赤泥掺量对混凝土强度及经济性的影响

武斌,谭卓英,宁迎福

(1.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083；2.辽宁省交通高等专科学校 建筑工程系，辽宁 沈阳 110122；3.辽宁省建设科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110005)

0 引 言

赤泥(red mud)是氧化铝生产过程中产生的固体废弃物，碱含量较高，会对周围环境造成严重污染。我国是铝工业生产大国，每年有大量的赤泥排放，使赤泥处理利用问题日益突出[1]。由于赤泥胶结性能较好[2-3]，因此，处理赤泥的主要领域是建材行业，多在混凝土中添加。国内外学者对赤泥在混凝土中的应用进行了一些研究。LIU R X等[4]利用赤泥作为火山灰材料替代粉煤灰制作自密实混凝土，并进行抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量试验，其强度指标得到了不同程度的提高，此外，由于赤泥的内部固化作用，使得混凝土的干缩减小，证明赤泥在自密实混凝土中应用是可行的；M.P.Rudraswamy等[5]利用赤泥直接替换水泥制作赤泥混凝土并进行了强度试验，发现赤泥替代率为10%时力学性能最好；D.Linora Metilda等[6]进行了赤泥混凝土的抗压和劈裂抗拉试验，结果表明，当赤泥替换15%的水泥时，抗压强度和劈裂抗拉强度超过普通混凝土，当赤泥替换率增加到20%～30%时，抗压强度呈现下降趋势；P.Deshmukh[7]利用赤泥制作混凝土外加剂改善混凝土的力学性能，赤泥的添加量分别为1%，2%,3%，当添加2%的赤泥时，力学性能改善最为可观;梁乃兴等[8-9]通过室内试验，用赤泥替代25%的水泥制成赤泥混凝土，其抗折强度与普通混凝土相当，而抗压强度提高不明显;颜祖兴[10]配制出了适合公路使用的赤泥混凝土，即替换水泥用量为33%，此时渗透性和抗冻性稍有降低。由于赤泥具有一定的放射性[11]，为了推进赤泥在建筑材料方面的应用，广大学者对其进行了相关研究。其中，黄迎超等[12]提出为降低赤泥的放射性，采用浮选、重选、电磁分离、静电分离的手段将放射性元素从赤泥中分离；田崇霏等[13-14]对赤泥在水泥水化过程中的放射性进行了研究，得出当赤泥添加量15%时最优，此时，232Th,226Ra,40K放射性比活度均出现明显下降，随着赤泥掺量提高，其放射性比活度提高，但随着时间推移放射性比活度保持不变。

赤泥混凝土的研究具有重要意义，但目前文献尚未报道赤泥掺加到混凝土中的经济性结论，基于此，本文进行了45个掺加赤泥的混凝土试件抗压试验，且对放射性进行了试验研究，并结合工程案例对其经济性进行了分析。

1 试 验

1.1 试验材料

水泥采用亚泰牌42.5强度等级普通硅酸盐水泥，基本性能参数数值见表1。砂为天然普通河砂，基本性能参数数值见表2。粗骨料为天然连续级配的碎石，最大粒径20 mm，见表3。赤泥为山东魏桥北海氧化铝厂拜耳法生产氧化铝废弃赤泥，基本化学成分见表4。赤泥0.045 mm筛的过筛率为76%，粒径分布见表5。拌和水为实验室自来水。

表1 水泥的基本性能参数数值

表2 细骨料的基本性能参数数值

表3 粗骨料的基本性能参数数值

表4 赤泥化学成分

表5 赤泥的粒径分布

1.2 赤泥混凝土制备

用赤泥等质量替代混凝土中的水泥配制混凝土，共设置了5种赤泥质量替代率，即r=0,5%,10%,15%,20%；r=0时，为普通混凝土，作为基准混凝土。按文献[15]进行普通混凝土配合比设计，先确定各种材料用量，然后按5种赤泥质量替代率对水泥进行替代。制备过程中，首先依次将称重后的粗骨料、水泥、赤泥和细骨料倒入实验室卧式强制搅拌机中搅拌2 min，使各材料混合均匀，然后加入水和塑化剂再搅拌2 min，制备出45个混凝土试件(150 mm×150 mm×150 mm)，配合比见表6，在标准养护条件下养护3，28，90 d再进行后续试验。

