(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

赤泥是生產(chǎn)氧化鋁過程中的工業(yè)固廢，每噸氧化鋁產(chǎn)生的赤泥達(dá)1～1.5 t[1]，其強(qiáng)堿性特征除導(dǎo)致赤泥資源化處置的水平極低外，還對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響[2]。根據(jù)生產(chǎn)工藝和鋁土礦石品位的不同，赤泥分為燒結(jié)法、拜耳法和聯(lián)合法3種。近年來，學(xué)者們對(duì)燒結(jié)法赤泥和拜耳法赤泥進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[3-6]中的研究表明，具有水化膠凝活性的燒結(jié)法赤泥(含2CaO·SiO2)可與粉煤灰、水泥和礦渣等原料結(jié)合，用于燒結(jié)磚、水泥填土等，且性能優(yōu)良；文獻(xiàn)[7-8]利用燒結(jié)法加工出耐水性能良好的赤泥地聚物纖維板和輕質(zhì)建材。我國赤泥主要為拜耳法赤泥，其富含的無膠凝活性硅鋁成分及以結(jié)合態(tài)存在的堿金屬化合物需被高溫激活才能用作膠凝材料的原料，這不利于其規(guī)?；幹肹9]。文獻(xiàn)[10]中的研究表明，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的水玻璃(Na2SiO3·9H2O)作為激發(fā)劑，其提供的Na2O和[SiO4]4-能有效激發(fā)礦渣和赤泥，可制備出具較高力學(xué)性能的赤泥-堿礦渣基膠凝材料。若將上述方法中的水玻璃用富含3CaO·SiO2的硅酸鹽水泥和礦渣微粉混合物替換，并采用秸稈粉末提供活性含硅鋁成分與纖維成分，可使上述赤泥-堿礦渣基膠凝材料易被施工，還能將大量的農(nóng)作物固廢用作建材原料。因此，筆者利用拜耳法赤泥、秸稈、礦渣微粉、硅酸鹽水泥等為原料，制備赤泥膠凝材料及其秸稈輕質(zhì)砂漿試樣，并對(duì)其性能進(jìn)行表征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

拜耳法赤泥，由廣西信發(fā)鋁業(yè)有限公司提供，含水率為18.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；S95等級(jí)礦渣微粉，為安徽馬鋼嘉華新型建材有限公司生產(chǎn)；P.O 42.5水泥，為馬鞍山海螺有限公司生產(chǎn)；秸稈粉(簡稱秸稈)、小麥秸稈，取自阜陽某農(nóng)村秸稈處置中心，秸稈長度≤4 mm。各原料主要化學(xué)成分如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)原料的化學(xué)組成，w/%Tab.1 Chemical composition of experiment materials，w/%

1.2 原料配比設(shè)計(jì)

赤泥膠凝材料由赤泥、礦渣微粉、P.O42.5水泥均勻混合而成。保持水灰比為0.7(水和赤泥膠凝材料粉體的質(zhì)量之比)和赤泥含量(50%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))不變，改變礦渣微粉和水泥的比例，探尋赤泥膠凝材料中水泥和礦渣微粉的最優(yōu)配比。以最優(yōu)配比的礦渣微粉與水泥為基礎(chǔ)，保持其和水灰比0.7不變，改變赤泥含量，優(yōu)化出最佳的赤泥膠凝材料組成。在此基礎(chǔ)上，保持水灰比0.7不變，向赤泥膠凝材料的泥漿中添加不同摻量的秸稈，研究秸稈摻量對(duì)赤泥膠凝材料-秸稈輕質(zhì)砂漿(簡稱赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿)試樣性能的影響，其中秸稈添加量分別占膠凝材料泥漿容積的0%，10%，20%，30%，40%，50%(體積分?jǐn)?shù))。

1.3 試樣的制備

1.3.1 赤泥膠凝材料凈漿硬化試樣的制備

將赤泥放入干燥箱中于120℃條件下烘干后，投至球磨機(jī)的球磨罐中，用Φ30 mm的氧化鋁球球磨0.5 h獲得赤泥粉體；按照設(shè)計(jì)的配比稱取一定量的水泥、礦渣微粉、赤泥粉，和少量(約20個(gè))的Φ30 mm氧化鋁球(作為攪拌介質(zhì))且一并投入球磨機(jī)的球磨罐中，在球磨罐中混合0.5 h，混勻原料，獲得赤泥膠凝材料；取出赤泥膠凝材料，按照水灰比0.7，在凈漿攪拌機(jī)中加入水將其攪拌成赤泥膠凝材料凈漿。凈漿制備的具體步驟為：按照設(shè)定水灰比，先將膠凝材料加入攪拌鍋內(nèi)再緩慢加入水，慢攪60 s和快攪90 s，獲得拌勻的膠凝材料凈漿。將凈漿澆注入40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂三聯(lián)試模中，通過振搗方法除去凈漿中的氣泡，靜置24 h后脫模，將脫模后的試樣放入濕度90%、標(biāo)準(zhǔn)室溫(20±2)℃的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，獲得齡期為3，7，28 d的赤泥膠凝材料凈漿硬化試樣(簡稱赤泥凈漿硬化試樣)。

