拜耳法赤泥對自密實砂漿工作性能及自收縮特性影響分析

劉日鑫，熊　煦，周　慧，楊小林

(常州工程職業技術學院，常州　213164)

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拜耳法赤泥對自密實砂漿工作性能及自收縮特性影響分析

劉日鑫，熊煦，周慧，楊小林

(常州工程職業技術學院，常州213164)

論文研究拜耳法赤泥對自密實砂漿工作性能和收縮特性的影響。試驗中，以赤泥取代粉煤灰設計不同配合，研究其對砂漿的流動性能、抗壓強度、自收縮性能的影響。結果顯示，由于赤泥的高吸水特性，其加入會使自密實砂漿的流動性降低，但正是由于這一特性，減少了砂漿的離析和泌水現象；赤泥的加入，不僅使砂漿的抗壓強度得到提高，同時減少了砂漿的自收縮。這可能是由于赤泥的火山灰活性和內養護作用所致。

赤泥； 自密實砂漿； 自收縮

1　引　言

拜耳法赤泥為用拜耳法工藝生產氧化鋁產生的工業廢渣，對環境造成嚴重污染，其主要成分為氧化鋁、二氧化硅、氧化鐵、氧化鈣和少量的二氧化鈦等氧化物。目前拜耳法赤泥的再利用主要集中在幾個方面。利用酸洗工藝從赤泥中提純稀有金屬等[1]；作為一種填料加入到塑料等熱塑性基體中制備復合材料[2]；利用赤泥生產地磚[3]；將赤泥作為水泥的原材料煅燒水泥[4]。本文將赤泥加入到自密實砂漿中，考察赤泥對自密實砂漿工作性能的影響；同時，通過研究赤泥對自密實砂漿收縮特性和抗壓強度的影響，驗證赤泥是否對自密實砂漿具有內養護特性。本文將為赤泥加入到自密實混凝土中的研究奠定基礎。

2　試　驗

2.1原材料

圖1　拜耳赤泥的XRD分析Fig.1　XRD of the Bay red mud

赤泥來自于山西晉北鋁業有限公司由拜耳法工藝產生的赤泥。作者等[5]在另一篇文章中，對赤泥進行了XRF和XRD微觀表征，從赤泥的XRF分析可知，SiO2含量為45.76%，Al2O3含量為40.69%，這兩種氧化物占赤泥總量的86.45%，是該赤泥主要氧化物組成部分。赤泥中CaO含量為4.98%，有少量的Fe2O3、TiO2、K2O和P2O5。由XRD物相分析來看(見圖1)，該拜耳法赤泥主要由水鈣沸石(Gismondine)、古柱沸石(Goosecreekite)和柱沸石(Epistilbite)三種沸石組成，約占赤泥礦物組成總量的80%左右；這三種礦物屬于多孔性沸石族礦物，由Si-O鍵和Al-O鍵形成的網絡四面體和八面體結構組成。

赤泥的密度為2187 kg/m3，其10 min、24 h和72 h吸水率分別為30%、31%和32%，其顆粒分布見表1所示。

表1　赤泥和粉煤灰的顆粒分布

粉煤灰為香港發電廠產生的煤灰，其10 min、24 h和72 h吸水率分別為9%、9.1%和9.2%，其顆粒分布見表1所示。

水泥為I型勃蘭特水泥，產自香港，其細度和密度分別為3520 cm2/g和3150 kg/m3。

河砂是普通河砂，產自香港，其最大粒徑為5 mm，密度為2620 kg/m3，10 min和24 h吸水率分別為0.36%和0.88%。減水劑日本生產，購于香港，其牌號為Grace，ADVA-109。

2.2實驗設計

一般自密實砂漿中需要加入細粉，目的是改善自密實砂漿的流動性能，加入的細粉為粉煤灰或硅灰。試驗中，空白試樣為摻入粉煤灰形成的自密實砂漿，以赤泥取代粉煤灰形成對比試樣，研究了拜耳法赤泥對自密實砂漿工作性能的影響；探討了滿足流動度要求的基礎上，水膠比(W/B)分別為0.4和0.35時，赤泥對自密實砂漿抗壓強度及收縮特性的影響。

表2　赤泥對自密實砂漿工作性能影響分析配比設計

表2為赤泥對自密實砂漿流動性影響分析的配比設計。此配方設計中，水和減水劑(SP)的用量不變，分析赤泥取代率對砂漿工作性能的影響。

表3和表4分別為水膠比0.4和0.35，設計流動直徑(d)= 250 mm，赤泥對自密實砂漿強度及收縮性能的影響研究配比設計。為了滿足設計的流動度，配方中需要通過調整減水劑的用量來實現。