表6 混凝土的配合比

1.3 试验方法

所有试件的抗压试验均在200 t微机控制压力试验机上进行，部分试件见图1，试验装置见图2。赤泥混凝土的辐射测试利用四川新先达测控技术有限公司生产的CIT-3000F型低本底多道γ能谱仪进行，分别进行3,28,90 d龄期的抗压强度及226Ra，232Th，40K放射性比活度的测定。

图1 制作完的部分试件

图2 试验装置

2 结果与讨论

2.1 赤泥掺量对抗压强度影响

2.1.1 不同替代率对混凝土抗压强度影响

不同赤泥替代率与混凝土立方体抗压强度关系如图3所示。随着赤泥替代率增加，3,28,90 d龄期下的混凝土立方体抗压强度先增加后降低；r=5%时，抗压强度最大，分别为20.66,41.83,47.12 MPa，与普通混凝土相比，强度分别提高了9.54%,46.93%,31.51%；r=20%时，抗压强度最小，分别为18.48,28.32,30.90 MPa，与普通混凝土相比，强度分别降低了2.05%,0.50%,13.77%。因此，当赤泥替代率低于20%时，掺加赤泥的混凝土抗压强度均高于普通混凝土；r=20%时，掺加赤泥的混凝土与普通混凝土的抗压强度基本相当，说明赤泥替代水泥的作用较明显。

图3 抗压强度与赤泥替代率的关系

不同水化龄期下，不同赤泥替代率的混凝土立方体抗压强度如图4所示。随着水化龄期延长，不同赤泥替代率的混凝土立方体抗压强度增加，赤泥替代率为0,5%,10%,15%,20%时，水化龄期3～28 d的抗压强度分别提高了50.91%,102.43%,94.80%,83.41%,53.29%；水化龄期28～90 d的抗压强度分别提高了25.86%,12.64%,1.61%,3.85%,9.08%。因此，水化龄期3～28 d时，抗压强度提高率随赤泥替代率呈现先增加后降低的趋势；r=5%时，抗压强度提高率最大；r=20%时，抗压强度提高率与普通混凝土基本相当，说明赤泥替代水泥的作用较明显。水化龄期28～90 d时，掺加赤泥的混凝土抗压强度提高率总体上比普通混凝土的减少，且趋势不明显。

图4 抗压强度与水化龄期的关系

2.1.2 微观结构分析

图5是扫描电镜观察到的微观结构。

赤泥能够改善混凝土的抗压强度，主要有两方面原因：一是赤泥起到物理填充作用，由图5(a)和(b)可知，普通混凝土孔隙较多，掺赤泥后混凝土孔隙较小，说明掺加赤泥能够提高混凝土的密实度，减小混凝土孔隙率；二是由于赤泥的火山灰特性，由图5(c)和(f)可知，r=0时，电镜图像呈现出较大尺寸的板状C—H晶体，可以看到针状的C—S—H凝胶；r=5%时，电镜图像中较大尺寸的板状C—H晶体减少，针状的C—S—H凝胶交错分布。混凝土中的水泥在水化过程中生成Ca(OH)2，与赤泥中的大量活性SiO2，Fe2O3，Al2O3进行二次水化反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，反应过程中消耗了生成的Ca(OH)2，同时促进水化进一步反应，改善界面的结构形态，从而提高混凝土的抗压强度。

