CaO改性赤泥固化剂固化黄土的力学性能研究

陈立东，宋志伟

(1.山西建筑职业技术学院实验实训教学部，晋中 030619;2.太原理工大学建筑与土木工程学院，太原 030024)

0 引 言

赤泥是在生产氧化铝过程中产生的工业废渣，由于我国工业化水平的快速发展，氧化铝产能逐年提升，同时也产生了大量的赤泥。目前赤泥主要以赤泥堆场的方式存放，堆场中大量的赤泥不仅会消耗土地资源，也会给堆场周边带来一系列的环境问题，造成严重的土地盐碱化及地下水污染[1-2]。拜耳法赤泥是使用拜耳法生产氧化铝产生的赤泥，在生产氧化铝的过程中，赤泥颗粒以极细的废渣排出，由于大部分颗粒组分在溶液中反应而失去活性，因此赤泥的活化成为了目前研究的重点。

赤泥的活化主要分为机械活化[3]、热活化[4]、酸碱或酸碱性材料活化等方式，采用酸碱或酸碱性材料对赤泥进行活化可使赤泥的强度有所提升。Kaya等[5]研究了使用HCl并经85 ℃和220 ℃分别处理，对材料结构进行改性，通过扫描电镜、X射线衍射及热重分析等方法，发现赤泥经酸改性并通过煅烧处理可对赤泥活性产生重要影响，同时可提高赤泥的热稳定性。Gladyshev等[6]研究了50%、100%和150%质量分数的碳酸钠对赤泥的影响，对赤泥进行XRD和红外光谱分析，发现赤泥吸热峰的温度随苏打量的增加而降低。史迪等[7]研究了模数2.4的液体水玻璃作为激发剂的激发效果，发现拜耳法赤泥的胶凝活性极低，水玻璃难以激发其活性；烧结法赤泥中含有β硅酸二钙，可用水玻璃作为激发剂激发其活性，在矿渣∶赤泥=3∶7时28 d强度可达65 MPa以上。使用水玻璃可以激发赤泥、矿渣的活性[8]，也可有效增强赤泥、粉煤灰混合材料的强度，当赤泥加入量达到60%～70%时，3 d抗压强度均可达10 MPa以上[9]。黄迪等[10]研究了以天然石膏、脱硫石膏、石灰等材料作为激发剂对赤泥、矿渣胶结填充料的影响，发现脱硫石膏的激发效果最为明显，且掺量占填充材料的1.5%时效果最佳。

研究发现，使用酸碱材料对赤泥进行激发时，使用较多的是HCl、碳酸钠、水玻璃以及脱硫石膏等活化剂，由于拜耳法赤泥中活性材料较少，多数学者的研究重点放在了烧结法赤泥的激发方面，但使用CaO作为改性材料且对拜耳法赤泥的研究较少。本论文主要研究使用CaO作为激发剂对拜耳法赤泥进行激发，考虑不同配比条件下的材料强度，分析改性赤泥固化黄土强度随赤泥添加量和龄期增长的变化规律，探索了基于CaO改性赤泥固化黄土在实际工程中的应用。

1 实 验

1.1 试验材料

试验所用赤泥取自山西吕梁某铝厂，固化所用黄土取自山西太原东山地区某工地，取土深度4～5 m，赤泥和黄土在试验前经风干碾碎过1.25 mm方孔筛，其主要化学成分见表1。

表1 赤泥和黄土的主要化学成分Table 1 Main chemical components of red mud and loess /wt%

试验使用水泥为太原狮头水泥厂生产的标号42.5普硅水泥。使用分析纯CaO作为改性剂，以确保改性剂的纯度。制备试块使用的水为自来水。

1.2 试验方法

将固化材料与黄土混合搅拌均匀后装入搅拌器，加入水后均匀拌和，装入长度为70.7 mm的立方体模具中，放置在振动台上振动5～10 s，每组制备3个平行试样。按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)，在标准环境下养护至待测龄期，使用微机控制电子试验机对各试块进行无侧限抗压强度测试，其中无侧限抗压强度使用qu表示。

1.3 试验配合比设计

在固化黄土试验前，先进行固化剂配合比的优化试验，其中各配比方案见表2，所有材料用量均为与黄土的质量比，其中水泥掺量选取5%、10%、15%，赤泥∶CaO分别为5∶1、3∶1、2∶1，在28 d进行抗压强度测试，测试结果见表2。

