拜耳法赤泥对自密实砂浆工作性能及自收缩特性影响分析

刘日鑫，熊　煦，周　慧，杨小林

(常州工程职业技术学院，常州　213164)



拜耳法赤泥对自密实砂浆工作性能及自收缩特性影响分析

刘日鑫，熊煦，周慧，杨小林

(常州工程职业技术学院，常州213164)

论文研究拜耳法赤泥对自密实砂浆工作性能和收缩特性的影响。试验中，以赤泥取代粉煤灰设计不同配合，研究其对砂浆的流动性能、抗压强度、自收缩性能的影响。结果显示，由于赤泥的高吸水特性，其加入会使自密实砂浆的流动性降低，但正是由于这一特性，减少了砂浆的离析和泌水现象；赤泥的加入，不仅使砂浆的抗压强度得到提高，同时减少了砂浆的自收缩。这可能是由于赤泥的火山灰活性和内养护作用所致。

赤泥； 自密实砂浆； 自收缩

1　引　言

拜耳法赤泥为用拜耳法工艺生产氧化铝产生的工业废渣，对环境造成严重污染，其主要成分为氧化铝、二氧化硅、氧化铁、氧化钙和少量的二氧化钛等氧化物。目前拜耳法赤泥的再利用主要集中在几个方面。利用酸洗工艺从赤泥中提纯稀有金属等[1]；作为一种填料加入到塑料等热塑性基体中制备复合材料[2]；利用赤泥生产地砖[3]；将赤泥作为水泥的原材料煅烧水泥[4]。本文将赤泥加入到自密实砂浆中，考察赤泥对自密实砂浆工作性能的影响；同时，通过研究赤泥对自密实砂浆收缩特性和抗压强度的影响，验证赤泥是否对自密实砂浆具有内养护特性。本文将为赤泥加入到自密实混凝土中的研究奠定基础。

2　试　验

2.1原材料

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

赤泥来自于山西晋北铝业有限公司由拜耳法工艺产生的赤泥。作者等[5]在另一篇文章中，对赤泥进行了XRF和XRD微观表征，从赤泥的XRF分析可知，SiO2含量为45.76%，Al2O3含量为40.69%，这两种氧化物占赤泥总量的86.45%，是该赤泥主要氧化物组成部分。赤泥中CaO含量为4.98%，有少量的Fe2O3、TiO2、K2O和P2O5。由XRD物相分析来看(见图1)，该拜耳法赤泥主要由水钙沸石(Gismondine)、古柱沸石(Goosecreekite)和柱沸石(Epistilbite)三种沸石组成，约占赤泥矿物组成总量的80%左右；这三种矿物属于多孔性沸石族矿物，由Si-O键和Al-O键形成的网络四面体和八面体结构组成。

赤泥的密度为2187 kg/m3，其10 min、24 h和72 h吸水率分别为30%、31%和32%，其颗粒分布见表1所示。

表1　赤泥和粉煤灰的颗粒分布

粉煤灰为香港发电厂产生的煤灰，其10 min、24 h和72 h吸水率分别为9%、9.1%和9.2%，其颗粒分布见表1所示。

水泥为I型勃兰特水泥，产自香港，其细度和密度分别为3520 cm2/g和3150 kg/m3。

河砂是普通河砂，产自香港，其最大粒径为5 mm，密度为2620 kg/m3，10 min和24 h吸水率分别为0.36%和0.88%。减水剂日本生产，购于香港，其牌号为Grace，ADVA-109。

2.2实验设计

一般自密实砂浆中需要加入细粉，目的是改善自密实砂浆的流动性能，加入的细粉为粉煤灰或硅灰。试验中，空白试样为掺入粉煤灰形成的自密实砂浆，以赤泥取代粉煤灰形成对比试样，研究了拜耳法赤泥对自密实砂浆工作性能的影响；探讨了满足流动度要求的基础上，水胶比(W/B)分别为0.4和0.35时，赤泥对自密实砂浆抗压强度及收缩特性的影响。

