赤泥吸声陶粒的制备与性能研究

朱万旭　李岩　周红梅　罗涛

摘 要：以制铝工业的废弃物赤泥、废弃混凝土粉末、粉煤灰、膨润土为原材料，研究材料配比对吸声陶粒的物理性能及微观结构的影响，并与市售陶粒的吸声性能进行对比。结果表明，随着赤泥用量的增加，赤泥吸声陶粒的堆积密度和筒压强度增大，吸水率下降；随着废弃混凝土粉末用量的增加，赤泥吸声陶粒的堆积密度和筒压强度降低，吸水率先升后降；混料试验确定最优质量配合比为3.5∶1.0∶2.2∶3.3（赤泥∶废弃混凝土粉末∶粉煤灰∶膨润土），基于此，得到赤泥吸声陶粒的筒压强度为5.2 MPa，堆积密度为896 kg/m3，密度等级为900级，显孔率为31.5%；赤泥吸声陶粒表面存在许多与内部连通的孔隙，有利于提高陶粒的吸声性能；赤泥陶粒的吸声性能优于商品页岩陶粒，吸声系数达到0.45。

关键词：赤泥；废弃混凝土粉末；陶粒；吸声系数

中图分类号：TU528.2 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.04.004

0 引言

赤泥是生产氧化铝时产生的工业固体废料，每生产1 t的氧化铝，就会产生1.0 ～1.5 t赤泥[1]。赤泥的主要成分为Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO等[2]，具有极强的碱性。目前全球的赤泥储备已经接近40亿t，但每年仅有300万t可以被用作水泥的添加剂[3]。随着我国城镇化建设的加快，旧建筑不断被拆除，产生大量建筑垃圾。近几年我国每年建筑垃圾的排放总量约为15.5亿～24.0亿t[4]，然而其资源化利用率不足5%，大量的堆放、掩埋不仅会影响城市生活，还会对环境造成污染。实现上述2种工业废弃物的资源化利用已成为建筑业界的重要课题。陶粒作为性能优良的轻骨料，被广泛应用于多种领域[5-10]。传统的黏土陶粒需要消耗大量的黏土及石料，既破坏生态环境又会浪费土地资源，因此，越来越多的学者将目光聚集到了工业固废制备陶粒上[11-16]。黏土与赤泥的矿物组成相似，故用赤泥等工业固废代替黏土和石料等材料生产陶粒，不仅可以大幅减少天然非金属矿物资源的开发，而且具有生态、环境和社会经济效益[17-19]。

对赤泥陶粒的研究在国内外起步较晚。吴建锋等[20]用拜耳法将赤泥制备多孔陶粒，并研究了赤泥掺量、烧成温度等对陶粒物相变化和烧结性能的影响；王明玉等[21-22]研究利用赤泥陶粒作为净水基质，吸附水中的磷和Cd2+；徐开东等[23]研究掺合料对赤泥陶粒混凝土的性能影响。这些研究主要着眼于将赤泥陶粒应用于吸附水或土壤中的有害离子和建筑混凝土的轻骨料，而且在实际中应用较少，并不能满足大量消耗赤泥等工业固废的迫切需求。本文将赤泥与废弃混凝土粉末结合起来研发新型赤泥吸声陶粒的配合比，并对其吸声性能进行测试，为赤泥吸声陶粒作为吸声材料的进一步推广应用提供参考。

1 试验

1.1 试验原料

试验用赤泥是广西百色平果铝业公司拜耳法制铝产生的废弃物，晒干、分拣、破碎、筛分后使用。废弃混凝土粉末是由广西柳州柳城区某道路路面拆除的C25素混凝土，密度为2 375 kg/m3，经分拣、破碎、筛分等工艺得到。粉煤灰为广西柳州发电有限责任公司生产的Ⅰ级粉煤灰，密度为2.24 g/cm3，比表面积为423 m2/kg，45 μm筛余量为8.6%，需水量比为92%，强度活性指数为87%。膨润土为市售800目（15 μm）的无机膨润土。各原料主要化学成分见表1。试验用水泥选用柳州鱼峰水泥集团的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，对比物陶粒选用市售高强页岩陶粒，主要技术性能指标见表2，试验用水为普通自来水。

