烧结法赤泥生产混凝土的研究探讨
赤泥是氧化铝生产过程产生的最大废弃物, 也是氧化铝厂最大的污染源。全世界每年排放赤泥约6 000 万t, 我国是世界第四大氧化铝生产国, 据统计, 仅河南、山东、山西、贵州、广西等五大铝厂年排放量就达600 万t, 累积赤泥堆存量高达5 000 万t。
赤泥露天堆放, 占据山地和农田, 造成大气污染。堆场上层的碱液大量渗漏到附近农田, 造成土壤沼泽化, 盐碱化, 对地表、地下水造成了不同程度的污染。
自20 世纪60 年代以来, 国内外开始加大对赤泥的研究探讨, 主要体现在以下几个方面: 将赤泥应用于水泥混凝土的研究利用[1- 3] ; 利用赤泥生产水泥[4, 5] ;
从赤泥中提取有价金属[6, 7] ; 利用赤泥做聚氯乙烯复合材料的填料[8]等。其中许多研究都存在赤泥利用量少, 效率低下, 或经济成本过高, 没有实际生产意义, 并且均容易造成二次污染等问题。
将赤泥应用于混凝土砌块生产中是解决赤泥这种工业固体废物资源化的有效途径, 对减轻赤泥堆放区域地下水的污染、企业的经济效益和新型建筑材料的发展都有一定的意义。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
水泥: 焦作市坚固水泥厂325# 普通硅酸盐水泥。比表面积3 900 cm2 /g;
砂: 高硅质砂, 细度模数属于中砂, 比表面积为2 300～2 800 cm2 /g。其性能指标符合我国《建筑用砂》(GB/T 14684—2001) ;
碎石: 为机械破碎后筛分制成的建筑用碎石, 其中粒径10～20 mm 的碎石占70%; 粒径小于10 mm的碎石占30%。其性能指标符合我国《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2001) ;
水: 饮用自来水;
赤泥: 取自河南省焦作市中州铝厂赤泥堆场, 为烧结法一年陈化赤泥, 外观为板结块状, 呈棕黄色;赤泥经110 ℃保温烘干2 小时( 充分干燥) , 0.080 mm方孔筛干法筛余为4%。
中州铝厂赤泥的化学成分如表1 所示。
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1.2 试验方法
从表1、表2 和表3 可以看出, 赤泥含有较高的钙质成分, 并且含有一定数量的硅酸二钙, 经分析,赤泥中有效钙质含量达26%。同时赤泥中含有相当数量的无定形铝硅酸盐物质, 它们在水泥水化过程中放出的氢氧化钙的作用下产生火山灰反应, 从而产生胶凝性。所以赤泥可以作为一种具有胶凝性的钙质材料取代部分水泥, 基于赤泥的这种矿物特性,选择了水泥—赤泥为胶结物来制取混凝土。本试验共设计了两组配合比方案。一组是用磨细赤泥( 通过0.08 mm 的方孔筛, 筛余量不超过4%) 分别代替15%、20%和25%水泥制取的水泥赤泥混凝土; 另一组是用经700 ℃煅烧的赤泥分别代替15%、20%和25%水泥制取的水泥赤泥混凝。
本试验选用混凝土的设计强度等级为C20 的混凝土, 坍落度为25～50 mm。成型的混凝土试件在20 ℃左右的湿空气中养护至预定龄期分别测定抗折和抗压强度。
混凝土配制强度按下式计算:
fcu.o ≥ fcu.k + 1.645 σ
式中: fcu.o —混凝土配制强度(MPa) ;fcu.k —混凝土立方体抗压强度标准值(MPa) ;
σ—混凝土强度标准差(MPa) ;1.645—混凝土的强度保证率达95%时的概率度。
当混凝土强度等级为C20 时, σ=2.5 MPafcu.o = 20+1.645 ×2.5 = 24 MPa
根据配制强度计算配合比为:水泥∶砂∶石∶水=1∶1.38∶2.94∶0.46。
表4 配合比方案 |
2 试验结果及讨论
2.1 水泥赤泥混凝土强度测试与分析
表5 为赤泥水泥混凝土的强度测试结果。
表5 水泥赤泥混凝土强度试验结果 |
