赤泥-粉煤灰加气混凝土技术性能及强度形成机理研究.pdf
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1、2 0 1 1年 第 1 2期 (总 第 2 6 6期 ) Nu mb e r 1 2i n2 0 1 1 ( T o t a l N o 2 6 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材 料及辅助物料 MATE RI AL AND ADM CL E d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 2 0 1 4 赤泥一 粉煤灰加气混凝土技术性能及 强度形成机理研究 王瑞燕。何丽红 ( 重庆交通大学 土木建筑学院材料系,重庆 4 0 0 0 7 4 ) 摘要: 赤泥是铝士矿提取氧化铝过程中产生的废弃物。 赤泥的大量堆
2、存, 对环境和安全带来了严重的负面影响, 也影响了中国铝生产 行业的可持续发展。 赤泥建材化利用具有利用渣量大 。 产品附加值高等特点, 实现赤泥无害化、 资源化利用的优选途径。 通过研究组成材 料及比例对加气混凝土强度、 密度的影响, 提出了加气混凝土性能与组成材料的定量关系。 采用赤泥、 粉煤灰等固体工业废料制备的加气 混凝土, 强度和密度满足加气混凝土砌块质量要求, 放射性达墙体材料相关标准限值要求。 关键词: 赤泥;粉煤灰;加气混凝土;强度;密度;放射性 中图分类号: T U 5 2 8 。0 4 1 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 )
3、 1 2 0 0 4 5 0 4 Re s e ar c h on pe r f or manc e and s t r eng t h f or ma t i on me ch an i sm of r e d m ud and f l y a s h ae r a t ed c on c r e t e WANGRu i - y a n, HELi - h o n g ( De p a r t me n t o f B u i l d i n gMa t e ri a l , C i v i l a n d Ar c h i t e c t u r a l E n g i n e e ri
4、 n g , Ch o n g q i n g J i a o t o n gUn i v e r s i t y , C h o n g q i n g4 0 0 0 7 4, C h ina ) Abs t r a c t : Re d mu d i s wa s t e wh i c h i s g e n e r a t e d i n pr o c e s s o fe x t r a c t i n g a l u mi n a f r o m b a u x i t e A l a r g e n u mb e r o f r e d mud a c c um u l a t i
5、 o n n o t o n l y ha s s e rio us n e g a t i v e i mp a c t o n e n v i r o n me n t a n d s e c u rit y, b u t a l s o a ffe c t s us t a i n a b l e d e v e l o p me n t o f Ch ine s e a l um i n um p r o d u c t i o n ind us tr y Pr e p ara t i n g c o n s t r u c t i o n ma t e ria l s u s ing
6、 r e d mu d i s o p t i mi z a t i o n me t h o d f o r e x p l o i t i n g s o l i d i n d us t r i a l wa s t e By t h i s wa y, red mu d c a n b e us e d h a ml e s s an d h i g h v a l u e a d d e d B y s t u d y i n g i n fl u e n c e o f c o mp o s i t i o n a n d r a t i o o f ma t e ri a l s
7、 t o a e r a t e d c o n c r e t e S s t r e n g t h and d e n s i ty, q u a n t i t iv e r e l a t i o n s h i p o f a e mt e d c o n c r e t e p r o p e r t i e s t oma t e ri a l s c o mp o s i t i o ni s e s t a b l i s h e d Ae r a t e d c o n c r e t e p r e p a r a t e d、 v i t l 1 redmu d, n
