拜耳法赤泥对水泥浆体孔溶液碱度及强度发展的影响

拜耳法赤泥对水泥浆体孔溶液碱度及强度发展的影响 拜耳法赤泥对水泥浆体孔溶液碱度及强度 发展的影响 粉煤灰综合利用 FLYASHCoMPREHENS?EUTILIZATIoN2011NO.2 拜耳法赤泥对水泥浆体孔溶液碱度及强度发展的影响 InfluenceofBayerRed--mudontheAlkalinityofCement-basedMaterialPoreSolutionandt heStrengthDevelopment 吴芳,李利,周代军,李志杰 (重庆大学材料科学与学院,重庆400045) 摘要:通过测定同水胶比下拜耳法赤泥与普通硅酸盐水泥,硫铝酸盐水泥复配的水 泥浆体孔溶液pH值和抗压强 度,结合XRD研究了赤泥掺量对复配体系孔溶液碱度及抗压强度的影响.研 究明,普通硅酸盐水泥浆体和硫铝 酸盐水泥浆体孑L溶液碱度均随赤泥掺量的增加而增大.掺入赤泥并不会引起水 泥水化后期孔溶液碱度的增加.普通硅 酸盐水泥中赤泥掺量宜控制在30%以内,而硫铝酸盐水泥中赤泥掺量则不能超过 20%.普通硅酸盐水泥孔溶液碱度发 展与强度之间存在明显的相关性. 关键词:拜耳法赤泥;pH值;强度 中图分类号:TQ172.44文献标识码:A文章编号:1005.8249(2011)02-0007-05 WuFang,LiLi,ZhouDai—jun,LiZhi-jie (InstituteofMaterialScienceandEngineeringof.ChongqingUniversity,Chongqing40004 5,China) Abstract:ThepHvalueandeonlpressivestrenghofdifferentbayerred— mudcontentwithordinaryportlandcementandsulphoaluminate cementpasteporesolutionunderthesamewatercementratioweretested,Theeffecttheredmu dquantitywereanalyzedbyXRD.Testresults showedalinearincreaseinalkalinityofportlandcementpasteporesolutionandsulphoalumin atecementpasteporesolutionwithBayerred-mud. Redmudwouldnotincreasethelatealkalinityofcement-basedmaterialporesolution.themix ingamountofredmudintheportlandcementshould beintherangeofthirtypercentredmud,whilethemixingamountofredmudinthesulphoalumi na【ecementshouldnotexceedtwentypercent. Thecorrelationexistedobvivuslybetweenthealkalinityandstrengthofportlandcement. Keywords:Bayerred—mud;PHvalue;Strength 拜耳法赤泥是使用强碱NaOH溶出铝石型铝土矿 冶炼氧化铝时排出的红色泥状污染性废渣.研究资料 表明赤泥中含有相当数量的无定型铝硅酸盐物质,具 有一定的水硬活性,将其应用于水泥和混凝土制品中, 可实现经济和社会环境的"双赢"效益.但是赤泥的 浸出液及赤泥附液均含碱,主要成分为K,Na,Ca, Mg,A1,OH一,F一,C1一,SO等多种成分,pH值在l3 , 14之间?,因此将赤泥掺入到水泥基材料中将会对 材料的孔溶液碱度产生影响.