红泥掺入对碱活化粉煤灰高温性能的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effects of Red Mud Incorporation on the High-Temperature Performance of Alkali-Activated Fly Ash

赤泥与粉煤灰复合碱激发体材料（AAFM）的高温性能研究。通过XRD、TGA等分析发现，适量赤泥可提升AAFM的残余抗压强度（800℃时达47.6MPa，较AAFA提高20%），其机制涉及赤泥活性组分促进N-A-S-H凝胶形成及孔隙结构优化。

　　本研究聚焦于红泥（RM）在碱激发体系中的反应性及其对碱激发飞灰（AAFA）在高温环境下的性能影响。通过一系列实验手段，如X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、汞渗透孔径分析（MIP）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）以及固态29Si魔角旋转核磁共振（MAS NMR），研究人员系统分析了RM与飞灰混合后形成的复合碱激发胶凝材料（AAFM）在不同温度条件下的矿物相组成、无定形凝胶结构及孔隙结构的变化。实验结果表明，适量的红泥在碱激发过程中能够显著改善AAFM的高温性能。尤其是在800℃高温条件下，AAFM的残余抗压强度达到47.6 MPa，比纯AAFA的残余抗压强度39.7 MPa高出20%。这说明红泥在提升高温性能方面具有独特的优势。

在高温环境下，普通波特兰水泥的水化产物，如氢氧化钙（Ca(OH)?）和钙硅酸盐水化物（C-S-H），会因高温分解而失去其结构稳定性，导致材料性能的显著下降。因此，开发具有良好高温性能的替代性胶凝材料成为当前研究的重点。相比之下，碱激发材料因其优异的耐火性能和绿色生产特性，逐渐受到关注。其中，碱激发飞灰（AAFA）表现出较低的热收缩率和较好的高温残余强度，但其单独使用时存在一定的局限性，例如需要蒸汽养护和较低的抗压强度。为了克服这些不足，研究者开始探索将高钙固体废弃物，如矿渣、钢渣和碳化渣等，与飞灰结合使用，以提升其机械性能。

红泥作为一种非溶性碱性副产物，在氧化铝生产过程中产生，通常用于铝冶炼行业。每生产一吨氧化铝，大约会生成1.5吨红泥。红泥因其细小的颗粒尺寸、高碱性以及含有重金属离子，给环境和健康带来潜在威胁，因此其处理和管理成为日益严峻的问题。然而，红泥在建筑领域中的潜在应用，尤其是作为碱激发水泥的原料，正在引起越来越多的关注。红泥主要由二氧化硅（SiO?）、三氧化二铝（Al?O?）和三氧化二铁（Fe?O?）组成，其中含有大量的无定形成分，这些成分具有一定的胶凝性能，使得红泥可以与其它固体废弃物共同用于碱激发材料的制备。因此，红泥展现出作为替代性结合剂的潜力，不仅有助于实现环境可持续性，还能提升材料的性能。

研究发现，红泥中的活性成分能够促进碱激发过程中铝硅酸盐水化凝胶的形成，特别是富含铝的钠铝硅酸盐水化凝胶（N-A-S-H）。这些凝胶结构在高温条件下表现出较高的热稳定性，从而为胶凝材料提供较强的残余强度。同时，红泥中的惰性成分则有助于拓宽AAFM浆体的孔隙分布，使材料在高温下具有更好的结构稳定性。通过调整红泥与飞灰的比例，可以进一步优化AAFM的高温性能。例如，Zhang等人的研究表明，红泥与飞灰的配比对最终形成的碱激发材料的机械性能有显著影响。Romano等人的研究指出，红泥中的高钠和可溶性铝酸盐含量有助于钙硅酸盐水化物（C-S-H）和钠铝硅酸盐水化物（N-A-S-H）的生成。Ye的研究表明，红泥在溶解过程中会释放出大量的可溶性硅、铝和钠，这些成分对聚合反应有积极作用。通过预处理红泥，可以提高其中硅和铝的反应活性。Wei的研究表明，红泥与飞灰共存时，能够增强N(C)-A-S-H凝胶的形成。Yang的研究指出，基于红泥和飞灰的碱激发材料在600℃以下可以保持稳定的机械性能。