1.2 试验方法及工艺流程

赤泥吸声陶粒的制作工艺如图1所示，首先将赤泥和废弃混凝土晒干后利用颚式破碎机破碎成较细的颗粒，随后再用球磨机研磨30 min，得到细微粉末状的赤泥及廢弃混凝土粉末。将赤泥、废弃混凝土粉末、粉煤灰和膨润土这4种原料在105 ℃下的电热恒温鼓风燥干箱中干燥4 h。按照质量配合比分别称量处理好的各种原材料，混合搅拌均匀投放于圆盘造粒机内，边转动翻搅边向混合料喷洒雾化水，得到成型的生料球，用6～8 mm的筛网筛分。将生料球放入105 ℃恒温燥干箱内干燥处理2 h，干燥完毕后放入马弗炉进行预热和高温烧结处理，待自然冷却后制成赤泥吸声陶粒，见图2（a）。将赤泥吸声陶粒与水泥等材料混合装入模具捣制，制得直径为96 mm、高度为100 mm的圆柱体驻波管吸声试块，见图2（b），喷水养护28 d。

本试验中，堆积密度、孔隙率和筒压强度的测试方法均参照GB/T 17431·1—2010[24]。测试筒压强度仪器为数显式液压压力试验机YES-300；测试所用光谱分析仪器为X射线荧光光谱仪Epsilon；所用扫描电子显微镜 （Quanta FEG250）工作电压为30 kV；测试陶粒试块吸声性能仪器为驻波管吸声系数测试仪AWA 6128。

2 结果与讨论

2.1 单因素物料配合比试验

试验中烧结赤泥吸声陶粒预热温度为400 ℃，预热时间为10 min，烧结温度为1 125 ℃，保温时间为10 min，升温速率为10 ℃/min。单因素配合比试验结果见图3。

以赤泥用量为变量的单因素配合比试验中，废弃混凝土粉末及粉煤灰用量为0.15 kg，膨润土用量为0.35 kg，赤泥用量分别为0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 kg。如图3（a）所示，在赤泥用量为0.15～0.35 kg时，随着赤泥用量的增加，陶粒的筒压强度与堆积密度均呈现逐渐上升趋势，吸水率呈现逐渐下降趋势。这是由于在1 125 ℃的高温下，作为赤泥主要成分的Fe元素化合物，在陶粒的内部大量被还原成FeO，起到助融和降低软化黏度的作用，使陶粒内部的液相流动度升高，对陶粒的膨胀以及孔隙的填充有着积极影响；在陶粒的外部仍以Fe2O3的形式存在，Fe2O3软化黏度较高，在陶粒外部形成釉质外壳。随着赤泥用量的增加，高温烧结过程中陶粒产生的液相增多，黏度降低，使陶粒内部的膨胀力小于表面收缩力而导致陶粒出现熔缩，填充了陶粒内部的孔隙，陶粒变得更加密实，筒压强度与堆积密度均上升[25]，而吸水率下降。赤泥用量超过0.35 kg时，陶粒出现了熔融，凝结成团黏结在坩埚底部。这是由于赤泥用量过多会使陶粒骨架在内部过多的助熔剂FeO的作用下熔化，产生大量液相，使陶粒黏结成团。故确定调整赤泥用量为0.15～0.35 kg。

以废弃混凝土粉末用量为变量的单因素配合比试验中，赤泥及粉煤灰用量为0.15 kg，膨润土用量为0.35 kg，废弃混凝土粉末用量分别为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 kg。如图3（b）所示，随着废弃混凝土粉末用量的增加，陶粒的筒压强度与堆积密度呈下降趋势，且在用量超过0.10 kg后，趋势减缓；吸水率呈先增后减的趋势，在用量为0.10 kg处达到顶峰，而后下降。这是由于废弃混凝土粉末的主要成分是CaCO3，在高温下分解生成CO2气体逸出，一方面造成质量损失，另一方面致使陶粒膨胀，内部产生大量孔隙，堆积密度和筒压强度降低，吸水率增高。但当废弃混凝土粉末的用量超过0.10 kg后，CaCO3分解出来的CaO助熔剂的增加使陶粒产生大量液相，填充了部分陶粒孔隙，陶粒的吸水率又开始降低。