8、 y a s h a n do t h e r s o l i d i n d u s t r i a l wa s t e , i t s s t r e n g t h and d e n s i ty c a r l me e t the q u a l i ty r e q u i r e me n t s o f a e r a t e d c o n c r e t e b l o c k, and r a d i o a c t i v e l i mi t me e t the req u i r e me n t of ma t e r i a l t o t h e wa
9、l 1 K e y wo r d s : red mu d; fl ya s h ; a e r a t e d c o n c r e t e ; s t r e n g th; d e n s i ty ; r a d i o a c t i v i ty 0 引言 赤泥是以铝土矿为原料生产氧化铝过程中产生的极细颗 粒强碱性固体废物, 每生产 l t 氧化铝, 大约产生赤泥 0 8 - 1 5 t 。 我国是氧化铝生产大国, 2 0 0 9 年生产氧化铝 2 3 7 8万 t , 约占世 界总产量的 3 0 , 产生的赤泥近 3 0 0 0 万 t 。 目前我国赤泥综合 利用率仅约4 ,
10、累积堆存量达到 2 亿 t 。 随着我国氧化铝产量 的逐年增长和铝土矿品位的逐渐降低, 赤泥的年产生量还将不 断增加 , 预计到 2 0 1 5年 , 赤泥累计堆存量将达到 3 5亿 t t 1 。 基 于我国赤泥的综合利用现状及其对铝生产行业可持续发展带 来的严重负面影响, 2 0 1 0年 8月, 工信部和科技部联合编制了 赤泥综合利用指导意见 , 以期提高赤泥综合利用率和综合利 用技术水平, 减少赤泥堆存对环境、 安全造成的影响。 建筑节能是解决能源危机的重要措施, 建筑围护结构的节 能是建筑节能的重要组成部分。 加气混凝土因其内部存在大量 封闭微孔, 具有轻质、 保温隔热隔声性能好、
11、防火抗震性好等优 点, 在新型高性能自 保温墙体材料中占有重要的地位。 本论文研究结果表明, 用赤泥、 粉煤灰等固体工业废料制 收稿 日期 :2 0 1 l - J 0 6 6 基金项目: 重庆市科学技术委员会自然科学基金( c s T C 2 0 O 9 B B 7 3 7 6 ) 备的加气混凝土, 强度级别达到A2 5 一 A5 0 , 干密度级别达到 B 0 5 B 0 7 , 满足 G B 1 1 9 6 8 -2 0 0 6 ( 蒸压加气混凝土砌块 质量要求; 放射性满足 G B 6 5 6 6 -2 0 1 0 ( 建筑材料放射性核素限量 要求。 通过原材料组成设计, 可以制备指定
12、强度和密度加气混凝土砌 块以满足建筑围护结构材料性能的要求。 1 原材料 拜尔法生产氧化铝是直接以苛性钠溶液处理铝土矿 , 使 矿石 中氧化铝生成可溶性铝酸钠并与其他矿物分离, 矿石 中 的二氧化硅等则成为不溶性残渣一 赤泥。 拜尔法赤泥的主要矿 物组成包括文石、 方解石 、 钙钛矿、 钙霞石 、 赤铁石 、 一水硬铝 石、 三水铝石、 水石榴石、 铝硅酸钠水合物 、 水蛋白石等 , 在赤 泥孔隙溶液中尚有少量的硅酸钠 、 铝酸钠、 苛性碱和胶体铁等 不稳定的化合物_ 2 _ 5 。 拜尔法赤泥的碱性高( p H 1 2 ) 、 密度小、 含水率高 , 颗粒很细 , 呈高分散胶体状态 , 有一
13、定的自胶结性 能和潜在活性 , 具有与加气混凝土制浆和养护工艺相适应的 属性。 根据赤泥 、 粉煤灰的化学组成及矿物组成【 2 - 5 】 , 加气混凝土 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的胶凝材料组成采用: 水泥一 赤泥一 粉煤灰一 复合激发剂。 研究用 原材料及性能如下 : ( 1 ) 水泥: 夏强 P F 3 2 5 R, 3 d抗压强度 1 7 6 MP a , 抗折强 度 4 1 5 MP a ; 2 8 d 抗压强度 3 2 6 MP a , 抗折强度 6 9 5 MP a 。 ( 2 ) 粉煤灰: 重庆洛璜电厂 I I 级粉煤灰, 物理化学