1.3.2 赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣的制備

按照赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣的配比配料(秸稈預(yù)濕)，將其加入砂漿攪拌機(jī)中干拌2 min，再加入水濕拌3 min(水灰比0.7)，制得赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿。將砂漿澆注入40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂三聯(lián)試模中，通過振搗方法去除攪拌時(shí)帶入砂漿中的氣泡，靜置24 h后脫模，將脫模后的試樣放入濕度90%、標(biāo)準(zhǔn)室溫(20±2)℃的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，獲得齡期為3，7，28 d的赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣。

1.4 性能表征

采用X射線熒光光譜分析儀(XRF，ARLADVANT'X IntellipowerTM3600型，德國布魯克公司生產(chǎn))分析原料的化學(xué)組成；采用MTS Exceed E44電子萬能試驗(yàn)機(jī)(MTS系統(tǒng)(中國)公司生產(chǎn))測試各齡期試樣的抗折和抗壓強(qiáng)度及軟化系數(shù)(軟化系數(shù)為試樣在水飽和狀態(tài)和干燥狀態(tài)下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比)；試樣容重、吸水率按照GB/50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性性能試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行測試；采用穩(wěn)態(tài)法測試試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，試樣尺寸為Φ135 mm×40 mm，YBF-3型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，杭州大華儀器制造有限公司制造；使用日本電子公司生產(chǎn)的JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣截面的顯微形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 赤泥膠凝材料的力學(xué)性能

赤泥膠凝材料的組成為質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的赤泥+質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的水泥與礦渣，改變水泥與礦渣含量、赤泥含量不變，赤泥膠凝材料凈漿硬化試樣各齡期抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)如圖1。從圖1可看出，隨著水泥摻量的降低，試樣的抗壓強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)椋寒?dāng)水泥與礦渣質(zhì)量比在一定范圍內(nèi)減小時(shí)，盡管水泥含量有所降低，但只要水泥中的堿含量足夠激發(fā)礦渣的活性，就會(huì)使試樣強(qiáng)度隨著水泥含量降低(即礦渣含量增大)而增大；隨著水泥含量的進(jìn)一步降低，其對(duì)礦渣的堿激發(fā)效果減弱，導(dǎo)致試樣的強(qiáng)度隨之降低，其中水泥與礦渣質(zhì)量比為1∶3時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度最大，3，7，28 d齡期的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)4.3，6.5，8.0 MPa。

圖1 水泥與礦渣配比對(duì)赤泥凈漿硬化試樣抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of cement-slag mass ratio on the compressive strength of hardened specimens of red mud paste

水泥與礦渣配比(質(zhì)量比為1∶3)不變，赤泥加入量對(duì)赤泥凈漿硬化試樣各齡期抗壓強(qiáng)度的影響如圖2。從圖2可看出：隨著赤泥量的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度隨之降低，表明赤泥中SiO2、Al2O3和Na2O成分處于被結(jié)合和惰性狀態(tài)[11]，故在赤泥膠凝材料的赤泥-水泥-礦渣三元組成中，增加赤泥含量會(huì)降低赤泥凈漿硬化試樣的力學(xué)性能，其中赤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，試樣3，7，28 d齡期的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)6.0，8.6，10.5 MPa，其膠結(jié)性能可滿足(使用量最大的)普通建材的力學(xué)性能要求。JC/T 862—2008“粉煤灰混凝土小型空心砌塊”標(biāo)準(zhǔn)中，要求非承重的建筑圍護(hù)和隔斷墻材的抗壓強(qiáng)度≥3.5MPa[12]。因此，本研究在赤泥膠凝材料的基礎(chǔ)上，采用秸稈作為輕集料，制備赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣，該砂漿澆注成型后可被加工成輕質(zhì)砌塊、墻板等自保溫墻材。

圖2 赤泥含量對(duì)赤泥凈漿硬化試樣抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of red mud content on the compressive strength of hardened red mud paste specimens

2.2 赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿的力學(xué)性能

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

圖3 秸稈摻量對(duì)赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of straw content on the compressive strength of red mud--straw lightweight mortar specimens