以粉煤灰用量为变量的单因素配合比试验中，赤泥及废弃混凝土粉末用量为0.15 kg，膨润土用量为0.35 kg，粉煤灰用量分别为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 kg。如图3（c）所示，随着粉煤灰用量的增加，陶粒的筒压强度与堆积密度不断下降，吸水率不断上升，曲线未见明显转折点。

以膨润土用量为变量的单因素配合比试验中，废弃混凝土粉末及粉煤灰用量为0.15 kg，赤泥用量为0.35 kg，膨润土用量分别为0.25、0.30、0.35、0.40、0.45 kg。如图3（d）所示，当膨润土用量小于0.30 kg时，陶粒的筒压强度与堆积密度均随膨润土用量的增加而降低，主要是因为膨润土中的助熔成分较少，在1 125 ℃的烧结温度下，未能在陶粒内部生成充足的液相来填充孔隙，使陶粒结构不够致密，强度和密度下降；吸水率随膨润土用量的增加而升高，是由于助熔物质的减少而导致陶粒生成的液相变少，一方面不能填充内部孔隙，另一方面无法抑制气体从陶粒内部逸出，表面形成大量细孔而导致的。当膨润土的用量超过0.30 kg后，由于膨润土中构成陶粒骨架的主要成分SiO2、Al2O3的含量较高，随着膨润土用量增加，内部液相增加，致使内部孔隙被填充，筒压强度和堆积密度又随之上升[26]，吸水率随之下降。

2.2 混料试验

在单因素试验确定各材料用量的基础上进行混料试验，探究各材料配比的交互作用对吸声陶粒物理性能的影响，并得出最优配合比。试验中烧结赤泥吸声陶粒预热温度为400 ℃，预热时间为10 min，烧结温度为1 125 ℃，保温时间为20 min，升温速率为10 ℃/min。以赤泥（A）、废弃混凝土粉末（B）、粉煤灰（C）和膨润土（D）4种原料的质量分数为因素，试验因素设置为：A + B + C + D = 100%，25% ≤ A ≤35%，10% ≤ B ≤ 30%，10% ≤ C ≤ 30%，20% ≤ D ≤ 40%。

吸声材料的吸声性能与材料的孔隙率以及孔隙结构有关，万军等[27]发现陶粒的吸声性能与其显孔率成正比，通过控制陶粒的显孔率可调节其吸声性能。本文在使陶粒吸水率满足规范要求的前提下，以陶粒堆积密度、筒压强度和显孔率为指标，利用Design Expert 软件根据正交试验原理设计混料试验，设计类型为I-optimal，设计模型为二次模型，试验配比与试验结果见表3。

各材料配比的交互作用对赤泥吸声陶粒的性能影响的响应面及等高线见图4。由图4（a）可知，因素A、C和D之间的交互作用对筒压强度所形成的响应面坡度最为平缓，表明因素A、C和D之间的交互作用对陶粒筒压强度的影响最小，而因素A、B和C之间的交互作用对筒压强度所形成的响应面坡度最为陡峭，等高线呈椭圆形，表明赤泥、废弃混凝土粉末和粉煤灰之间的交互作用对陶粒筒压强度的影响最大。由图4（b）可知，因素A、C和D之间的交互作用对陶粒堆积密度所形成的响应面坡度最为平缓，表明因素A、C和D之间的交互作用对陶粒堆积密度的影响最小，而因素B、C和D之间的交互作用对陶粒堆积密度所形成的响应面坡度最为陡峭，等高呈椭圆形，表明废弃混凝土粉末、粉煤灰和膨润土之间的交互作用对陶粒堆积密度的影响最大。由图4（c）可知，因素B、C和D之间的交互作用对陶粒吸水率所形成的响应面坡度最为平缓，表明B、C和D之间的交互作用对陶粒吸水率的影响最小，而因素A、B和C之间的交互作用对陶粒吸水率所形成的响应面坡度最为陡峭，等高线呈椭圆形，表明赤泥、废弃混凝土粉末和粉煤灰之间的交互作用对陶粒吸水率的影响最大。该结果与表4方差分析所得结果一致。

