赤泥活性改进及其对水泥熟料性能的影响研究

董朋朋，尹东杰，韩玉芳

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.北新集团建材股份有限公司，北京 102209；3.石家庄铁道大学，河北石家庄 050043）

0 引 言

绿色建材是指在全生命周期内可减少对天然资源消耗和减轻对生态环境影响，具有“节能、减排、安全、便利和可循环”特征的建材产品。自20 世纪90 年代我国全面开展绿色建材研究以来，我国绿色建材技术研发、应用和推广取得了一定的成果。绿色建材的应用可以节约资源、促进生态环境的保护和发展、引导建设产业走上可持续发展之路。赤泥等工业固废材料的积极使用符合我国环境及资源保护理念，可以促进我国经济和社会的发展。

赤泥是从铝土矿中提炼氧化铝排出的工业固体废物，外观与赤色泥土相似，因此也称红泥。一般每生产1 t 氧化铝，会产生1.0～2.0 t 赤泥。随着铝工业的发展和铝土矿石品位的降低，赤泥的排放量越来越大[1-2]。大量赤泥在陆地堆放，污染环境，已经对人类的生产及生活造成多方面的直接和间接的影响。因此，对赤泥进行资源化利用已迫在眉睫。赤泥在建材领域的应用消耗量大，而且生产成本低廉，无疑是资源化利用的有效途径，对发展新型建筑材料也有一定的意义[3]。

水泥和水泥基材料是当今世界最大宗的建筑材料，但是在水泥熟料中掺加赤泥通常会造成水泥强度的下降，因此在水泥熟料中应用的赤泥较少[4-7]。赤泥中具有相当数量的无定型铝硅酸盐物质，在水泥水化过程中与之发生火山灰反应，从而具有胶凝性[8]。本文开展了赤泥活性的改进及对水泥熟料性能的影响研究：将赤泥焙烧活化，与具备较高早期水化活性的高性能水泥熟料结合，再配合外加剂的作用，以克服赤泥对水泥强度的不良影响。

1 材料与方法

1.1 原材料

水泥熟料：河北石家庄鼎鑫水泥厂，主要化学成分见表1；外加剂A：郑州聚力化工产品有限公司；砂：ISO 标准砂；石：5～20 mm 连续级配碎石；赤泥：河南郑州上街铝厂，密度2.993 g/cm3，主要化学成分见表2。因为烘干后的赤泥颗粒形貌与干砂相似，故参照GB/T 14684—2001《建筑用砂》中的筛分法对其颗粒级配进行分析，干赤泥的颗粒级配见图1，经计算得出赤泥的细度模数为1.5，略小于细砂（2.2～1.6）。

表1 水泥熟料的主要化学成分 %

表2 赤泥的主要化学成分 %

图1 赤泥的颗粒级配

1.2 试验方法

1.2.1 赤泥活化方法

（1）赤泥采用高温箱式电阻炉（最高烧结温度1600 ℃）焙烧的方式进行活化，以焙烧温度和焙烧时间为因素，设计2 因素3 水平正交试验，因素水平见表3。在水泥熟料中掺加10%焙烧后的赤泥，混合均匀，制备水泥胶砂试件，以28 d 抗压强度为指标，确定赤泥的最佳焙烧活化制度。

表3 正交试验因素水平

（2）采用最佳焙烧活化制度处理的赤泥，按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》，分别测试赤泥-水泥熟料体系及外加剂A-赤泥-水泥熟料体系胶砂试件的3 d、28 d 强度，讨论赤泥对水泥强度影响及改善研究。胶砂试件的基准配比为：m（水泥熟料）∶m（标准砂）∶m（水）=2∶6∶1，赤泥掺量（按占水泥熟料与赤泥总质量计）分别为0、10%、20%、30%。

1.2.2 基准混凝土配合比设计方法

基准混凝土配合比设计按照GB 8076—2008《混凝土外加剂》，应符合以下规定：水泥用量（采用碎石时）（330±5）kg/m3，砂率36%～40%，外加剂掺量（按占水泥熟料与赤泥总质量计）控制在0～3%，控制用水量使混凝土坍落度为（80±10）mm。

