基于红泥陶瓷砂替代石英砂骨料的功能混凝土制备：电磁波吸收与力学强度的强化机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Functional concrete preparation via substitution of quartz sand aggregate by red mud based ceramsite: Intensifying mechanisms of electromagnetic wave absorption and mechanical strength

　　- 将粉状赤泥制成具有吸波性能的高强陶粒。- 赤泥基陶粒可替代混凝土制备中的天然骨料。- 赤泥基陶粒混凝土具有良好的力学和电磁性能。- 陶粒与水泥之间的界面啮合结构增强了强度。- 陶粒的复杂硅酸盐和包裹结构抑制了钠的溶解。- 讨论了含赤泥的普通混凝土和陶粒混凝土的微观结构与性能。## 引言赤泥（RM）是在铝土矿碱浸过程中产生的有害工业副产品。据统计，每生产1吨Al?O?，就会产生1到2吨赤泥[1], [2]。在中国，赤泥的年排放量接近1亿吨，而全球赤泥的累计堆积量已超过40亿吨[3], [4]。赤泥呈强碱性，pH值范围为10.5至13.5。大量赤泥的堆积不仅破坏了周围土壤的结构，还由于碱金属的渗入而污染了地下水源[5]。然而，全球赤泥的综合利用率不足10%[6]。如果不进行有效处理，将对环境和人体健康造成严重危害。因此，开发大规模利用赤泥是实现其高比例消耗和综合利用的重要途径。用冶金固体废弃物替代天然砂和砾石是建筑材料行业的重大进步，也是赤泥利用的一种可行且大规模的方案。在建材领域，河砂资源的短缺是一个全球性问题，主要原因是天然河砂属于不可再生资源，且其开采受到限制，而建筑需求持续增长，导致供需失衡[7], [8]。另一方面，中国已实施禁止开采河砂并关闭露天矿场的政策，导致天然砂石供应急剧下降。冶金固体废弃物含有Si、Ca、Al和Fe等元素[9]，可作为天然砂和砾石的替代品。例如，钢渣的强度与自然砂相似，并且具有水硬性胶凝特性，可以增强胶结回填材料的强度。相关研究[7]表明，用钢渣替代50%的砂和砾石可以制备出结构更致密、力学性能显著提升的超高性能混凝土。高碳铬铁渣经研究证明对混凝土性能没有显著的负面影响，其体积稳定性和重金属浸出毒性均符合标准[10]。用冶金固体废弃物替代天然砂和砾石可以同时节约资源并为废弃物增值。在此背景下，许多学者尝试将赤泥作为建筑材料生产中的替代原料[11], [12]。在混凝土行业，赤泥可用于调节碱活性和矿物组成。然而，直接使用粉状赤泥会引发碱-骨料反应，损害混凝土性能。粉状赤泥掺入水泥的比例通常低于10%。调整赤泥的物相、形貌和添加方式可能会增加其在混凝土中的比例。天然砂和砾石具有特定的粒径特征，通过优化调整物相组成、粒径和添加方式，可以在混凝土中实现更高比例的赤泥利用。基于上述问题，将粉状赤泥转化为陶粒已成为一种创新解决方案。陶粒是一种轻质、多孔陶瓷，具有高强度和化学稳定性，广泛应用于砌块和混凝土等绿色建筑材料中[13], [14]。传统陶粒生产的主要原料包括膨胀粘土、页岩和板岩[15], [16], [17]。含SiO?和斜长石等工业生产废弃物、河流淤泥和油泥等展示了陶粒的潜在应用价值[18], [19], [20]。研究表明，赤泥、污泥、粉煤灰和煤矸石等工业废弃物可用于制备高性能陶粒[21], [22], [23], [24]，所生产的陶粒可部分替代砂和砾石等天然骨料用于混凝土制备[22], [25], [26], [27]。赤泥含有Al?O?、SiO?和Fe?O?等成分，这些恰恰是制备硅酸盐陶粒所需的主要成分[1]。通过优化配比和烧结工艺，赤泥基陶粒的密度可达到770-1170 kg/m3，抗压强度可达8.2 MPa[22], [28], [29], [30]。研究表明[31], [32]，赤泥基陶粒可以有效固结其晶格结构中的碱金属和其他有害元素，从而防止其迁移和释放。例如，通过烧结处理，赤泥基陶粒的碱金属固结率可达95%以上[33]。此外，赤泥中存在的Al?O?