利用Design Expert 软件，设置最优解条件，得到混料试验最优质量配比A∶B∶C∶D为3.5∶1.0∶2.2∶3.3。测得该配比烧制得到的赤泥吸声陶粒筒压强度为5.2 MPa，堆积密度为896 kg/m3，密度等级为900 级，显孔率为31.5%，满足规范GB/T 17431.1—2010[24]中轻集料的性能要求。

2.3 扫描电子显微镜（SEM）分析

利用SEM对最优方案制得的赤泥吸声陶粒的表面形貌与矿物成分进行观察与分析，见图5。从图5（a）可以看出，陶粒表面存在许多与内部连通的孔隙，声波传入这些孔隙，并在陶粒内部的连通孔隙内引起振动使孔内空气与孔壁摩擦，将声能转化成为热能，达到吸声降噪的效果。从图5（b）可以看出，陶粒表面形成了大量疏松的针状且呈放射簇状矿物，符合原材料中SiO2、Al2O3在高温烧结条件下生成的莫来石（3Al2O3·2SiO2）的矿物形态特征[28]。

2.4 赤泥吸声陶粒试块吸声性能分析

用驻波管法对赤泥陶粒吸声试件和页岩陶粒吸声试件进行吸声系数测试，测试结果绘制成的吸声系数曲线如图6所示。由图6可知，本文研制的赤泥吸声陶粒的吸声性能优于页岩陶粒，赤泥吸声陶粒的平均吸聲系数能达到0.45。这是由于市面上页岩陶粒的显孔率较小，陶粒对外连通的孔隙较少，而吸声材料需具有更多的内外连通的孔隙；赤泥吸声陶粒具有更多连通内部的孔隙，能够使声波进入陶粒内部后，声能不断转化为热能而被消耗掉，从而达到吸声降噪作用。

3 结论

1）在单因素配合比试验中，随着赤泥用量的增加，赤泥吸声陶粒的堆积密度和筒压强度上升，吸水率下降；随着废弃混凝土粉末用量的增加，赤泥吸声陶粒的堆积密度和筒压强度下降，吸水率先增后降，在废弃混凝土粉末用量为0.30 kg时达到最高。

2）在混料试验中，分析材料间的交互作用对赤泥吸声陶粒性能的影响，结果表明，赤泥、废弃混凝土粉末和粉煤灰之间的交互作用对陶粒筒压强度的影响最大；废弃混凝土粉末、粉煤灰和膨润土之间的交互作用对陶粒堆积密度的影响最大；赤泥、废弃混凝土粉末和粉煤灰之间的交互作用对陶粒吸水率的影响最大。得到的赤泥吸声陶粒的最优质量配合比A∶B∶C∶D为3.5∶1.0∶2.2∶3.3。

3）根据SEM扫描结果以及对赤泥吸声陶粒试件吸声性能的测试结果可知，赤泥吸声陶粒表面存在许多与内部连通的孔隙，具有良好的吸声性能，且吸声性能优于页岩商品陶粒。

4）以赤泥、废弃混凝土粉末、粉煤灰和膨润土为原料，在合理的原料配比和烧制程序下，可以烧制出满足规范GB/T 17431.1—2010[24]中轻集料的要求，且吸水率高、孔道结构丰富的陶粒，可为赤泥和废弃混凝土粉末的无害化、资源化利用提供参考。

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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

（責任编辑：罗小芬）

收稿日期：2022-12-01

基金项目：广西科技基地和人才专项（AD19245131）资助

第一作者：朱万旭，博士，教授级高工，研究方向：工程结构新材料及其智慧化研究

*通信作者：周红梅，教授级高工，研究方向：工程结构新材料研究，E-mail：289953835@qq.com