 6 1 6 6 1 9 9 P a n Z h i h u a ， C h e n g L i n ， L u Y i n o n g ， e t H y d r a t i o n p r o d u c t s o f a l k a l i a c t i v a t e d s l a g r e d mu d e me n t i t i o u s ma t e r i a l J 1 C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 2， 3 2： 3 5 7 3 6 2 【 1 0 】 A雪， 孙恒虎， 冯向鹏， 等矿物掺和料对铝业赤泥基胶凝材料 力学性 能影响 的研究 J 】 矿业快报 ， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 2 9 3 2 1 1 窦广陵 赤泥一 粉煤灰加气 混凝土新 型 自保温墙 体材料 的试 验 研 究【 D 重庆 ： 重庆交通大学， 2 0 1 0 1 2 黄迎超 ， 王宁 ， 万军 ， 等 赤泥 综合利用 及其放射 性调控技 术初 探 J 1 矿物岩石地球化 学通报 ， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 2 8 1 3 0 【 1 3 陈英 民， 许 家昂， 李福生 山东省掺工业废渣新型墙体材 料天然 放射性水平调查 J 】 _辐射 防护 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 5 ) ： 3 1 4 3 1 8 A 3 - 4 排孔的砌块比较经济合理， 当成形工艺、 材料技术等技术条 件更加成熟时， 可以考虑设计5 排孔以上的高性能节能砌块。 ( 4 ) 孔洞采用叉排的方式有助于砌块传热系数的降低， 采 用3 排以 上的孔型设计时， 宜采用叉排孔洞的方式。 参考文献 ： 1 J G J 7 5 2 o o 3 ， 夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准【 S 】 2 G B 5 0 1 8 9 - 2 0 0 5 ， 公共建筑节 能设计标准 s 】 3 3 胡达 明 夏热冬暖地 区外保温复合墙 体热工性能指标 探讨 J 】 新 型建筑 材料 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 3 5 3 7 4 王沁 芳， 王智 ， 张朝 辉 轻集料 混凝土空心 砌块热 工性能及其 改 善措施 fJ 】 新型建筑材料 ， 2 0 0 6( 6 ) ： 5 8 6 0 【 5 】 闰国军， 魏永生 ， 田海龙 保温 自承重混凝 土小型 空心砌块块 型 设计 J 1 天津建设科技， 1 9 9 9( 4 ) ： 3 0 3 2 6 I6 夏赞 ， 宋 志晨 ， 赵肠 关 于 二 影响砌块 节能效果 的因素分析f J 】 低温 建筑 技术， 2 0 0 5( 3 ) ： 9 5 9 6 7 郑俊 卿， 孙敬东 ， 赵 恩山 改善严 寒地 区混 凝土空心 砌块 的保温 性 能 建筑砌块与砌块建筑 ， 2 0 0 1 ( 3 ) ： 4 2 4 3 A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m