研究发现，当水泥掺量为10%时，赤泥∶CaO为3∶1和2∶1时，其固化黄土的qu均大于5%及15%水泥掺量；而当赤泥∶CaO为3∶1时，qu达到最大值，且在10%水泥掺量的条件下，分别较5∶1及2∶1的涨幅达39.2%和7.6%。

根据上述分析，制备以10%水泥掺量，赤泥∶CaO为3∶1的固化剂方案，而赤泥、CaO和水泥均以黄土为基准，赤泥掺量用cRM表示，试验方案见表3。由于赤泥吸水性较强，而CaO在反应过程中也要消耗更多的水，所以各方案含水率分别从27%增加至31%，即每增加15%的赤泥，添加1%的水作为补偿，含水率为水占实验材料总量的百分比。

表2 固化剂配比方案及试块28 d无侧限抗压强度Table 2 Proportioning schemes of curing agent and unconfined compressive strength for 28 d of test blocks

表3 试验方案Table 3 Test scheme

2 结果与讨论

2.1 无侧限抗压强度随改性赤泥掺量的变化

图1 无侧限抗压强度随赤泥掺量的变化曲线Fig.1 Relationship between unconfined compressive strength and red mud content

图1是无侧限抗压强度随赤泥掺量的变化规律图，由图可以看出，随着赤泥的增加，无侧限抗压强度逐渐增大；当赤泥掺量达到45%～60%时，强度变化趋于平缓，并在此区间达到最大值。

使用二次函数对qu-cRM进行拟合发现，曲线可以较好的反应强度变化规律，拟合使用公式(1)：

(1)

式中,qu是无侧限抗压强度，MPa；cRM是赤泥掺量，%；a、b、e分别为常数。

表4是无侧限抗压强度随赤泥掺量变化的参数及最佳预测值，通过R2可以看出，在赤泥掺量为0%～60%时，函数可以较好的体现出强度变化。同样使用各龄期对应的a、b、e值，可以有效预测出试块在该龄期的最大预测强度与相应的赤泥掺量。当龄期在7～28 d时，最大预测强度为4.2 MPa左右，但对应的最适合赤泥掺量略有不同；当龄期达到90 d时，最大预测强度为5.8 MPa，最适合的赤泥掺量为52.12%，这与赤泥掺量为45%的测试值基本相同。

表4 无侧限抗压强度在各龄期下随赤泥掺量变化的参数及最佳预测值Table 4 Parameters and optimum predicted value of unconfined compressive strength with the variation of red mud content at different age

为了研究改性赤泥作为固化剂与水泥作为固化剂固化黄土的强度强化值，定义赤泥强化因子kRM：

kRM=qc=x/qc=0

(2)

式中，kRM是赤泥强化因子；qc=x是cRM=x时的强度，MPa；qc=0是水泥固化黄土的强度，MPa。

表5是kRM值，在较早龄期时(7～14 d)，改性赤泥固化剂的提升幅度较大，赤泥掺量为15%时，强度可以提高3倍以上；当赤泥掺量为30%～60%时，强度可提高5倍以上。在28～90 d龄期，赤泥掺量为15%时，强度提高2倍以上；当赤泥掺量为30%～60%时，强度可提高2.5～4倍。

表5 赤泥强化因子kRMTable 5 Red mud strengthening factor kRM

2.2 无侧限抗压强度随龄期的变化

图2 无侧限抗压强度随龄期的变化Fig.2 Relationship between unconfined compressive strength and curing age

图2是无侧限抗压强度随养护龄期增加的规律图，由图可以看出，随着龄期的增加，强度整体趋于增大的状态，但在7 d和14 d两个龄期，会出现略微降低的情况，这可能是由于赤泥固化剂在较早期时就可以发挥较大的性能，故在7～14 d可以忽略养护带来的强化效果。

观察图2发现，随着养护龄期的增加，无侧限抗压强度呈现出线性增长的趋势，因此使用线性函数(3)进行拟合：

qu=a+bt

(3)

