赤泥作为胶凝材料的可行性研究

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摘 要：本文以拜耳法赤泥、矿渣、粉煤灰等工业废渣为主要原料研究并制备碱激发胶凝材料，并通过正交试验找出赤泥、矿渣和粉煤灰的最佳配比，制备性能较好的碱激发胶凝材料。

关键词：赤泥；碱激发；正交试验

1 概述

赤泥是氧化铝冶炼工业生产过程中排出的固体粉状废弃物，因其外观颜色与赤色泥土相似而得名。我国是世界第四大氧化铝生产国，每生产1吨氧化铝约产赤泥1～1.7吨，据不完全估计，全世界每年排放赤泥约6000万吨。我国每年排出的赤泥量达600万吨以上，累积赤泥堆存量高达5000万吨，其利用率仅为15%左右，随着铝工业的发展和铝矿石品位的降低，赤泥排放量将越来越大，必须对赤泥再处理加以利用，才能变废为宝减少污染。目前大量的赤泥仍然排往堆场堆积，筑坝湿法堆存，且靠自然沉降分离对溶液返回再用，该法易使大量废碱液渗透到附近农田，造成土壤碱化、沼泽化，污染地表地下水源。赤泥引起了越来越多的技术、经济和环境问题，随着社会对环境保护工作的重视，迫切要求氧化铝工业实现无害排放或零排放。

2 试验原材料

2.1 拜耳法赤泥

（1）拜尔法赤泥的化学组成

拜耳法赤泥的化学组成比较复杂，主要包括Al2O3、SiO2、Fe2O3、Cao、MgO、Na2O、K2O。此外，还含有少量稀有金属和放射性元素。本次试验所用拜耳法赤泥的化学组成如下表1所示。

2.3 粉煤灰

（1）粉煤灰的化学组成

粉煤灰的化学成份看主要是SiO2、Al2O3和Fe2O3，高钙灰则含有较多的CaO。从矿物组成看主要是硅、铝氧化物的玻璃体和部分石英、莫来石、赤铁矿等结晶矿物。它们具有高温下的烧结性能：有与CaO等碱性矿物在高温下反应生成能水化硬化的矿物的性能；有与CaO等碱性物质在水中生成胶凝物质的性能，因此，它是建筑材料很好的原料。

（2）粉煤灰中的活性成分

粉煤灰主要由结晶体、玻璃体组成。在结晶体中，有石英和莫来石。玻璃体的主要成分是Al2O3和SiO2。铝硅玻璃体（SiO2与Al2O3总含量在60％以上）是粉煤灰的主要组成成分，也是粉煤灰活性的主要来源，大锅炉排放的粉煤灰，玻璃体的含量较高;小锅炉排放的粉煤灰玻璃体含量低，粉煤灰能同生石灰、石膏等在一定条件下生成水化硅酸盐和水化铝酸盐等，而使所制备材料获得强度。（3）粉煤灰的细度要求

细的粉煤灰表而积大,产生的可溶性SiO2、Al2O3多,相应生成的水化物就多，这有利于提高胶凝材料强度，本实验采用某电厂粉煤灰化学组成如表2所示。

2.4 碱激发剂

本实验所用碱激发剂是五水偏硅酸钠（Na2SiO3•5H2O），由焦作市百仕达工贸有限责任公司生产，分析纯。执行标准：HG/T2568―94。将五水偏硅酸钠固体与水以一定质量比配合配置成碱激发剂。

3 改性试验方案

3.1 试验方案设计

本次试验采用赤泥、矿渣和粉煤灰为主要原料，辅以碱激活剂及少量的减水剂，在配方的优化阶段选择了碱激发剂硅酸钠用量、赤泥／粉煤灰质量比、矿渣用量三个因素，同时在每个因素中选择了三个具有代表性的水平点。正交设计采用了可以容纳四因素三水平的正交表。选择因素水平时，主要依据一方面为参考文献，另一方面为原试验预估掺量为中点，左右酌情增减所得。