表2　赤泥对自密实砂浆工作性能影响分析配比设计

表2为赤泥对自密实砂浆流动性影响分析的配比设计。此配方设计中，水和减水剂(SP)的用量不变，分析赤泥取代率对砂浆工作性能的影响。

表3和表4分别为水胶比0.4和0.35，设计流动直径(d)= 250 mm，赤泥对自密实砂浆强度及收缩性能的影响研究配比设计。为了满足设计的流动度，配方中需要通过调整减水剂的用量来实现。

表3　水灰比为0.4赤泥自密实砂浆配比设计

表4　水灰比为0.35赤泥自密实砂浆配比设计

2.3试样制备及养护

将水泥、砂子、粉煤灰、赤泥等原料在一个可容纳5 kg的砂浆搅拌设备搅拌90 s，待物料相互混合均匀，然后按量加入水和减水剂搅拌90 s。此后，人工用铲子将锅底没有搅拌均匀的干料与湿料拌和，再次机械搅拌120 s后，浇注成不同形状的试样，养护待测。抗压强度试样为70.7 mm×70.7 mm× 70.7 mm的立方体，在水中养护14 d、28 d和56 d后用于强度测试；自收缩性能的试样尺寸均为25 mm×25 mm×285 mm长方体试样，为防止养护过程中试样中自由水向外部环境扩散，自收缩试样成型后立即用薄膜密封处理，各种试样按标准养护后，进行收缩性能测试。

2.4测试方法

根据欧洲标准EFNARC[6]，砂浆的流动性由流动直径(d)、流动时间(Γm)和V形漏斗(V-funnel)等性能表征。实验中抗压强度测试采用标准ASTM C 349[7]进行检测。自收缩采用标准ASTM: C1698-09[8]规定，分别测试试样在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养护期试样的自收缩量。

3　结果与讨论

3.1赤泥对自密实砂浆工作性能的影响

表5中，只改变砂浆中赤泥的取代率，且随着赤泥含量的增加，砂浆的流动直径(d)逐渐在减小，由最初的Control-1试样的252.5 mm到SCM-15试样的100 mm，Γm值从Control-1试样的5.4降到SCM-15试样的0。以上现象说明，随着赤泥取代粉煤灰取代率的增加，自密实砂浆的流动性逐渐下降，取代率达到50%的时候，砂浆几乎不出现流动。

由V-funnel实验的结论与Slump flow 结论相似。表5中，赤泥砂浆的初凝时间和终凝时间随着赤泥取代率的增加略有增加，但不太明显。

表5　赤泥对自密实砂浆流动性的影响

图2　赤泥对自密实砂浆泌水性影响分析(a)Control-1试样;(b)SCM-11试样Fig.2　Effect of the red mud on the bleeding

由于赤泥是一种多孔物质，主要矿物组成水钙沸石(Gismondine)、古柱沸石(Goosecreekite)和柱沸石(Epistilbite)三种沸石矿物组成，其吸水量远远高于粉煤灰，导致部分自由水被赤泥吸收，自密实砂浆中对流动性起作用的自由水量减少，砂浆拌合物的流动性能下降。且随着赤泥掺量的增加，流动性损失的趋势越明显。

值得注意的是，由于赤泥的高吸水性，使自密实砂浆避免出现泌水和离析现象。图2为空白试样和取代率为10%的自密实砂浆流动后的对比图，图中Control-1试样流动停止后，其周围出现了明显的离析现象，而当加入赤泥后，离析现象明显减小。

3.2赤泥对自密实砂浆抗压强度的影响

图3中为水胶比是0.40自密实砂浆养护龄期分别为14 d、28 d和56 d的抗压强度。随着赤泥含量的增加，自密实砂浆的抗压强度逐渐增加；尤其是赤泥取代率为50%时，抗压强度增加的显著， 14 d、28 d和56 d自密实砂浆强度较Control-2试样强度分别增加了7%、13.2%和12.6%，养护天数为28 d或56 d强度增加的更明显。

图3　水胶比为0.4的SCM抗压强度Fig.3　Compressive strength development of SCM mixtures (W/B=0.40)

