赤泥吸聲陶粒的制備與性能研究

朱萬旭　李巖　周紅梅　羅濤

摘 要：以制鋁工業的廢棄物赤泥、廢棄混凝土粉末、粉煤灰、膨潤土為原材料，研究材料配比對吸聲陶粒的物理性能及微觀結構的影響，并與市售陶粒的吸聲性能進行對比。結果表明，隨著赤泥用量的增加，赤泥吸聲陶粒的堆積密度和筒壓強度增大，吸水率下降；隨著廢棄混凝土粉末用量的增加，赤泥吸聲陶粒的堆積密度和筒壓強度降低，吸水率先升后降；混料試驗確定最優質量配合比為3.5∶1.0∶2.2∶3.3（赤泥∶廢棄混凝土粉末∶粉煤灰∶膨潤土），基于此，得到赤泥吸聲陶粒的筒壓強度為5.2 MPa，堆積密度為896 kg/m3，密度等級為900級，顯孔率為31.5%；赤泥吸聲陶粒表面存在許多與內部連通的孔隙，有利于提高陶粒的吸聲性能；赤泥陶粒的吸聲性能優于商品頁巖陶粒，吸聲系數達到0.45。

關鍵詞：赤泥；廢棄混凝土粉末；陶粒；吸聲系數

中圖分類號：TU528.2 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.04.004

0 引言

赤泥是生產氧化鋁時產生的工業固體廢料，每生產1 t的氧化鋁，就會產生1.0 ～1.5 t赤泥[1]。赤泥的主要成分為Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO等[2]，具有極強的堿性。目前全球的赤泥儲備已經接近40億t，但每年僅有300萬t可以被用作水泥的添加劑[3]。隨著我國城鎮化建設的加快，舊建筑不斷被拆除，產生大量建筑垃圾。近幾年我國每年建筑垃圾的排放總量約為15.5億～24.0億t[4]，然而其資源化利用率不足5%，大量的堆放、掩埋不僅會影響城市生活，還會對環境造成污染。實現上述2種工業廢棄物的資源化利用已成為建筑業界的重要課題。陶粒作為性能優良的輕骨料，被廣泛應用于多種領域[5-10]。傳統的黏土陶粒需要消耗大量的黏土及石料，既破壞生態環境又會浪費土地資源，因此，越來越多的學者將目光聚集到了工業固廢制備陶粒上[11-16]。黏土與赤泥的礦物組成相似，故用赤泥等工業固廢代替黏土和石料等材料生產陶粒，不僅可以大幅減少天然非金屬礦物資源的開發，而且具有生態、環境和社會經濟效益[17-19]。

對赤泥陶粒的研究在國內外起步較晚。吳建鋒等[20]用拜耳法將赤泥制備多孔陶粒，并研究了赤泥摻量、燒成溫度等對陶粒物相變化和燒結性能的影響；王明玉等[21-22]研究利用赤泥陶粒作為凈水基質，吸附水中的磷和Cd2+；徐開東等[23]研究摻合料對赤泥陶?；炷恋男阅苡绊?。這些研究主要著眼于將赤泥陶粒應用于吸附水或土壤中的有害離子和建筑混凝土的輕骨料，而且在實際中應用較少，并不能滿足大量消耗赤泥等工業固廢的迫切需求。本文將赤泥與廢棄混凝土粉末結合起來研發新型赤泥吸聲陶粒的配合比，并對其吸聲性能進行測試，為赤泥吸聲陶粒作為吸聲材料的進一步推廣應用提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗用赤泥是廣西百色平果鋁業公司拜耳法制鋁產生的廢棄物，曬干、分揀、破碎、篩分后使用。廢棄混凝土粉末是由廣西柳州柳城區某道路路面拆除的C25素混凝土，密度為2 375 kg/m3，經分揀、破碎、篩分等工藝得到。粉煤灰為廣西柳州發電有限責任公司生產的Ⅰ級粉煤灰，密度為2.24 g/cm3，比表面積為423 m2/kg，45 μm篩余量為8.6%，需水量比為92%，強度活性指數為87%。膨潤土為市售800目（15 μm）的無機膨潤土。各原料主要化學成分見表1。試驗用水泥選用柳州魚峰水泥集團的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，對比物陶粒選用市售高強頁巖陶粒，主要技術性能指標見表2，試驗用水為普通自來水。

