赤泥激发胶凝材料设计及其用作道路基层的性能研究

发布时间：2020-03-27 06:09

【摘要】：赤泥是氧化铝工业生产过程中一类排放量大、处置成本高、大规模资源化利用难度大、对环境影响严重的大宗工业固体废弃物。赤泥露天堆存不仅占用大量土地,而且维护费高昂。且赤泥中高含量的碱附液及重金属离子浸出液会破坏土壤,污染地下水系,影响居民的健康。因此,亟需一种能够大量消纳赤泥,减少赤泥堆存的有效途径。针对赤泥大量堆存引发的一系列问题,本文以赤泥、粉煤灰为主要原材料,通过掺入少量石灰和脱硫石膏改性制得高性能的赤泥激发胶凝材料用于高等级道路基层材料的建设,从而达到消纳固体废弃物同时开发新型道路基层材料的双重目的,具有显著的社会经济效益。本文首先通过配合比设计得到赤泥激发胶凝材料最优配比组合;随后在最优配比范围内,评价了石灰、脱硫石膏掺量变化对各试验组在力学性能、渗透性能、体积稳定性、耐久性能方面的影响规律;最后利用现代测试技术方法(Microcalorimeter、XRD、FTIR、TG-DSC、MIP、SEM)探究了赤泥激发胶凝材料的微观机理,建立了与宏观性能之间的联系;此外,本文还分析了赤泥激发胶凝材料浸出液中Na~+和重金属离子溶出特性,初步尝试了对Na~+和重金属离子的固化并分析了固化机理。本文得到的研究结果表明:(1)随赤泥掺量增加,材料的无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度随之增强,但赤泥存在最佳掺量,当掺量超过60%后,材料的性能开始下降。(2)石灰的掺量对赤泥激发胶凝材料性能改善显著,材料的力学性能、渗透性能和耐久性能均受石灰掺量影响。当石灰掺量大于5%,赤泥激发胶凝材料的性能虽会随石灰掺量增加而提升,但增幅并不明显。(3)在赤泥激发胶凝材料中加入脱硫石膏会改善材料的各项性能,尤其是脱硫石膏的微膨胀效应能够提高材料体积稳定性。但脱硫石膏掺量不宜过高,当掺量超过5%将导致性能下降甚至后期强度倒缩。(4)基于碱激发和硫酸盐激发的理论,复掺5%石灰和5%脱硫石膏可以得到各项性能优异,且材料成本低廉的赤泥激发胶凝材料。(5)研究了优化配比范围内石灰和脱硫石膏掺量对赤泥激发胶凝材料的Na~+和重金属离子的溶出规律,发现加入石灰和脱硫石膏均可有效降低Na~+和重金属离子的溶出浓度。石灰掺量增加,Na~+和重金属离子溶出浓度降低,脱硫石膏掺量增加对Na~+和重金属离子溶出变化不明显。(6)通过改变赤泥激发胶凝材料中粉煤灰的种类,发现Ca含量越低的粉煤灰对Na~+离子的固化效果更好;研究了在赤泥激发胶凝材料中添加Mg-Al-CO_3LDHs对重金属离子的固化效果,结果表明,Mg-Al-CO_3 LDHs能够有效固化赤泥激发胶凝材料中含有的Pb~(2+)、Cu~(2+)、Cr~(3+)、As~(3+)离子。
【图文】：

赤泥,堆存

赤泥作为一种危险固体废弃物，如处理不当，将严重破坏当地生态环境，威胁周围居民生命财产安全。由此引发的一系列问题不仅将氧化铝厂推到了风口浪尖，还冲击着铝产业的经济发展。因此，相关部门亟需对此重拳出击，开发赤整合利用赤泥的核心技术，最大化资源化解决赤泥堆存问题。

赤泥,水钙铝榴石,原状,主要矿物

（1）赤泥本试验所用赤泥为拜耳法赤泥，取自山西某铝业公司赤泥堆场，，原状赤泥为膏体，棕色（图 2-2）。采用 Italian standard soil analysis procedures 分析方法测试其 pH 值为 11.69。原状赤泥经干燥后获得粉状物质，其比表面积为 1085.4m2/kg，密度为 2.81g/cm3。主要化学成分见表 2-1。表 2-1 赤泥化学成分分析（%）氧化物 SiO2Al2O3CaO Fe2O3Na2O TiO2K2O PbO As2O3Cr2O3LOI百分比 21.43 22.72 16.49 9.98 11.51 3.98 0.42 0.013 0.007 0.051 13.41分析赤泥的化学成分可以看出，其主要成分为 SiO2、Al2O3、CaO、Na2O、Fe2O3。其中 Na2O 含量高达 11.51%，这与拜耳法冶炼氧化铝使用 NaOH 溶液分离铝矾土矿有关。此外赤泥中含有一定量的重金属元素，包括 Pb、As、Cr 等。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U414;U416.2

【参考文献】