3.2 浆体硬化强度测试

浆体硬化强度是反映浆体硬化到一定龄期后的胶结能力，它是确定浆体材料能否保证注浆加固安全的依据。浆体硬化强度按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T17671-1999检测其净浆强度，具体为：将各种原材料按照一定得比例加水搅拌均匀，制成一定稠度的浆体，倒入试条三联模中，振动成型，并且在20℃、90%相对湿度条件下养护24小时脱模，继续养护到3d、7d和28d龄期，测试其不同龄期的抗压强度。

4 试验数据分析

4.1 试验数据的极差分析

正交设计的碱激发剂硅酸钠用量、赤泥／粉煤灰质量比、矿渣用量作为实验的三个因素，对照四因素三水平正交表，确定各因素的水平，进行尝试性试验。确定各因素水平的范围和间隔，使实验的结果更科学合理。最后根据试验的分析结果，进行重复试验，以保证本次试验配比具有良好的复演性。优化试验结果如表3。

该组试验主要是为了确定最优组合，从该试验中，根据正交表分析，可以得出如下结论：

（1）从3天指标来看，A、B、C三组的极差中A>C>B,这也就是说在试验中，A用量的变化对试验的影响较大，其次是C,而B的影响最小，从此可以得出各因素的主次秩序为：A>C>B.也就是说，硅酸钠的掺量对该试验的影响大于矿渣掺量，对试验影响最小的是赤泥质量／粉煤灰质量。

（2）同样，从3天指标还可以看出，在A的三种配比中，第三种配比对试验的影响较大，同样在B的配比中，第一种配比对试验的影响较大，在 C的配比种，第三种配比对试验的影响较大。这就是说，在正交试验中，硅酸钠的三种配比中，当硅酸钠的掺量为14%时，试验能得到最优强度，赤泥质量／粉煤灰质量之比为3：1时，试验能得到最优强度，矿渣的掺量为40%时，试验能得到最优强度。

从以上对正交表的分析可以确定最优组合的试验，因为从以上分析中可以看出A的掺量对试验的影响最大，因此最优组合的试验可以确定为：分别固定B（赤泥质量／粉煤灰质量）为3：1；C为（矿渣掺量）40%；变化A（硅酸钠的掺量），分别为：8%、10%、12%、14%、16%。根据该配比可以做下一步的试验―确定最优组合。

4.2 最优组合的确定

从上试验中找出最优组合，然后根据该最优组合找出最佳配方。以下试验就是从该试验中找出的优化试验。该试验为：固定因素B（赤泥：粉煤灰质量为3∶1）和因素C(矿渣掺量为40%)，变化因素A（硅酸钠）的量，最后得出最佳配方。以下为该试验的试验结果：

图1 最优组合各龄期的抗压强度

从上图可明显看出，在序号为3的试验中强度增长为最快且28天强度为最，因此该试验可以得出序号为3的试验为最佳配方。最佳配方是硅酸钠量为12%，赤泥质量与粉煤灰质量比为1：3，矿渣质量为40%。

5 结论

（1）赤泥本身具有一定的潜在活性，本次试验采用赤泥、矿渣和粉煤灰为主要原料，辅以碱激活剂可以有效激活其潜在活性，可以作为胶凝材料使用，并具有较高的抗压强度。

（2）经过正交试验及数据分析，在硅酸钠量为12%、赤泥质量与粉煤灰质量比为1∶3、矿渣用量40%这种配比下具有最高的28d抗压强度123.2MPa，是一种性能优良的碱激发胶凝材料。

参考文献

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［2］何伯泉，周国华，薛玉兰.赤泥在环境保护中的应用［J］.轻金属，2001，(2):24～26.

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［4］何伯泉，周国华，薛玉兰.赤泥在环境保护中的应用［J］.轻金属，2001，(2):24～26.

［5］梁乐善.热分析在拜耳法赤泥综合利用方面的应用［J］.现代科学仪器，1999，5:59～60.