2 结果与讨论

2.1 赤泥焙烧活化最佳制度选择

按照正交试验设计方案对赤泥进行活化处理，试验结果及分析如表4 所示。

表4 正交试验设计及结果分析

由表4 可知：焙烧温度对胶砂28 d 抗压强度的影响较大；2 个因素间交互作用不显著，不需要分析各因素交互作用。随焙烧温度的升高，胶砂28 d 抗压强度逐渐降低；随焙烧时间的延长，胶砂28 d 抗压强度先提高后降低。以水泥胶砂28 d抗压强度为指标，赤泥焙烧活化的最优方案为A1B2，即：焙烧温度为500 ℃，焙烧时间为60 min。

焙烧热处理对激发赤泥的潜在活性有一定的效果。分析其原因可能是：一方面，赤泥中的一些含水矿物脱水，原来的结构失去稳定，从而活性增加；另一方面，赤泥经过焙烧处理之后有更多的β-C2S 类具有后期水硬性矿物生成，从而对长期强度有利。

2.2 赤泥对水泥强度的影响

赤泥-水泥熟料体系及外加剂A-赤泥-水泥熟料体系胶砂试件的3 d、28 d 强度测试结果分别见表5、表6。

表5 赤泥-水泥熟料体系胶砂强度测试结果

表6 外加剂A-赤泥-水泥熟料体系胶砂强度测试结果

由表5、表6 可知，随赤泥掺量的增加，赤泥-水泥熟料体系的早期强度降幅较小，尤其是当赤泥掺量为10%时，与纯水泥体系的抗压强度相差不大，说明赤泥由于其本身颗粒微细，掺量较少时起到填充的作用，其抗折强度的降幅也较小。但随着赤泥掺量进一步增加，胶砂试件的强度，特别是抗压强度下降明显。掺加外加剂A 对胶砂的28 d 抗折、抗压强度影响不大，但对胶砂的3 d 抗折、抗压强度提高作用非常明显，抗折强度提高10.4%～12.7%，抗压强度提高16.5%～21.6%。

2.3 赤泥对混凝土早期强度的影响

基准混凝土配合比设计过程中发现，由于本研究粗骨料属单粒级，故将砂率调为44%，活性赤泥掺量设定为10%，基准混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥熟料）∶m（赤泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）=297∶33∶862∶1098∶220，不同外加剂A 掺量赤泥混凝土的性能如表7 所示。

表7 不同外加剂A 掺量赤泥混凝土的性能

由表7 可见，掺入1.0%外加剂A 对赤泥混凝土的坍落度无影响，却能提高赤泥混凝土的早期强度，1、3 d 抗压强度增长率分别为41%、23%；外加剂A 掺量为1.5%～3.0%时，赤泥混凝土拌合物的坍落度增大到90 mm，并保持不变。在3.0%掺量范围内，外加剂A 对赤泥混凝土的1 d、3 d 抗压强度都有很大的提高作用；外加剂A 掺量为2.0%时，1 d、3 d 抗压强度增长率分别为46%、34%，应用效果相对最好。

3 结 论

（1）赤泥在500 ℃焙烧处理60 min 后的活性激发效果最明显，此焙烧制度可以有效提高赤泥的活性。

（2）水泥熟料中掺加经活化后的赤泥，体系的早期强度降幅较小，尤其是当赤泥掺量为10%时，与纯水泥体系的强度接近，但随着赤泥掺量的增加，胶砂试件的强度，特别是抗压强度下降明显。

（3）在赤泥-水泥熟料体系中掺加外加剂A，可以提高赤泥-水泥熟料体系的早期和后期强度。外加剂A 与赤泥-水泥熟料体系的适应性良好。

（4）混凝土中掺加10%活化赤泥，外加剂A 掺量为1.0%时对赤泥混凝土拌合物的坍落度无影响；外加剂A 掺量为2.0%时，1 d、3 d 抗压强度增长率分别为46%、34%，应用效果相对最好。