表3　水灰比為0.4赤泥自密實砂漿配比設計

表4　水灰比為0.35赤泥自密實砂漿配比設計

2.3試樣制備及養護

將水泥、砂子、粉煤灰、赤泥等原料在一個可容納5 kg的砂漿攪拌設備攪拌90 s，待物料相互混合均勻，然后按量加入水和減水劑攪拌90 s。此后，人工用鏟子將鍋底沒有攪拌均勻的干料與濕料拌和，再次機械攪拌120 s后，澆注成不同形狀的試樣，養護待測?？箟簭姸仍嚇訛?0.7 mm×70.7 mm× 70.7 mm的立方體，在水中養護14 d、28 d和56 d后用于強度測試；自收縮性能的試樣尺寸均為25 mm×25 mm×285 mm長方體試樣，為防止養護過程中試樣中自由水向外部環境擴散，自收縮試樣成型后立即用薄膜密封處理，各種試樣按標準養護后，進行收縮性能測試。

2.4測試方法

根據歐洲標準EFNARC[6]，砂漿的流動性由流動直徑(d)、流動時間(Γm)和V形漏斗(V-funnel)等性能表征。實驗中抗壓強度測試采用標準ASTM C 349[7]進行檢測。自收縮采用標準ASTM: C1698-09[8]規定，分別測試試樣在0.5 d、1 d、1.5 d、2 d、2.5 d、 3 d、4 d、7 d、14 d、28 d和56 d養護期試樣的自收縮量。

3　結果與討論

3.1赤泥對自密實砂漿工作性能的影響

表5中，只改變砂漿中赤泥的取代率，且隨著赤泥含量的增加，砂漿的流動直徑(d)逐漸在減小，由最初的Control-1試樣的252.5 mm到SCM-15試樣的100 mm，Γm值從Control-1試樣的5.4降到SCM-15試樣的0。以上現象說明，隨著赤泥取代粉煤灰取代率的增加，自密實砂漿的流動性逐漸下降，取代率達到50%的時候，砂漿幾乎不出現流動。

由V-funnel實驗的結論與Slump flow 結論相似。表5中，赤泥砂漿的初凝時間和終凝時間隨著赤泥取代率的增加略有增加，但不太明顯。

表5　赤泥對自密實砂漿流動性的影響

圖2　赤泥對自密實砂漿泌水性影響分析(a)Control-1試樣;(b)SCM-11試樣Fig.2　Effect of the red mud on the bleeding

由于赤泥是一種多孔物質，主要礦物組成水鈣沸石(Gismondine)、古柱沸石(Goosecreekite)和柱沸石(Epistilbite)三種沸石礦物組成，其吸水量遠遠高于粉煤灰，導致部分自由水被赤泥吸收，自密實砂漿中對流動性起作用的自由水量減少，砂漿拌合物的流動性能下降。且隨著赤泥摻量的增加，流動性損失的趨勢越明顯。

值得注意的是，由于赤泥的高吸水性，使自密實砂漿避免出現泌水和離析現象。圖2為空白試樣和取代率為10%的自密實砂漿流動后的對比圖，圖中Control-1試樣流動停止后，其周圍出現了明顯的離析現象，而當加入赤泥后，離析現象明顯減小。

3.2赤泥對自密實砂漿抗壓強度的影響

圖3中為水膠比是0.40自密實砂漿養護齡期分別為14 d、28 d和56 d的抗壓強度。隨著赤泥含量的增加，自密實砂漿的抗壓強度逐漸增加；尤其是赤泥取代率為50%時，抗壓強度增加的顯著， 14 d、28 d和56 d自密實砂漿強度較Control-2試樣強度分別增加了7%、13.2%和12.6%，養護天數為28 d或56 d強度增加的更明顯。

圖3　水膠比為0.4的SCM抗壓強度Fig.3　Compressive strength development of SCM mixtures (W/B=0.40)

圖4　水膠比為0.35的SCM抗壓強度Fig.4　Compressive strength development of SCM mixtures (W/B=0.35)

由表5可知，赤泥的主要氧化物為SiO2含量45.76%，Al2O3含量40.69%和部分的CaO含量4.98%。這些成分可能具有水泥火山灰活性，在水泥水化過程中參與水化反應，提高自密實砂漿的抗壓強度；隨著養護齡期的增加，抗壓強度較Control 試樣強度增加，尤其是養護齡期越長，赤泥含量越多的砂漿，強度增加的越明顯，這可能是由于拜耳法赤泥的多孔特性(沸石型赤泥)，對自密實砂漿具有內養護功能，因此后期強度增加尤為明顯。

