碱活化红泥骨料混凝土的力学性能：实验研究与机理分析

《Results in Engineering》：Mechanical properties of alkali-activated red mud aggregate concrete: Experimental study and mechanism analysis

红泥作为拜耳法铝土矿冶炼副产物，其高碱性和重金属污染严重制约环境治理与资源化利用。本研究通过正交试验和微观分析，系统优化了碱激发红泥人工骨料（RMA）的配比，确定了70%红泥+30%矿渣、水玻璃模数1.8、当量碱7%的的最佳组合，使RMA 28天抗压强度达39.1MPa，抗折强度7.4MPa，并通过SEM-XRD-FTIR揭示C-A-S-H凝胶的形成机制及重金属（As、Cr、Pb）的固定效果。研究还验证了RMA混凝土在0.28水灰比和50%替代率下，28天抗压强度达19.1MPa，抗冻融循环性能最优。

　　
本研究针对铝土矿冶炼过程中产生的红泥这一高碱、高重金属污染的工业固废，提出通过水玻璃活化制备红泥人工骨料（RMA）的工艺，并系统优化其性能。研究结合宏观力学测试与微观结构表征，揭示了红泥骨料混凝土（RMAC）的力学性能、耐久性及重金属固化机制，为工业固废资源化利用提供了新思路。

### 1. 研究背景与意义
红泥作为铝土矿冶炼副产物，全球堆存量已达60亿吨，其高pH值（12.6）和Fe?O?（33.77%）、Al?O?（22.91%）等活性成分，既存在土壤和水体污染风险，又蕴含制备碱激发材料的潜力。传统人工骨料依赖高温烧结工艺，能耗高且碳排放大。本研究通过水玻璃（模数1.8，碱当量7%）活化红泥与钢渣复合体系，在非烧结条件下实现骨料制备，其环境效益显著。

### 2. 材料制备与性能优化
#### 2.1 红泥骨料（RMA）制备
研究采用Bayer法红泥（主要成分为Fe?O? 33.77%、Al?O? 22.91%、SiO? 19.21%）与钢渣（CaO 57.12%、SiO? 22.53%、Al?O? 10.99%）按70:30质量比混合，通过水玻璃活化（模数1.8，碱当量7%）形成活性骨料。关键工艺参数包括：
- **红泥掺量**：50%-90%，最佳为70%（A7-R70），过高掺量（>80%）导致活性成分不足，抗压强度下降至15.8 MPa；
- **水玻璃模数**：1.4-2.0，最佳1.8，过高模数（2.0）因硅源过量抑制强度发展；
- **碱当量**：5%-9%，7%时形成最密实的C-A-S-H凝胶网络。

#### 2.2 骨料性能表征
- **力学性能**：RMA 28天抗压强度达39.1 MPa，弯曲强度7.4 MPa，显著高于普通骨料（强度约25 MPa）。其机理在于红泥中活性Al?O?（22.91%）与钢渣（10.99%）协同形成纳米级C-A-S-H凝胶（占比>60%），填充孔隙并增强骨料间粘结。
- **物理性能**：最优RMA（A7-R70）堆积密度1134 kg/m3，表观密度2186 kg/m3，水吸收率13.27%，均优于普通骨料。水泥包覆层（3-4 mm）有效抑制水分渗透和重金属迁移。
- **重金属固化**：经水泥包覆后，Cr3?和As??的固化率分别达94.3%和98.4%，SEM-EDS显示重金属离子与C-A-S-H凝胶发生电荷平衡反应，形成稳定固结体。

#### 2.3 微观结构分析
- **XRD谱图**：A7-R70骨料显示宽峰（2θ=27-29°），对应无定形SiO?与活性铝硅酸盐的C-A-S-H凝胶；而A9-R90骨料中Cr3?固溶体（2θ=28.3°）比例升高，导致结构脆化。
- **FTIR特征峰**：1402 cm?1处Si-O键振动峰强度最高（A7-R70），表明活性SiO?充分参与聚合反应；945 cm?1处Al-O键峰反映铝源活化程度。
- **SEM图像**：骨料内部形成致密三维网状结构（孔径<5 μm），C-A-S-H凝胶厚度达50-80 nm，有效抑制水分渗透（水吸收率<15%）。

### 3. 红泥骨料混凝土（RMAC）性能
#### 3.1 配比优化
- **最佳水灰比**：0.28时，RMAC 28天抗压强度达19.1 MPa（较普通混凝土提升38%），其机理在于水灰比降低至0.28时，水泥浆体包裹RMA的孔隙率从32%降至20%。
- **骨料替换率**：50%时，RMAC抗压强度最高（18.6 MPa），100%替换时强度降至14.3 MPa。这源于红泥骨料吸水率（13.27%）高于天然骨料（2.6%），需控制水灰比以平衡浆体包裹效应。

#### 3.2 耐久性性能
- **抗冻融性**：25次冻融循环后，RMAC（50%替换率）抗压强度损失率仅10.19%，而普通混凝土（W28-R0）达21.29%。微观上，C-A-S-H凝胶的膨胀应力（约0.8 MPa）有效补偿冻融膨胀（最大膨胀量3.5%）。
- **抗渗性**：0.28水灰比时，RMAC渗透系数降至1.2×10?12 m2/s，较普通混凝土（4.28×10?11 m2/s）降低72%。这是由于RMA的孔隙率（20%）和浆体密实度（>95%）协同作用。

#### 3.3 失效机制
微观分析显示，RMA混凝土破坏模式包含：
1. **骨料界面剥离**：RMA与水泥浆体界面存在5-10 μm过渡层，界面结合强度仅达母体混凝土的60%；
2. **凝胶退化**：长期碳化（CO?分压>0.5 MPa）导致C-A-S-H凝胶中CO?2?占比达35%，引发体积收缩（收缩率0.8%）；
3. **微裂缝扩展**：冻融循环下，骨料内部形成纳米级裂纹（宽度<50 nm），经声发射监测，裂纹扩展速率与渗透系数呈正相关（R2=0.89）。

### 4. 技术经济性分析
- **成本对比**：RMAC原料成本较天然骨料混凝土低18%（钢渣与红泥合计成本约$45/m3，天然骨料混凝土约$55/m3）；
- **碳减排**：每吨RMAC替代天然骨料可减少CO?排放0.32吨，综合成本降低12%；
- **规模化瓶颈**：当前制备工艺中，RMA球形度（0.68）较天然骨料（0.82）低，导致混凝土离析率增加3%-5%。

### 5. 局限性与改进方向
- **活性利用率不足**：红泥中SiO?（19.21%）与Al?O?（22.91%）的化学计量比偏离最优（1.5-2.0），需开发预活化工艺；
- **长期耐久性待验证**：研究显示100次冻融后强度损失率<30%，但实际工程中需验证50年周期下的性能衰减；
- **重金属迁移风险**：Cr3?在pH=8.5时仍具迁移性，建议后续研究采用纳米沸石包覆技术。

### 6. 工程应用建议
- **最佳应用场景**：地下工程（渗透系数<1×10?? m2/s）、短期暴露环境（冻融循环<50次）；
- **施工要点**：需控制浇筑温度（<30℃）以减少碱激发剂挥发，养护周期延长至28天以上；
- **成本优化路径**：钢渣掺量可降至25%时仍保持同等强度，降低原料成本约25%。

本研究建立了红泥基人工骨料的全生命周期性能数据库，为工业固废在绿色建材领域的应用提供了理论支撑与工艺范式。未来研究可聚焦于开发红泥预活化技术（如微波活化）以提高材料性能，同时探索在海洋工程等特殊环境中的应用潜力。