1.2 試驗方法及工藝流程

赤泥吸聲陶粒的制作工藝如圖1所示，首先將赤泥和廢棄混凝土曬干后利用顎式破碎機破碎成較細的顆粒，隨后再用球磨機研磨30 min，得到細微粉末狀的赤泥及廢棄混凝土粉末。將赤泥、廢棄混凝土粉末、粉煤灰和膨潤土這4種原料在105 ℃下的電熱恒溫鼓風燥干箱中干燥4 h。按照質量配合比分別稱量處理好的各種原材料，混合攪拌均勻投放于圓盤造粒機內，邊轉動翻攪邊向混合料噴灑霧化水，得到成型的生料球，用6～8 mm的篩網篩分。將生料球放入105 ℃恒溫燥干箱內干燥處理2 h，干燥完畢后放入馬弗爐進行預熱和高溫燒結處理，待自然冷卻后制成赤泥吸聲陶粒，見圖2（a）。將赤泥吸聲陶粒與水泥等材料混合裝入模具搗制，制得直徑為96 mm、高度為100 mm的圓柱體駐波管吸聲試塊，見圖2（b），噴水養護28 d。

本試驗中，堆積密度、孔隙率和筒壓強度的測試方法均參照GB/T 17431·1—2010[24]。測試筒壓強度儀器為數顯式液壓壓力試驗機YES-300；測試所用光譜分析儀器為X射線熒光光譜儀Epsilon；所用掃描電子顯微鏡 （Quanta FEG250）工作電壓為30 kV；測試陶粒試塊吸聲性能儀器為駐波管吸聲系數測試儀AWA 6128。

2 結果與討論

2.1 單因素物料配合比試驗

試驗中燒結赤泥吸聲陶粒預熱溫度為400 ℃，預熱時間為10 min，燒結溫度為1 125 ℃，保溫時間為10 min，升溫速率為10 ℃/min。單因素配合比試驗結果見圖3。

以赤泥用量為變量的單因素配合比試驗中，廢棄混凝土粉末及粉煤灰用量為0.15 kg，膨潤土用量為0.35 kg，赤泥用量分別為0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 kg。如圖3（a）所示，在赤泥用量為0.15～0.35 kg時，隨著赤泥用量的增加，陶粒的筒壓強度與堆積密度均呈現逐漸上升趨勢，吸水率呈現逐漸下降趨勢。這是由于在1 125 ℃的高溫下，作為赤泥主要成分的Fe元素化合物，在陶粒的內部大量被還原成FeO，起到助融和降低軟化黏度的作用，使陶粒內部的液相流動度升高，對陶粒的膨脹以及孔隙的填充有著積極影響；在陶粒的外部仍以Fe2O3的形式存在，Fe2O3軟化黏度較高，在陶粒外部形成釉質外殼。隨著赤泥用量的增加，高溫燒結過程中陶粒產生的液相增多，黏度降低，使陶粒內部的膨脹力小于表面收縮力而導致陶粒出現熔縮，填充了陶粒內部的孔隙，陶粒變得更加密實，筒壓強度與堆積密度均上升[25]，而吸水率下降。赤泥用量超過0.35 kg時，陶粒出現了熔融，凝結成團黏結在坩堝底部。這是由于赤泥用量過多會使陶粒骨架在內部過多的助熔劑FeO的作用下熔化，產生大量液相，使陶粒黏結成團。故確定調整赤泥用量為0.15～0.35 kg。

以廢棄混凝土粉末用量為變量的單因素配合比試驗中，赤泥及粉煤灰用量為0.15 kg，膨潤土用量為0.35 kg，廢棄混凝土粉末用量分別為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 kg。如圖3（b）所示，隨著廢棄混凝土粉末用量的增加，陶粒的筒壓強度與堆積密度呈下降趨勢，且在用量超過0.10 kg后，趨勢減緩；吸水率呈先增后減的趨勢，在用量為0.10 kg處達到頂峰，而后下降。這是由于廢棄混凝土粉末的主要成分是CaCO3，在高溫下分解生成CO2氣體逸出，一方面造成質量損失，另一方面致使陶粒膨脹，內部產生大量孔隙，堆積密度和筒壓強度降低，吸水率增高。但當廢棄混凝土粉末的用量超過0.10 kg后，CaCO3分解出來的CaO助熔劑的增加使陶粒產生大量液相，填充了部分陶?？紫?，陶粒的吸水率又開始降低。

以粉煤灰用量為變量的單因素配合比試驗中，赤泥及廢棄混凝土粉末用量為0.15 kg，膨潤土用量為0.35 kg，粉煤灰用量分別為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 kg。如圖3（c）所示，隨著粉煤灰用量的增加，陶粒的筒壓強度與堆積密度不斷下降，吸水率不斷上升，曲線未見明顯轉折點。