和SiO?可能通过调节陶粒烧结过程中微区域熔体性能来增强碱金属固结[32], [34]。因此，建议将赤泥制备为建筑陶粒在促进其大规模利用和弥补天然砂石资源不足方面具有重要作用。另一方面，赤泥由于其固有的多金属成分，还可以赋予混凝土电磁波吸收功能。鉴于电磁辐射已成为第四大主要污染源[35], [36], [37]，开发高效的电磁波吸收剂至关重要[38]。电磁波吸收材料凭借其强大的吸收能力和环境兼容性在污染控制领域引起了广泛关注[39], [40]。通常，水泥基材料是一种优异的介电损耗型吸波材料[41]。通过在基体中加入粉煤灰和二氧化锰等掺合料，可以显著增强材料的介电损耗性能，从而提高其电磁波吸收能力[42]。相关研究表明，铁氧体吸收剂在增强水泥基材料的电磁波吸收性能方面非常有效，可实现9.69 GHz（-10dB）的有效带宽[43]。使用廉价且丰富的赤泥作为原料制备铁氧体吸收剂可以显著降低制造成本，因为赤泥富含Fe、Ti、稀土元素以及具有潜在电磁波吸收能力的其他成分。将赤泥基陶粒掺入混凝土中可以同时赋予其力学强度和功能性。在本研究中，将粉状赤泥制成具有良好吸波性能的高强陶粒。随后，通过用赤泥基陶粒替代石英砂骨料制备了功能性混凝土，并重点阐述了电磁波吸收和力学强度的增强机制。对比了粉状原始赤泥、重构赤泥（RRM）和RRM陶粒对混凝土中石英砂的替代行为。研究证明，将赤泥以陶粒的形式替代混凝土中的石英砂可以极大地增强水泥基材料的吸波能力，同时改善其力学性能并促进赤泥中碱金属Na的固结。此外，本研究还研究了电磁波吸收和力学强度增强的内在机制。本工作为赤泥的大规模利用及其在高性能功能混凝土材料开发中的应用提供了新的见解。## 分节摘要### 原材料本研究使用的拜耳法赤泥取自河南省一家氧化铝厂。其主要化学成分为Fe?O?（50.84 wt.%），其次是Al?O?（21.71%）、SiO?（11.06%）、Na?O（7.29%）、TiO?（5.04%）和CaO（2.09%）。拜耳法赤泥和二氧化锰（MnO?，纯度≥85%，荣化学试剂有限公司）作为制备混凝土电磁波吸收剂的原料。RRM是赤泥与MnO?焙烧后得到的产物。普通硅酸盐### 结果与讨论在本工作中，将粉状赤泥和RRM以及RRM陶粒部分替代石英砂来制备混凝土。原材料的表征已在我们的前一项研究中报道[44]。需要特别注意的是，赤泥的主要晶相包括方沸石（Na?CaAl?Si?CO?O??•2H?O）、莫来石（3Al?O?•2SiO?）、三水铝石（Al(OH)?）、针铁矿（FeO(OH)）、赤铁矿（Fe?O?）、石英（SiO?）、金红石（TiO?）和方解石（CaCO?）。用MnO?在1200℃下重构后### 结论(1) 用RRM基陶粒替代石英砂可以同时增强混凝土的力学强度。URSC-7mm混凝土的抗压强度达到47.06 MPa，比参考混凝土高出4.2 MPa。这种增强归因于陶粒与水泥基体之间形成的啮合界面、局部Ca/Si比升高促使形成高密度C-S-H的致密化界面过渡区，以及### CRediT作者贡献声明**杨刘一：** 数据整理。**黄瑶：** 写作——审阅与编辑、可视化、方法论。**刘兵兵：** 项目管理、资金获取、概念化。**杨佩东：** 数据整理。**方书亚：** 数据整理。**韩贵红：** 写作——审阅与编辑、资金获取。**黄燕芳：** 数据整理。**孙虎：** 调查、数据整理。**苏盛鹏：** 数据整理。## 利益冲突声明作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响到本文所述工作的完成。## 致谢作者谨向国家自然科学基金（编号52474303）以及河南省高校创新人才支持计划（编号23HASTIT004、24IRTSTHN015）提供资金支持表示感谢。## 利益冲突声明作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响到本文所述工作的完成。---**作者列表：** 刘兵兵 | 黄瑶 | 方书亚 | 杨佩东 | 杨刘一 | 苏盛鹏 | 孙虎 | 黄燕芳 | 韩贵红