14、分析及放 射性活性检测结果见表 1 。 ( 3 ) 赤泥: 重庆博赛集团先锋氧化铝厂, 化学分析及放射性 检测结果见表 2 。 ( 4 ) 复合激发剂: 用于对赤泥和粉煤灰活性的碱激发和硫 酸盐激发f 】 。 ( 5 ) 浆体稠度调节剂: 用于调节料浆的稠度和稠化速度。 ( 6 ) 铝粉膏: 用于浆体化学加气。 表 1 粉煤灰物理化学分析及放射性活性检测结果 2 性能试验及结果分析 2 1 原材料组成及强度 、 密度试验结果 加气混凝土的粉料由水泥 、 赤泥、 粉煤灰 、 复合激发剂组 成, 各组成材料掺量均以各材料质量占粉料质量百分率计算。 原 材料组成及加气混凝土强度、 密度试验结果见表
15、3 。 2 2 数据处理与分析 应用e x c e l 软件对强度数据进行多元线性拟合, 结果见表4 、 5 。 根据表 4 、 5 , 在 9 5 置信度水平下, 强度数据回归统计相关 系数为 0 9 4 8 , 决定系数 0 8 9 8 ; F值 2 6 3 9 , F临界值 5 4 6 E 0 8 , 说 表 3 原材料组成及加气混凝土强度、 密度试验结果 注: ( 为 1 0 0 m m x 1 0 0 m mx 1 0 0 m m立方体试件在温度7 0 、 相对湿度大于9 O 条件下养护5 d , 再标准养护至2 8 d 抗压强度实测值。 , 为加 气混凝土强度拟合值。 ( 为试件干
16、密度实测值。 为加气混凝土密度拟合值。 c为水泥掺量, R M为赤泥掺量, F A为粉煤灰掺量 , A D为复合激 发剂掺量, A 1 为铝粉掺量, P , w为粉料与水质量比( 以下简称料水比) 。 表 4 强度数据回归统计 46 表 5 强度数据方差分析 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 明赤泥一 粉煤灰加气混凝土的强度与粉料组成、 铝粉掺量、 料水 比呈非常显著的多元线性关系。 lt l 的大小反映各因素对试验结 果影响的主次顺序 , P - v a l u e表示 t 检验偏回归系数不显著的概 率。 表 4 、 5数据分析结果表明, P A V是影响加气混
17、凝土强度的 最主要因素, 其次是铝粉掺量; 粉料中的水泥、 赤泥、 粉煤灰、 激 发剂对加气混凝土的强度具有基本相当的影响程度 。 应用 e x c e l 软件对密度数据进行多元线胜拟合, 结果见表6 , 7 。 表 6 密度数据回归统计 自由度 离差平方和 均方 F 值 , 临界值 根据表 6 、 7 , 在 9 5 置信度水平下, 密度数据回归统计相关 系数为 0 7 8 0 , 决定系数 O 6 0 8 ; F值 4 6 6 , F临界值 0 0 0 5 , 说明 赤泥一 粉煤灰加气混凝土的密度与粉料组成 、 铝粉掺量、 料水比 呈显著的多元线性关系。 各因素对应的 lt l 及 P
18、- v a l u e 表明, P A V 是影响加气混凝土密度的最主要因素; 粉料中的水泥、 赤泥、 粉 煤灰、 激发剂对加气混凝土的密度具有基本相当的影响程度。 3 赤泥一 粉煤灰加气混凝土强度形成机理 粉煤灰的主要化学组成是活性 S i O : 、 A I O 及 C a O, 赤泥的 主要化学组成包括 S i O2 、 AI 2 O3 、 F e 2 O3 、 C a O、 N a 2 0等。 水泥水化 生成的C a ( O H) : 对粉煤灰和赤泥中的活性 S i O : 、 AI : O 起到碱激 发作 ; 体系中加入的复合激发剂对粉煤灰和赤泥有碱激发和 硫酸盐激发作用; 赤泥中的
19、Na 2 0对活性 S i O : 、 A1 O 中的 S i O、 A1 O键断裂起到加速作用, 加速了粉煤灰和赤泥早期活性的激 发。 水泥水化及其与复合激发剂共同作用对粉煤灰和赤泥活性 的激发, 致使水泥一 粉煤灰一 赤泥一 复合激发剂体系水化反应的主 要生成物为 C S H凝胶和钙矾石( 如图 1 所示 ) , 这也是形成加 气混凝土孔壁的主要物质, 是加气混凝土强度的来源物质 。 赤泥和粉煤灰中的低活性和惰性颗粒具有微集料填充作用。 DE T: e E Oe t ec t o r 1 0 0I J m V eg aTe s c a n 0l glt a l I c ec O l ma
20、g l 图 1 赤泥一 粉煤灰加气 混凝土微观结构 SE M图 料水比对加气混凝土的影响主要表现在两个方面, 一是直 接影响水化反应生成物微结构的致密度 , 对孔壁强度产生影响, 料水比增大, 水化反应生成物微结构致密度提高, 强度提高。 另 一 方面, 料水比对料浆稠度有显著影响, 料水比增大 , 料浆稠度 增大, 在铝粉掺量一定且料浆稠化速度与铝粉发气速度协调的 条件下, 随料水比增大, 浆体内气泡直径减小 , 加气混凝土强度 提高, 密度提高。 铝粉的掺量决定混凝土中的引气量。 当铝粉反应生成氢气 的速度与浆体稠化速度相适应时, 随着铝粉掺量的增加, 引气 量增加 , 孔隙率增加, 密度
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