通过实验分析，研究者发现红泥在碱激发体系中的反应过程具有独特性。红泥中的活性成分不仅促进了凝胶的形成，还提高了飞灰的参与度，使得聚合反应更加充分。同时，红泥中的惰性成分对孔隙结构的分布也产生了积极影响，使得AAFM在高温下具有更好的结构稳定性。研究还指出，高温性能的提升主要依赖于红泥引发的凝胶聚合增强以及孔隙分布的优化。通过整合不同分析手段，研究者能够更清晰地理解AAFM在高温条件下的性能变化，以及红泥在其中的作用机制。

本研究不仅揭示了红泥在碱激发体系中的反应机制，还评估了其在高温环境下的应用潜力。通过系统的实验分析，研究者能够确定红泥在提升AAFM高温性能方面的关键作用，并为未来相关材料的研发提供理论依据。研究结果表明，红泥的引入不仅有助于改善AAFM的高温性能，还能在一定程度上提升其整体性能。因此，红泥作为一种潜在的替代性结合剂，具有广阔的应用前景。在实际工程中，红泥与飞灰的合理配比将有助于开发出性能优异的碱激发材料，满足高温环境下的使用需求。

此外，研究还探讨了红泥在碱激发体系中的反应动力学及其对材料性能的影响。通过XRD和FT-IR分析，研究人员能够观察到红泥在碱激发过程中矿物相的变化，以及凝胶结构的形成。同时，通过MIP和29Si MAS NMR分析，研究人员能够了解AAFM在高温条件下的孔隙结构变化，以及凝胶的聚合程度。这些分析手段的结合使得研究者能够更全面地评估红泥在碱激发体系中的作用，为材料的优化提供支持。

本研究的结论表明，红泥的引入能够有效改善碱激发飞灰在高温环境下的性能。通过调整红泥与飞灰的比例，可以进一步优化AAFM的高温性能。因此，红泥作为一种潜在的替代性结合剂，具有广阔的应用前景。在实际工程中，红泥与飞灰的合理配比将有助于开发出性能优异的碱激发材料，满足高温环境下的使用需求。同时，研究还指出，红泥在碱激发体系中的反应过程具有独特性，其活性成分和惰性成分共同作用，使得AAFM在高温下具有更好的结构稳定性和机械性能。

本研究不仅具有理论价值，还具有重要的实践意义。随着对可持续建筑材料需求的增加，红泥作为一种工业副产物，其资源化利用成为研究热点。通过研究红泥在碱激发体系中的反应机制，研究人员能够为相关材料的开发提供理论支持，并为工业废弃物的处理和利用提供新的思路。此外，研究还表明，红泥在提升AAFM高温性能方面具有独特优势，这为未来相关材料的研发提供了方向。因此，红泥的引入不仅有助于改善材料的性能，还能在一定程度上提升其环保性，实现资源的高效利用。

综上所述，本研究通过系统的实验分析，揭示了红泥在碱激发体系中的反应机制及其对材料性能的影响。研究结果表明，红泥的引入能够有效改善AAFM的高温性能，尤其是在800℃高温条件下，其残余抗压强度显著高于纯AAFA。因此，红泥作为一种潜在的替代性结合剂，具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步探讨红泥在不同配比和不同工艺条件下的应用效果，以及其在实际工程中的可行性。同时，研究还指出，红泥的活性成分和惰性成分在材料性能提升中起着关键作用，这为相关材料的优化提供了理论依据。通过深入研究红泥在碱激发体系中的反应机制，研究人员能够为可持续建筑材料的发展提供支持，推动工业废弃物的资源化利用。