孔溶液碱度会影响水泥 的水化硬化,水化反应历程,水化机理,关系到水泥石 硬化体中各水化产物的稳定性,进而影响材料的工程 性能.J,并且还会对矿物掺合料的活性产生重大影 第一作者:吴芳,女.副教授.主要从事建筑材科方面的教学与研究. Email:wufangl967@cqu.edu.cn 收稿日期:20114)1-06 响.通过测定不同龄期的硬化水泥浆体pH值还可 以从某种程度上反映水泥的水化进程.因此研究赤泥 的掺人引起的水泥孔溶液碱度变化对水泥基材料的反 应过程及强度发展影响是十分必要的. 通过测定同水胶比下拜耳法赤泥与普通硅酸盐水 泥,硫铝酸盐水泥复配的水泥基体系孔溶液pH值和 抗压强度,结合XRD分析研究了赤泥掺量对复配体系 孔溶液碱度及抗压强度的影响. 1原材料及试验方法 1.1原材料 原材料包括:重庆拉法基水泥有限公司生产的 42.5级普通硅酸盐水泥,唐山北极熊建材有限公司生 产的42.5级硫铝酸盐水泥;赤泥:重庆南川先锋氧化 铝厂生产,密度2.86g/CII1,180目筛余7%.经XRD 分析赤泥中相当一部分为无定形的铝硅酸盐物质,主 ? 7? 2011NO.2 粉煤灰综合利用 FLYASHCoMPREHENS?EUTILIZATIoN 要矿相有钙霞石,水化石榴石,含水铝硅酸钠,钙铁矿, 赤铁矿,方解石,一水硬铝石.各材料的化学组成见表 1,水泥性能见表2. 表1原材料化学成分/% 材料Si02Fe203AI203CaOMsoTiO2SO3总碱量烧失量 水泥初凝时间终凝时间一 垫 /mln/mln3d28d 抗折强度/MPa 3d28d 普通硅酸盐水泥18024030.955.75.88.8 硫铝酸盐水泥385758.365.68.79.0 1.2试验方法 测试试件采用净浆成型,按赤泥掺量0,50%及 水胶比为0.5成型3组40mm×40mm×40mm净浆试 件,20%,RH(90?5)%养护1d后脱模,养护至测试龄 期一组用于测定强度,另两组待用. 孔隙溶液碱度测定:取出到规定龄期的样品用无 水乙醇溶液中浸泡5d终止水化,在60?下干燥烘干 后,取各水化龄期的中间破碎净浆试块,用玛瑙钵研磨 至0.08mm(方孔筛)以下,每组试样称取10g,加入 100ml的蒸馏水充分搅拌后静置2h,用PH-2C型数字 式酸度计测定溶液pH值. XRD测试:取出到规定龄期的样品,用尖锐刀具 将其劈开,取中间部位破碎成2mm一4mm的小块用无 水乙醇中浸泡7d终止其水化,真空干燥至恒重,样品 在玛瑙研钵中研磨至一定细度后干燥备用.分析采用 日本理学公司生产的x射线衍射仪(RigakuD/max-3C ,工作功率 x射线衍射仪),XRD工作参数为:co靶 3KW,步长0.02.,扫描速度2~/min,扫描范围5.,7O.. 2试验结果及分析 2.1原材料配合比及试验结果 原材料配合比及孔溶液pH测定结果如表3. ? 8? 表3用于孔溶液分析的水泥浆体配合比及孔溶液pH测定结果 .r. 赤泥普通硅酸盐硫铝酸盐孔溶液碱度(pH值) 编号 /%水泥/%水泥/%—__——i—_— 2.2赤泥掺量对孔溶液碱度的影响 赤泥掺量对孔溶液碱度影响如图1,由图1可知, 普通硅酸盐水泥浆体和硫铝酸盐水泥浆体孔溶液碱度 均随赤泥掺量的增加而增大.硅酸盐水泥浆体pH值 随赤泥掺量增加呈线性增长,各龄期孔溶液增长速率 相差不大,赤泥掺量为50%的水泥净浆相对同龄期纯 水泥浆体增幅范围为0.8%,1.4%.当赤泥掺量超 过30%时孔溶液碱度达到平衡,pH值增加的幅度减 小.这可能是因赤泥替代水泥导致水泥生成的 Ca(OH)减少,体系的碱度降低.硫铝酸盐水泥浆体 随赤泥掺量增加孔溶液碱度增加幅度较大,养护龄期 为3d,7d,14d时掺有50%赤泥的水泥浆体的pH值相 对同龄期纯水泥浆体增幅分别为3.8%,1.7%, 2.3%.