圖3為秸稈摻量對(duì)各齡期赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣抗壓強(qiáng)度的影響。從圖3可看出：隨著秸稈摻量的增加，試樣各齡期抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，秸稈體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，試樣的3，7，28 d抗壓強(qiáng)度相對(duì)于不摻加秸稈試樣均大幅降低，其中試樣28 d抗壓強(qiáng)度為7.3 MPa，與不摻加秸稈時(shí)的10.5 MPa相比，強(qiáng)度降低了30.6%，這是由于摻入秸稈帶入的大量空隙所致。但是當(dāng)秸稈體積分?jǐn)?shù)為10%，20%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度相近，而后隨著秸稈摻量的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度開始降低，但降低幅度不大，表明試樣中秸稈粉末的活性含硅鋁成分具備參加水化反應(yīng)的活性，從而有效彌補(bǔ)了因引入秸稈(弱結(jié)構(gòu))集料所導(dǎo)致的強(qiáng)度降低。

2.2.2 抗折強(qiáng)度

圖4為秸稈摻量對(duì)各齡期赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣抗折強(qiáng)度的影響。從圖4可以看出：隨著秸稈摻量的增加，試樣的3，7，28 d抗折強(qiáng)度均增大。其中：秸稈體積分?jǐn)?shù)由0增加到30%時(shí)，試樣的28 d抗折強(qiáng)度增加緩慢，僅增加0.22 MPa；隨著秸稈摻量的繼續(xù)增加，試樣的抗折強(qiáng)度增加明顯，秸稈體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)試樣的抗折強(qiáng)度最大，為1.9 MPa。隨著秸稈摻量增加，試樣體內(nèi)的纖維和活性含硅鋁成分的數(shù)量會(huì)同步增多，使得均勻分布在膠凝材料硬化基體內(nèi)的秸稈纖維具有一定的承載能力和較高的延性；秸稈中活性含硅鋁的成分會(huì)強(qiáng)化秸稈與基體結(jié)合處(及鄰近區(qū)域)結(jié)構(gòu)，有利于增強(qiáng)基體材料的韌性，從而導(dǎo)致試樣的抗折強(qiáng)度隨著秸稈量的增加而提高。

圖4 秸稈摻量對(duì)赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣抗折強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of straw content on the flexural strength of red mud--straw lightweight mortar specimens

2.2.3 軟化系數(shù)

赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣的遇水穩(wěn)定性可用軟化系數(shù)來衡量，圖5為秸稈摻量對(duì)赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣軟化系數(shù)的影響。從圖5可看出：隨著秸稈摻量的增加，試樣28 d的軟化系數(shù)先增大后減小；未摻加秸稈時(shí)，試樣的軟化系數(shù)為0.93，當(dāng)秸稈摻量增加至30%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，試樣的軟化系數(shù)達(dá)最大，為0.97；繼續(xù)增加秸稈摻量，體積分?jǐn)?shù)至50%時(shí)，試樣的軟化系數(shù)卻隨之降低。這是由于：秸稈體積分?jǐn)?shù)不超過30%時(shí)，隨著秸稈摻量的增加，秸稈提供硅鋁成分逐漸增多，生成的凝膠，凝膠及其碳化產(chǎn)物CaCO3等耐水性產(chǎn)物[13]可將不耐水的秸稈顆粒有效包裹，致使試樣的軟化系數(shù)隨秸稈量的增加而增大；隨著秸稈量的繼續(xù)增加，體系中產(chǎn)生的耐水性產(chǎn)物不足于將不耐水的秸稈顆粒有效包裹，從而導(dǎo)致試樣的軟化系數(shù)隨秸稈量的繼續(xù)增加而降低。摻加秸稈的試樣軟化系數(shù)均高于未摻加秸稈試樣，表明秸稈中的無機(jī)組分參與水化反應(yīng)會(huì)提高試樣結(jié)構(gòu)的遇水穩(wěn)定性。

圖5 秸稈摻量對(duì)赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣軟化系數(shù)的影響Fig.5 Effect of straw content on the softening coefficient of red mud--straw lightweight mortar specimens

2.3 赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿的其他物理性能

2.3.1 容重和導(dǎo)熱系數(shù)

圖6 秸稈摻量對(duì)赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣容重和導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.6 Effect of straw content on the specific weight and thermal conducting coefficient of red mud--straw lightweight mortar specimens