由表5 结果可以看出, 用磨细赤泥代替部分水泥, 形成水泥赤泥混凝土, 当赤泥代替水泥用量较合适时, 可以获得满意的强度。如用赤泥代替15%的水泥的水泥赤泥混凝土, 在抗折强度与基准水泥混凝土的抗折强度相当, 特别是当龄期达28 天的时候, 抗折强度更为接近。虽然在抗压强度方面不如基准水泥混凝土, 但是都能满足强度为C20 的混凝土的强度要求; 当赤泥代替水泥用量达到20%时, 其抗压强度相对于基准水泥混凝土有相当程度的降低, 但是抗折强度依然比较接近; 当赤泥代替水泥用量达到25%时, 其抗压强度和抗折强度相比于基准水泥混凝土都有明显降低。这说明了赤泥代替水泥用量有一定的范围, 超过这个范围, 会引起混凝土力学性能的大幅度降低。
通过表5, 还可以看出水泥赤泥混凝土从7 天到28 天的抗折强度增长速度比水泥混凝土快。虽然水泥赤泥混凝土在7 天龄期的时候, 抗折强度要比基准水泥混凝土低, 但28 天龄期的水泥赤泥混凝土相对增加的抗折强度比水泥混凝土要大。
以上试验结果表明磨细赤泥颗粒细微。一方面起到了对混凝土孔隙的填充作用, 另一方面, 也表明了磨细赤泥因为一定量的无定形铝硅酸盐和活性硅酸二钙存在, 对混凝土的强度有一定的补强作用。
2.2 掺入经700 ℃煅烧赤泥的水泥赤泥混凝土强度测试结果
表6 水泥在700 ℃煅烧赤泥混凝土强度试验结果 |
从表6 可以看出, 经700 ℃煅烧处理的赤泥制作水泥赤泥混凝土, 其不同龄期的强度均有不同程度的增加, 尤其是赤泥掺量较多时的后期抗压强度增长幅度较大。抗折强度有一定程度的增加, 但幅度较小。这说明对赤泥进行煅烧处理, 对它潜在的活性有一定的激发作用。说明赤泥经煅烧处理后有一定量的活性硅酸二钙, 如β- C2S 等一些水硬性矿物质的形成, 在对不同温度下的赤泥( 300 ℃、500 ℃、700℃、900 ℃) 进行X 射线衍射分析和红外光谱分析,
结果证实了在经一定温度( 700 ℃以上) 的煅烧后,有相当数量的β- C2S 形成。另外, 经过煅烧处理, 使赤泥中一些含水矿物的结晶水, 乃至结构水脱去, 致使赤泥原有结构被破坏, 形成无定形的亚稳结构, 从而使赤泥的活性增加。
3 结论与讨论
(1) 当赤泥代替水泥用量在15%左右时, 水泥赤泥混凝土的强度, 特别是抗折强度与普通水泥混凝土强度相当, 抗压强度也能达到设计要求。当赤泥代替水泥的用量超过20%时候, 其强度有比较明显的下降;
(2) 利用700 ℃煅烧预处理赤泥, 可以激发赤泥的潜在活性, 使水泥在700 ℃煅烧赤泥混凝土强度的抗折、抗压强度均有不同程度的改善, 基本上都高于相同掺量赤泥的水泥赤泥混凝土强度。
(3) 利用经一定温度煅烧处理的赤泥代替部分水泥制作混凝土砌块等, 强度符合要求, 工艺简单,有一定的社会、经济、环境效益。
参考文献
1 颜祖兴.水泥赤泥混凝土开发应用研究[ J] .混凝土,2000( 10) : 18- 19.
2 梁乃兴, 张登良, 颜祖兴.水泥赤泥混凝土强度形成机理[ J] .西安建筑科技大学学报, 1996, 28( 2) :148- 150.
3 吴波, 张德成, 张昭忠, 等.利用赤泥生产加气混凝土砌块的研究[ J] .中国资源综合利用, 2005( 6) :29.
4 张培新.利用赤泥制备硫铝酸盐快硬水泥的研究[ J] .环境污染与防治, 2000, 22( 6) : 16- 17.
5 张彦娜, 潘志华, 李东旭, 等.赤泥用作高性能水泥调节组分的研究[ J] .南京工业大学学报, 2004( 5) :22- 23.
6 张江娟, 邓佐国, 徐廷华.从赤泥盐酸浸出液中提取钪[ J] .有色金属再生与利用, 2006( 8) : 19- 21.
7 从赤泥中回收铁的方法[ J] .环保化工, 2006, 26(4) :271.
8 李国昌, 刘绪政.赤泥对聚氯乙烯软膜透光率的影响[ J] .非金属矿, 2001, 24( 4) : 28- 29.
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