这是因为拜耳法赤泥中存在有大量的含碱铝 硅酸盐矿物,如云母,伊利石,钙霞石等,在碱性环境下 分解后释放出碱离子,铝酸根离子及硅酸根离子 等].并且这种反应存在一个平衡状态,即赤泥在混 凝士孔溶液中的析碱在达到平衡态后不再继续进行. 普通硅酸盐水泥体系中因CS水化速度快,释放出大 量ca(OH):,在这样的碱度环境下赤泥能够分解释放 出碱离子,但由于其较高的ca浓度,赤泥的析碱量 比较小.而硫铝酸盐水泥水化早期熟料矿物c:s的水 化给赤泥中含碱铝硅酸盐矿物提供了碱性环境使之分 粉煤灰综合利用 FLYASHCoMPREHENSIVEUTILlZATIoN2011NO.2 解析碱,但由于其ca浓度小,因此硫铝酸盐水泥中 赤泥的析碱量比硅酸盐水泥中的大,掺人赤泥后体系 的pH值增加明显. 】3.2 1:{ 12.8 l2.6 一 皇 l2.4 l2.2 12 I1.8 色 :{7l4 龄蹦d (a)普通硅酸盐水泥 口PR(j 口fI 目f他 日f】R3 翻l0l ?I5 口SR() 口SRl 目SR.{ 口SR: 圈Rl 107】?128确 龄!d (b)硫铝酸盐水泥 图1拜耳法赤泥对水泥浆体L溶液碱度的影响 从图1中也可以看出纯普通硅酸盐水泥浆体和掺 有赤泥的水泥浆体孔溶液碱度有相同的随时间变化趋 势即均随养护龄期延长先增加后降低,28d时孔溶液 碱度均达到最大值,当赤泥掺量超过20%时,水泥浆 体pH均大于13.0,都高于钢筋产生钝化膜的最小pH 值,可见掺入赤泥在一定程度上可以避免引起钢筋锈 蚀.纯硫铝酸盐水泥体系孔溶液碱度在养护3d之后 随着龄期延长增加缓慢趋于稳定.赤泥的掺入则会使 硫铝酸盐水泥浆体7d的pH值降低,在14d时水泥孔 溶液碱度有所回升,随后孔溶液才随龄期延长而降低. 这是因为随着水泥水化和含碱矿物分解析碱,将消耗 孔溶液中的OH一,在早期的水泥浆体中,由于Ca(OH) 的分解,这些消耗的OH一可以得到及时的补充,并由于 碱离子浓度增大而使得孔溶液pH值提高.但是随着 龄期增长赤泥表面受到水化产物的包裹,ca(OH)的 分解和扩散受到限制,此时在赤泥内部进行的分解反 应由于OH一得不到及时补充,水泥孔溶液的碱度开始 下降.试验表明掺人赤泥并不会引起水泥水化后期孔 溶液碱度的增加. 2.3水泥净浆的抗压强度发展 014284256 龄蚓,/d (a)普通硅酸盐水泥 0l4284256 龄期d (b)硫铝酸盐水泥 图2赤泥掺量对水泥净浆强度的影响 同一水胶比不同赤泥掺量的水泥净浆抗压强度见 图2.由图2(a)可见,当赤泥掺量少于30%时,水泥 ? 9? 硒 童曲强蟹暴 叠—??曩???曩? 捶蓬融氍匪莲匿睡重匪器露量 霹曩疆曩嚣曩要 氍匪誓睡睡盛露氍蠹 ???????? -_鼍?量蠢IIl譬孽l %l三l.,. ?塞,蓉 ?曩——曩曩—l 僵l区基譬誓l盛匪匪噩基 —?l———一 曩ll?Illl噩 2011NO.2 粉煤灰综合利用 FLYASHCOMPREHENSIVEUTILIZATIoN 净浆3d的抗压强度为22.63MPa高于纯水泥净浆抗 压强度18.87MPa,说明赤泥对普通硅酸盐水泥早期强 度发展有促进作用.这是因为随着水泥水化程度的增 加,生成的氢氧化钙量也相应增加,与赤泥中活性成分 的反应速率加快.同时赤泥消耗了Ca(OH),使水泥 中的cS和CS水化加速,所以其抗压强度增加率较 快,水泥浆体孔溶液碱度发展变化也证实这一点,普通 硅酸盐水泥3d的pH值略低于水泥浆体1d的pH值. 水泥净浆试样的后期强度随着赤泥掺量的增加而下 降,掺入赤泥后净浆28d强度明显降低,掺有30%赤 泥的水泥净浆强度为纯水泥净浆强度的31.6%.而 图2(b)表明,掺入赤泥,对硫铝酸盐水泥体系强度没 有明显促进作用.掺人10%一20%赤泥的硫铝酸盐 水泥净浆抗压强度降低幅度不大,但是赤泥掺量超过 30%,水泥净浆强度则下降明显,1d的净浆强度仅为 纯硫铝酸盐水泥的49.7%. 