圖6為秸稈摻量對(duì)赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣容重和導(dǎo)熱系數(shù)的影響曲線。從圖6可看出：隨著秸稈摻量的增加，試樣的容重逐漸降低，但降低幅度較小，由無秸稈摻量時(shí)的1.54 g/cm3逐漸降低至秸稈體積分?jǐn)?shù)50%時(shí)的1.41 g/cm3，減小了約8.44%；隨著秸稈摻量的增加，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)降低，且秸稈體積分?jǐn)?shù)在30%～40%時(shí)降低速率增大，當(dāng)秸稈體積分?jǐn)?shù)由0增加至50%時(shí)，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)λ由0.63 W/(mK)下降至0.40 W/(mK)，說明秸稈的輕質(zhì)疏松結(jié)構(gòu)(秸稈內(nèi)部的孔隙較多，平均孔隙率可達(dá)83.5%[14])中夾帶的空氣對(duì)試樣的熱阻增大起到促進(jìn)作用；秸稈體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，試樣已具備一定實(shí)用性的保溫隔熱效果，λ=0.40 W/(mK)。

2.3.2 吸水率

圖7為秸稈摻量對(duì)赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣吸水率的影響。從圖7可看出：隨著秸稈摻量的增加，試樣的48h吸水率先減小后增加，最低吸水率為13.9%(秸稈體積分?jǐn)?shù)為30%)；秸稈體積分?jǐn)?shù)由0增加至30%時(shí)，試樣的吸水率下降幅度較大，下降約10%；秸稈摻量繼續(xù)增加時(shí)，試樣的吸水率又隨之增大，但增幅不大。導(dǎo)致上述現(xiàn)象和秸稈的雙重作用有關(guān)，即秸稈量增加導(dǎo)致的空隙量和其提供的活性含硅鋁成分含量同步增大，當(dāng)空隙量增加對(duì)吸水率貢獻(xiàn)小于活性含硅鋁成分的結(jié)構(gòu)致密作用時(shí)，試樣吸水率隨秸稈量增加而降低，反之吸水率隨之增大。

圖7 秸稈摻量對(duì)赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣吸水率的影響Fig.7 Effect of straw content on the water absorption of red mud--straw lightweight mortar specimens

2.4 赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿的微形貌

圖8為秸稈體積分?jǐn)?shù)為30%的赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣截面微形貌的SEM照片。從圖8可看出，赤泥膠凝材料的水化產(chǎn)物和未反應(yīng)物形成了較為致密的結(jié)構(gòu)，且在秸稈纖維的表面出現(xiàn)了明顯的水化膠凝產(chǎn)物，水化膠凝產(chǎn)物可將秸稈纖維緊密包裹。秸稈的這種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可解釋秸稈加入赤泥膠凝材料，其力學(xué)性能(尤其是抗折強(qiáng)度)顯著提升；同時(shí)秸稈表面的析出產(chǎn)物也給秸稈中的無機(jī)成分作為活性膠凝組分參與水化反應(yīng)提供了有力證據(jù)。

圖8 赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣截面SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM photo of cross-section of red mud-straw lightweight mortar specimen

3 結(jié) 論

以拜耳法赤泥、礦渣微粉、水泥(P.O42.5)和秸稈為原料，制備赤泥膠凝材料及赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣，研究秸稈摻量對(duì)赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣性能的影響，得出以下主要結(jié)論。

1)由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的赤泥和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的水泥、礦渣制備赤泥膠凝材料時(shí)，隨著水泥、礦渣混合物中水泥含量的減少，膠凝材料凈漿硬化試樣的各齡期抗壓強(qiáng)度先增大后降低，且m(水泥)/m(礦渣)=1∶3時(shí)的3，7，28 d齡期試樣均具最大的抗壓強(qiáng)度，分別為4.3，6.5，8.0 MPa。

2)赤泥膠凝材料中，加入體積分?jǐn)?shù)為10%的秸稈可降低赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣的3，7，28 d齡期抗壓強(qiáng)度，但秸稈體積分?jǐn)?shù)超過10%，赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣的抗壓強(qiáng)度隨秸稈量增加降低幅度減??；隨著秸稈摻量的增加，赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣的3，7，28 d齡期抗折強(qiáng)度均增大，秸稈體積分?jǐn)?shù)增加至50%時(shí)，試樣的28 d抗折強(qiáng)度為1.9 MPa；與無秸稈試樣相比，赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣的軟化系數(shù)較高。

3)赤泥-秸稈輕質(zhì)砂漿試樣的導(dǎo)熱系數(shù)隨著秸稈摻量增大而降低，從無秸稈試樣的0.63 W/(mK)降低至秸稈體積分?jǐn)?shù)為50%試樣的0.40 W/(mK)；但試樣容重隨之降低的幅度不大，僅由無秸稈試樣的1.54 g/cm3降低至秸稈體積分?jǐn)?shù)為50%試樣的1.41 g/cm3。