以膨潤土用量為變量的單因素配合比試驗中，廢棄混凝土粉末及粉煤灰用量為0.15 kg，赤泥用量為0.35 kg，膨潤土用量分別為0.25、0.30、0.35、0.40、0.45 kg。如圖3（d）所示，當膨潤土用量小于0.30 kg時，陶粒的筒壓強度與堆積密度均隨膨潤土用量的增加而降低，主要是因為膨潤土中的助熔成分較少，在1 125 ℃的燒結溫度下，未能在陶粒內部生成充足的液相來填充孔隙，使陶粒結構不夠致密，強度和密度下降；吸水率隨膨潤土用量的增加而升高，是由于助熔物質的減少而導致陶粒生成的液相變少，一方面不能填充內部孔隙，另一方面無法抑制氣體從陶粒內部逸出，表面形成大量細孔而導致的。當膨潤土的用量超過0.30 kg后，由于膨潤土中構成陶粒骨架的主要成分SiO2、Al2O3的含量較高，隨著膨潤土用量增加，內部液相增加，致使內部孔隙被填充，筒壓強度和堆積密度又隨之上升[26]，吸水率隨之下降。

2.2 混料試驗

在單因素試驗確定各材料用量的基礎上進行混料試驗，探究各材料配比的交互作用對吸聲陶粒物理性能的影響，并得出最優配合比。試驗中燒結赤泥吸聲陶粒預熱溫度為400 ℃，預熱時間為10 min，燒結溫度為1 125 ℃，保溫時間為20 min，升溫速率為10 ℃/min。以赤泥（A）、廢棄混凝土粉末（B）、粉煤灰（C）和膨潤土（D）4種原料的質量分數為因素，試驗因素設置為：A + B + C + D = 100%，25% ≤ A ≤35%，10% ≤ B ≤ 30%，10% ≤ C ≤ 30%，20% ≤ D ≤ 40%。

吸聲材料的吸聲性能與材料的孔隙率以及孔隙結構有關，萬軍等[27]發現陶粒的吸聲性能與其顯孔率成正比，通過控制陶粒的顯孔率可調節其吸聲性能。本文在使陶粒吸水率滿足規范要求的前提下，以陶粒堆積密度、筒壓強度和顯孔率為指標，利用Design Expert 軟件根據正交試驗原理設計混料試驗，設計類型為I-optimal，設計模型為二次模型，試驗配比與試驗結果見表3。

各材料配比的交互作用對赤泥吸聲陶粒的性能影響的響應面及等高線見圖4。由圖4（a）可知，因素A、C和D之間的交互作用對筒壓強度所形成的響應面坡度最為平緩，表明因素A、C和D之間的交互作用對陶粒筒壓強度的影響最小，而因素A、B和C之間的交互作用對筒壓強度所形成的響應面坡度最為陡峭，等高線呈橢圓形，表明赤泥、廢棄混凝土粉末和粉煤灰之間的交互作用對陶粒筒壓強度的影響最大。由圖4（b）可知，因素A、C和D之間的交互作用對陶粒堆積密度所形成的響應面坡度最為平緩，表明因素A、C和D之間的交互作用對陶粒堆積密度的影響最小，而因素B、C和D之間的交互作用對陶粒堆積密度所形成的響應面坡度最為陡峭，等高呈橢圓形，表明廢棄混凝土粉末、粉煤灰和膨潤土之間的交互作用對陶粒堆積密度的影響最大。由圖4（c）可知，因素B、C和D之間的交互作用對陶粒吸水率所形成的響應面坡度最為平緩，表明B、C和D之間的交互作用對陶粒吸水率的影響最小，而因素A、B和C之間的交互作用對陶粒吸水率所形成的響應面坡度最為陡峭，等高線呈橢圓形，表明赤泥、廢棄混凝土粉末和粉煤灰之間的交互作用對陶粒吸水率的影響最大。該結果與表4方差分析所得結果一致。

利用Design Expert 軟件，設置最優解條件，得到混料試驗最優質量配比A∶B∶C∶D為3.5∶1.0∶2.2∶3.3。測得該配比燒制得到的赤泥吸聲陶粒筒壓強度為5.2 MPa，堆積密度為896 kg/m3，密度等級為900 級，顯孔率為31.5%，滿足規范GB/T 17431.1—2010[24]中輕集料的性能要求。