式中，qu是无侧限抗压强度，MPa；t是龄期，d；a、b分别为常数。

表6是强度随龄期增加的参数及R2，由R2可以看出，当养护龄期在7～90 d时，使用简单的线性函数即可有效表征强度的变化，但也要考虑个别赤泥掺量时的变化状态。分析a可以看出，随着赤泥掺量的增加，截距逐渐增大，说明强度在较早龄期时也会相应增强；分析b可以看出，当使用水泥固化剂时，斜率为0.014，而使用改性赤泥作为固化剂时，斜率为0.02左右，表明在相应的养护龄期时，改性赤泥固化剂对强度的增长率比水泥要更好。

表6 无侧限抗压强度在不同赤泥掺量下随龄期增加的参数及R2Table 6 Parameters and R2 of unconfined compressive strength with the variation of curing age at different content of red mud

为了研究养护龄期对固化黄土强度的强化值，定义龄期强化因子kt：

kt=qt=x/qt=7

(4)

式中，kt是龄期强化因子；qt=x是t=xd时的qu，MPa；qt=7是t=7 d时的qu，MPa。

表7是相同赤泥掺量时养护龄期14～90 d与7 d无侧限抗压强度的比值，当使用水泥作为固化剂时，kt明显大于改性赤泥固化剂，这是由于水泥在7 d时的强度较低，使得后期养护效果更为明显，90 d龄期时可达2.7倍以上。当使用改性赤泥作为固化剂时，14 d与28 d在1左右，说明7 d龄期的固化黄土强度可以达到28 d龄期时效果；当养护超过90 d时，强度相对7 d龄期可以达到1.5倍的提升。

表7 龄期强化因子ktTable 7 Curing period strengthening factor kt

2.3 无侧限抗压强度变化的机理分析

由上述分析可知，随着改性赤泥的增加，试块无侧限抗压强度逐渐增大，这是由于改性赤泥固化剂中，不仅包含一部分水泥，同时还有赤泥和CaO。CaO遇水反应生成Ca2+和OH-，在原料拌和时，所加的水量不足以使CaO全部反应，因此固化黄土中的CaO处于过量状态，图3为固化黄土经无侧限抗压强度试验后的压裂面照片，其中白色部分为未反应的CaO。过量的CaO在养护过程中，可以持续反应释放出Ca2+和OH-，Ca2+与黄土中的Na+、K+发生置换反应，改善固化黄土的骨架结构，使土颗粒间的强度提升。另一方面，赤泥中的易溶性矿物溶于孔隙水中，溶解出硅酸根和铝酸根等活性阴离子，这些阴离子与孔隙水中饱和的Ca2+反应，生成了强度较大的硅酸钙、铝酸钙和硅铝酸钙，使改性赤泥可以有效的发挥高强度的作用[11-12]。试块在持续的养护过程中，空气中的水分进入试块内部，促使水泥不断的进行水化反应，同时赤泥在CaO的激发作用下，不断的反应生成活性阴离子，随着养护龄期的不断增加，试块强度也不断增大。

图3 改性赤泥固化黄土抗压试验压裂面照片
Fig.3 Fracture surface of specimen during the compressive test

图4 改性赤泥固化黄土SEM图
Fig.4 SEM image of solidified loess

随着改性赤泥的增加，试块强度也逐渐增大，但最大值出现的范围是改性赤泥掺量为45%～60%区间。这是由于改性赤泥的增加，意味着CaO与赤泥同时增多，但CaO在固定含水量下反应量是不变的，即孔隙水系统中的Ca2+和OH-在CaO过量时会处于饱和状态，故增大范围有限。图4是改性赤泥固化黄土SEM图，分析发现当赤泥逐渐增多时，在OH-的激发下，水解出的活性阴离子也会达到一定限度，因此改性赤泥在固定范围内对固化黄土强度提升效果可以达到最大。

3 结 论

(1)随着赤泥的增加，无侧限抗压强度逐渐增大；当赤泥掺量达到45%～60%时，强度变化趋于平缓，并在此区间达到最大值。使用二次函数可以较好的拟合出满足强度随赤泥掺量变化的规律，并可使用二次函数预测最优赤泥掺量。

(2)随着龄期的增加，改性赤泥固化黄土强度在7～28 d时变化不大；在7～90 d范围内，强度随龄期的增长可以使用线性函数得到较好的表征。

(3)定义了赤泥强化因子和龄期强化因子，并具体分析出赤泥的掺入与养护龄期对试块强度增加的倍数：在28～90 d龄期时，赤泥掺量为15%时，强度提高2倍以上；当赤泥掺量为30%～60%时，强度可提高2.5～4倍之间。