图4　水胶比为0.35的SCM抗压强度Fig.4　Compressive strength development of SCM mixtures (W/B=0.35)

由表5可知，赤泥的主要氧化物为SiO2含量45.76%，Al2O3含量40.69%和部分的CaO含量4.98%。这些成分可能具有水泥火山灰活性，在水泥水化过程中参与水化反应，提高自密实砂浆的抗压强度；随着养护龄期的增加，抗压强度较Control 试样强度增加，尤其是养护龄期越长，赤泥含量越多的砂浆，强度增加的越明显，这可能是由于拜耳法赤泥的多孔特性(沸石型赤泥)，对自密实砂浆具有内养护功能，因此后期强度增加尤为明显。

相似的变化规律从图4也可以看出，图4为水胶比为0.35时，赤泥对自密实砂浆的抗压强度的影响。水胶比为0.35的抗压强度总体要比水胶比为0.40 的抗压强度高。由图3可知，随着赤泥含量的增加，不同龄期的抗压强度逐渐上升，赤泥含量越高，强度增加越明显。

3.3赤泥对自密实混凝土自收缩性能的影响

图5和图6分别为水胶比0.40和0.35的自密实砂浆自收缩的变化曲线。水胶比为0.40和0.35试样的自收缩随着养护天数的增加均呈现增加的趋势。

相对于Control-2试样，掺入赤泥的自密实砂浆试样(W/B=0.40)的自收缩都较小，且随着赤泥量的增加，自收缩逐渐变小。尤其对于SCM-25试样，其50 d的自收缩量为-380×10-6，相对于Control-2试样缩小了22.8%。相同的变化规律在图6中也可以发现，SCM-35试样50 d的自收缩量为-480×10-6，比Control-3缩小了20.0%。

由赤泥的XRD分析可知，赤泥属于沸石类物质，由多孔物质组成，具有高吸水性，可能使赤泥具有内养护作用。随着自密实混凝土中赤泥量的增加，蓄水量增加，在水泥水化过程中，存储在赤泥中的水不断释放，弥补了由于水化引起的内部收缩，从而使自密实砂浆的自收缩减小。由于赤泥对砂浆内部释放自由水，保持砂浆的内环境在水化过程不干燥，水化充分，因此加入赤泥的自密实砂浆的抗压强度升高，见图3和图4。

图5　水胶比0.40的自密实砂浆自收缩变化Fig.5　Autogenous shrinkage strain development of SCM mixtures (W/B=0.40)

图6　水胶比为0.35的自密实砂浆自收缩变化Fig.6　Autogenous shrinkage strain development of SCM mixtures (W/B=0.35)

图5和图6唯一不同的是自收缩量不同，水胶比为0.40的自收缩比0.35的小。以SCM-25为例，水胶比为0.40时，50 d的自收缩量为-380×10-6，水胶比为0.35时50 d自收缩量为-480×10-6。这是由于水胶比越大，砂浆内部自由水越多，内部环境在水化过程湿度较大，自收缩较小。

4　结　论

论文分析了拜耳法赤泥对自密实砂浆工作性能、抗压强度和自收缩特性的影响。结论如下：

(1)赤泥降低了自密实砂浆的流动性，当取代率达到50%时，砂浆已经失去了流动性能；

(2)随着赤泥用量的增加，自密实砂浆的泌水性和离析现象减小；

(3)赤泥的加入，提高自密实砂浆的抗压强度，水胶比为0.40且赤泥取代率为50%，自密实砂浆的强度最高，14 d、28 d和56 d的强度较空白试样分别增加了7%、13.2%和12.6%，水胶比为0.35时强度的变化也相似；

(4)随着赤泥取代率的增加，水胶比为0.35和0.40的自密实砂浆的自收缩均明显降低。

[1] Ochsenkuhn-Petropoulou M T,Hatzilyberis K S,Mendrinous L N,et al.Pilot-plant investigation of the leaching process for the recovery of scandium from red mud[J].Ind.Eng.Chem.Res.,2002,41:5794-5801.

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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

刘日鑫(1975-)，男，副教授.主要从事工业废弃物资源化方面的研究.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1964-06