图5 掺赤泥混凝土扫描电镜图像

2.2 赤泥掺量对混凝土放射性影响

不同赤泥替代率下的混凝土放射性检测结果如图6所示。r为0～20%时，3,28,90 d龄期下赤泥混凝土内外照射指数和总比活度均有所增加:3 d时增加幅度分别为188.5%,156.1%,142.5%；28 d时增加幅度分别为197.3%,163%,152.2%；90 d时增加幅度分别为200.2%,165.5%,154.8%。这是因为随着混凝土中赤泥越多，赤泥混凝土中的226Ra，232Th,40K含量越高，材料放射性就越强。不同水化龄期下，不同赤泥替代率的混凝土放射性检测结果如图7所示。随着水化龄期延长，内外照射指数和总比活度均有所增加，但增长幅度不大。说明不同赤泥替代率下，水化龄期对混凝土放射性影响不大。

图6 赤泥替代率对混凝土的放射性影响

图7 水化龄期对混凝土的放射性影响

赤泥具有一定天然放射性，放射性主要来源于226Ra，232Th,40K发生核衰变时释放的α,β,γ射线。掺赤泥的混凝土在水化过程中，一方面，随着水化进行，不断释放放射性核素离子，引起放射性对比活度的提高；另一方面，随着水化进行，产生的C—S—H凝胶对放射性核素有一定的吸附和包裹作用，将释放的放射性核素离子包封于固化体中，使得放射性对比活度降低。本文的赤泥替代率范围内各放射性指标满足文献[16]要求。

3 赤泥替代率对混凝土经济性影响

3.1 工程概况

以沈阳市燃气总公司八棵树储配站办公楼工程为例，分析赤泥替代混凝土的经济性。此工程为4层框架结构，檐口标高16.7 m，抗震设防烈度7度，地震加速度0.10g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，基本风压0.55 kN/m2，基本雪压0.50 kN/m2，工程立面图见图8。

图8 工程平、立面图

3.2 经济分析

采用中国建筑科学研究院的PKPM V2.2软件对0,5%,10%,15%,20% 5种赤泥替代率混凝土强度进行计算，并利用PKPM中的STAT-S模块进行工程量统计，具体工程量见表7。

由表7可知，随着赤泥替代率提高，钢筋用量相应降低，但幅度不大，主要是因为实际工程中梁、柱截面较大，配筋多由最小配筋率控制，如果适当调节截面尺寸，达到最优截面将会进一步节约钢筋；r=0，20%时，钢筋用量基本相当，这是因为r=20%时抗压强度与普通混凝土相当。根据表7中水泥用量，r=20%时，水泥用量减少20%，经济效果较好。

表7 工程量统计

赤泥主要在堆场堆放，维护费用昂贵，大约是氧化铝价格的2%左右。目前，氧化铝价格为2 800元/t，每生产1 t氧化铝大概产生2 t赤泥，生产1 t氧化铝产生的赤泥维护费用为56元。水泥价格为420元/t，根据表6～7，利用生产1 t氧化铝产生的赤泥替代20%的水泥可以制备27 m3混凝土，将节省水泥费用840元。因此，如果掺赤泥混凝土进行工程应用，每消耗1 t赤泥所产生的直接经济效益将达到448元，若考虑到消耗堆放的赤泥环境效益和社会效益及水泥生产过程中的能源消耗，赤泥在混凝土中应用的价值将会更大。

4 结 论

(1)水化龄期越长，相同赤泥替代率下的混凝土的抗压强度提高越明显；r=20%时，各水化龄期下的混凝土与普通混凝土抗压强度基本相当。

(2)随着赤泥替代率增加，混凝土立方体抗压强度先增加后降低，r=5%时，抗压强度最大，r=20%时，抗压强度最小。

(3)混凝土中赤泥越多，226Ra,232Th,40K含量就越高，材料放射性就越大。随着水化龄期延长，内外照射指数和总比活度均有所增加，但增加幅度不大，总体上水化龄期对赤泥混凝土放射性影响不大。掺赤泥的混凝土内外照射指数均满足文献[16]要求。

(4)掺赤泥的混凝土具有较好的经济效益，应用前景良好。