相似的變化規律從圖4也可以看出，圖4為水膠比為0.35時，赤泥對自密實砂漿的抗壓強度的影響。水膠比為0.35的抗壓強度總體要比水膠比為0.40 的抗壓強度高。由圖3可知，隨著赤泥含量的增加，不同齡期的抗壓強度逐漸上升，赤泥含量越高，強度增加越明顯。

3.3赤泥對自密實混凝土自收縮性能的影響

圖5和圖6分別為水膠比0.40和0.35的自密實砂漿自收縮的變化曲線。水膠比為0.40和0.35試樣的自收縮隨著養護天數的增加均呈現增加的趨勢。

相對于Control-2試樣，摻入赤泥的自密實砂漿試樣(W/B=0.40)的自收縮都較小，且隨著赤泥量的增加，自收縮逐漸變小。尤其對于SCM-25試樣，其50 d的自收縮量為-380×10-6，相對于Control-2試樣縮小了22.8%。相同的變化規律在圖6中也可以發現，SCM-35試樣50 d的自收縮量為-480×10-6，比Control-3縮小了20.0%。

由赤泥的XRD分析可知，赤泥屬于沸石類物質，由多孔物質組成，具有高吸水性，可能使赤泥具有內養護作用。隨著自密實混凝土中赤泥量的增加，蓄水量增加，在水泥水化過程中，存儲在赤泥中的水不斷釋放，彌補了由于水化引起的內部收縮，從而使自密實砂漿的自收縮減小。由于赤泥對砂漿內部釋放自由水，保持砂漿的內環境在水化過程不干燥，水化充分，因此加入赤泥的自密實砂漿的抗壓強度升高，見圖3和圖4。

圖5　水膠比0.40的自密實砂漿自收縮變化Fig.5　Autogenous shrinkage strain development of SCM mixtures (W/B=0.40)

圖6　水膠比為0.35的自密實砂漿自收縮變化Fig.6　Autogenous shrinkage strain development of SCM mixtures (W/B=0.35)

圖5和圖6唯一不同的是自收縮量不同，水膠比為0.40的自收縮比0.35的小。以SCM-25為例，水膠比為0.40時，50 d的自收縮量為-380×10-6，水膠比為0.35時50 d自收縮量為-480×10-6。這是由于水膠比越大，砂漿內部自由水越多，內部環境在水化過程濕度較大，自收縮較小。

4　結　論

論文分析了拜耳法赤泥對自密實砂漿工作性能、抗壓強度和自收縮特性的影響。結論如下：

(1)赤泥降低了自密實砂漿的流動性，當取代率達到50%時，砂漿已經失去了流動性能；

(2)隨著赤泥用量的增加，自密實砂漿的泌水性和離析現象減?。?/p>

(3)赤泥的加入，提高自密實砂漿的抗壓強度，水膠比為0.40且赤泥取代率為50%，自密實砂漿的強度最高，14 d、28 d和56 d的強度較空白試樣分別增加了7%、13.2%和12.6%，水膠比為0.35時強度的變化也相似；

(4)隨著赤泥取代率的增加，水膠比為0.35和0.40的自密實砂漿的自收縮均明顯降低。

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[8] ASTM:C1698-09,Standard Test Method for Autogenous Strain of Cement Paste and Mortar,2014.

Effect of Bayer Red Mud on Workability and Shrinkage of Self-Compacting Mortar

LIURi-xin,XIONGXu,ZHOUHui,YANGXiao-lin

(Changzhou Institute of Engineering Technology,Changzhou 213164，China)

The effects of Bayer red mud on the workability and autogenous shrinkage of self-compacting concrete (SCM) was studied. In this study, the red mud is used to replace fly ash in SCM to investigate the effects on the workability, compressive strength and autogenous shrinkage. The results show that the decrements of flowability are observed with the addition of the red mud; however, the high water absorption of the red mud might reduce the bleeding and segregation. In addition, the compressive strength and is enhanced and the autogenous shrinkage is reduced with the red mud incorporation. This might be attributed to the internal curing and pozzolanic activity of the red mud.

red mud;self-compacting mortar;autogenous shrinkage

劉日鑫(1975-)，男，副教授.主要從事工業廢棄物資源化方面的研究.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1964-06