2.3 掃描電子顯微鏡（SEM）分析

利用SEM對最優方案制得的赤泥吸聲陶粒的表面形貌與礦物成分進行觀察與分析，見圖5。從圖5（a）可以看出，陶粒表面存在許多與內部連通的孔隙，聲波傳入這些孔隙，并在陶粒內部的連通孔隙內引起振動使孔內空氣與孔壁摩擦，將聲能轉化成為熱能，達到吸聲降噪的效果。從圖5（b）可以看出，陶粒表面形成了大量疏松的針狀且呈放射簇狀礦物，符合原材料中SiO2、Al2O3在高溫燒結條件下生成的莫來石（3Al2O3·2SiO2）的礦物形態特征[28]。

2.4 赤泥吸聲陶粒試塊吸聲性能分析

用駐波管法對赤泥陶粒吸聲試件和頁巖陶粒吸聲試件進行吸聲系數測試，測試結果繪制成的吸聲系數曲線如圖6所示。由圖6可知，本文研制的赤泥吸聲陶粒的吸聲性能優于頁巖陶粒，赤泥吸聲陶粒的平均吸聲系數能達到0.45。這是由于市面上頁巖陶粒的顯孔率較小，陶粒對外連通的孔隙較少，而吸聲材料需具有更多的內外連通的孔隙；赤泥吸聲陶粒具有更多連通內部的孔隙，能夠使聲波進入陶粒內部后，聲能不斷轉化為熱能而被消耗掉，從而達到吸聲降噪作用。

3 結論

1）在單因素配合比試驗中，隨著赤泥用量的增加，赤泥吸聲陶粒的堆積密度和筒壓強度上升，吸水率下降；隨著廢棄混凝土粉末用量的增加，赤泥吸聲陶粒的堆積密度和筒壓強度下降，吸水率先增后降，在廢棄混凝土粉末用量為0.30 kg時達到最高。

2）在混料試驗中，分析材料間的交互作用對赤泥吸聲陶粒性能的影響，結果表明，赤泥、廢棄混凝土粉末和粉煤灰之間的交互作用對陶粒筒壓強度的影響最大；廢棄混凝土粉末、粉煤灰和膨潤土之間的交互作用對陶粒堆積密度的影響最大；赤泥、廢棄混凝土粉末和粉煤灰之間的交互作用對陶粒吸水率的影響最大。得到的赤泥吸聲陶粒的最優質量配合比A∶B∶C∶D為3.5∶1.0∶2.2∶3.3。

3）根據SEM掃描結果以及對赤泥吸聲陶粒試件吸聲性能的測試結果可知，赤泥吸聲陶粒表面存在許多與內部連通的孔隙，具有良好的吸聲性能，且吸聲性能優于頁巖商品陶粒。

4）以赤泥、廢棄混凝土粉末、粉煤灰和膨潤土為原料，在合理的原料配比和燒制程序下，可以燒制出滿足規范GB/T 17431.1—2010[24]中輕集料的要求，且吸水率高、孔道結構豐富的陶粒，可為赤泥和廢棄混凝土粉末的無害化、資源化利用提供參考。

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Preparation and properties of red mud acoustic absorbing ceramsite

ZHU Wanxu1， 2， LI Yan1， ZHOU Hongmei*1， LUO Tao1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： With red mud， waste concrete powder， fly ash and bentonite from aluminum industry as raw materials， the effects of material ratio on the physical properties and microstructure of acoustic absorbing ceramsite were studied. And the acoustic absorbing properties were compared with those of the commercially available ceramsite. The results show that with the increase of red mud dosage， the bulk density and cylinder compression strength of red mud acoustic absorbing ceramsite increased， while the water absorption rate decreased; With the increase of the amount of waste concrete powder， the bulk density and cylinder compression strength of red mud acoustic absorbing ceramsite decreased， and the water absorption first increased and then decreased; The optimal material ratio of 3.5∶1.0∶2.2∶3.3 （red mud∶waste concrete powder∶fly ash∶bentonite） was determined by mixing test， based on which the cylinder compressive strength of ceramsite was 5.2 MPa， the bulk density 896 kg/m3， the density 900， and the porosity 31.5%. There were many pores connected with the interior on the surface of red mud acoustic absorbing ceramsite， which is beneficial to the acoustic absorbing performance of ceramsite; The acoustic absorption coefficient of the red mud ceramsite specimen was 0.45， which is better than that of the commercial shale ceramsite.

Key words： red mud; waste concrete powder; ceramsite; acoustic absorption coefficient

（責任編輯：羅小芬）

收稿日期：2022-12-01

基金項目：廣西科技基地和人才專項（AD19245131）資助

第一作者：朱萬旭，博士，教授級高工，研究方向：工程結構新材料及其智慧化研究

*通信作者：周紅梅，教授級高工，研究方向：工程結構新材料研究，E-mail：289953835@qq.com