同掺有赤泥的的普通硅酸盐水泥相比,赤泥对硫 铝酸盐水泥体系净浆强度没有任何促进作用,由此可 见,赤泥的活性需要一定的水泥碱度来激发.但是存 在于孔溶液中的碱会参与碱.集料反应,P.J.Nixon 等人的研宄证明,孔溶液的碱度降低与抑制碱一集料 反应引起的膨胀有较好的关系,若能将孔溶液中的碱 度降低到一定程度,则可抑制碱.集料反应的发生.因 此,为了使水泥即具有较高的强度又能避免碱度过高 对水泥性能带来的不利影响,普通硅酸盐水泥中赤泥 掺量宜控制在30%内,而硫铝酸盐水泥中赤泥掺量则 不能超过20%. 2.4不同赤泥掺量下水泥浆体孔溶液碱度与强度 的关系 图3分别给出了不同赤泥掺量下水泥浆体孔溶液 碱度与强度的关系结果.从图3(a)中可以看出普通 硅酸盐水泥孔溶液碱度与强度之间存在明显的相关 性.随着赤泥掺量的增加关系曲线逐渐向左移动,最 大pH值对应的强度相应减小.并且28d龄期之前水 泥浆体的pH值随着净浆强度的增长而增加,之后随 净浆强度增加而减小.而从图3(b)可见赤泥的掺入 使硫铝酸盐水泥孔溶液碱度与强度关系发生明显变 化,但是不同赤泥掺量的水泥浆体孑L溶液碱度与强度 之间不存在明显规律,波动较大. ? l0? 132 1:3.1 l:3 12.9 12.8 一 岂12.7 12.6 12.5 12.4 12.3 l2.2 lO2O3O4050 强度pa (a)酱通砖酸盐水泥 强度/MPa 硫铝酸盐水泥 图3不同赤泥掺量下水泥浆体孔溶液碱度与强度之问 的关系 2.5水化产物分析 图4是28d龄期赤泥掺量为30%的水泥试样和 纯水泥试样的XRD图谱.由图4可看出,对于纯普通 硅酸盐水泥试样,掺入赤泥后的水泥中没有新相形成, 但Ca(OH)特征峰有所降低,水化产物中的钙矾石减 少结晶度差,这是因为掺人赤泥后水泥含量减少,反应 生成的钙矾石减少,同时也说明水化过程水泥与赤泥 发生二次反应消耗了Ca(OH).掺有赤泥的硫铝酸 盐水泥试样中C.S—H峰值增强,同时Ca(OH):特征峰 明显增多,可能是由于赤泥与水泥反应生成C?S—H后 仍有部分矿物溶解产生OH一和Ca结合生成 Ca(OH),.XRD图谱表明水化产物主要为C-S—H(I) 8【l-6—4321 ??n??Un? 毛 粉煤灰综合利用 FLYASHCoMPREHENSIVEUTILIZATIoN2011NO.2 凝胶,具有低Ca/Si比,该凝胶能够吸收和固定大量的 Na和K,这也将降低水泥浆体孔溶液碱度. 1430 {?0 1200 1100 '..0 9OO 800 《700 鑫s0O 503 4.. m 2.. 100 0 10203340508O70 1uZUu4g0U50u 2IJ) (b)硫锚酸水泥 图428d水泥净浆XRD图 3结论 (1)普通硅酸盐水泥浆体和硫铝酸盐水泥浆体孔 溶液碱度均随赤泥掺量的增加而增大.但掺入赤泥并 不会引起水泥水化后期孔溶液碱度的增加. (2)为了使水泥即具有一定的强度又能避免碱度 过高对水泥性能带来的不利影响,普通硅酸盐水泥中 赤泥掺量控制在30%内,而硫铝酸盐水泥中赤泥掺量 则不能超过20%. (3)普通硅酸盐水泥孔溶液碱度发展与强度之间 存在明显的相关性.随着赤泥掺量的增加关系曲线逐 渐向左移动,最大pH值对应的强度相应减小.28d龄 期之前水泥浆体的pH值随着净浆强度的增长而增 加,之后随净浆强度增加而减小.不同赤泥掺量的硫 铝酸盐水泥浆体孔溶液碱度与强度之间则不存在明显 的规律,波动较大. 参考文献 氧化铝赤泥处置方式浅谈[J].有色冶金与研究 [1]戚焕岭. 2007,28(2/3):1217l25. 欢迎投稿欢迎订阅欢迎刊广告 ,,,一一一一一一一,一,,,一,一一一,一一,一一,一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一