摘要
赤泥和煤矸石分别是铝冶炼行业和煤炭行业产生的工业固体废物，大量堆存的赤泥和煤矸石不仅浪费土地资源，还会污染生态环境及危害人体健康。混凝土具有可塑性好、强度高、经济适用等特点，是世界上应用最广泛的建筑材料之一。赤泥、煤矸石替代水泥制备混凝土胶凝材料，可以节约水泥生产成本和减少固体废物堆存量。论文以取自贵州的拜耳法赤泥、煤矸石作为研究对象，开展赤泥和煤矸石掺量对混凝土性能影响、煤矸石活性激发制备胶凝材料、赤泥-活化煤矸石-水泥复合材料对混凝土性能影响等研究，主要结论如下： （1）拜耳法赤泥和煤矸石含有大量的铝硅酸盐矿物，SiO2和Al2O3含量高，具有潜在的火山灰活性。掺合量小于5%的赤泥对混凝土强度有利，赤泥颗粒可改善混凝土基体及界面过渡区（Interfacial Transition Zone，ITZ）孔结构，增强基体密实度，减小ITZ宽度；当赤泥掺合量超过10%时，水泥水化产物减少对混凝土性能的损害强于赤泥孔隙填充对混凝土性能的提升，导致混凝土抗折和抗压强度降低。掺合煤矸石的混凝土基体及ITZ水胶比分布不均，水泥水化作用向煤矸石颗粒附近迁移，水泥水化产物氢氧化钙在此处大量且择优取向生长，晶体颗粒粗大且排列杂乱，弱化基体及ITZ处的胶结性能；养护后期存留在煤矸石颗粒附近的水分子蒸发而留下大量孔洞，损害混凝土结构致密性，增加薄弱环节面积并降低ITZ硬度，不利于混凝土力学性能，导致混凝土抗折和抗压强度随着煤矸石掺合量增加而降低。 （2）煤矸石较好的活化温度为 800℃，此时煤矸石中高岭石转化为偏高岭石，可释放出活性SiO2和活性Al2O3，Al、Si元素溶出量增加，净浆粘度和吸水率降低。与煤矸石原料相比，800℃活化煤矸石作为矿物掺合料对水分子的包裹和吸附效应降低，基体及ITZ水胶比增加，水泥水化产物氢氧化钙晶体颗粒小；此外，活化煤矸石中的活性SiO2和活性Al2O3可与氢氧化钙反应生成C-S-H凝胶和C-A-H凝胶，减小基体平均孔径，提升基体及ITZ密实度。采用800℃活化煤矸石制备的混凝土 28 天抗折和抗压强度比未活化煤矸石混凝土的分别提高7.47%和20.17%。当活化温度超过900℃时，煤矸石中的偏高岭石开始重结晶为莫来石，导致煤矸石胶凝活性降低，制备的混凝土的强度也随之降低。 （3）赤泥和活化煤矸石不会对浆体粘度及复合材料胶凝活性产生协同效应，但会对混凝土基体及 ITZ 强度产生协同效应；赤泥和活化煤矸石按照一定比例制备胶凝材料，可以在一定程度上克服赤泥单独掺合和活化煤矸石单独掺合分别导致的火山灰活性低和煤矸石颗粒附近水胶比高的缺点。当赤泥∶活化煤矸石∶水泥配比为1∶1∶8时，赤泥良好的填充作用与活化煤矸石较好的火山灰活性产生协同效应，水泥水化充分，基体多害孔减少，基体强度和密实度得到较大提升， ITZ相对面积减少且无明显贯通裂纹；该条件下制备的混凝土 28 天抗压强度比20%掺合量的赤泥制备的混凝土提高 16.73%，比 20%掺合量的活化煤矸石制备的混凝土提高10.52%，也高于水泥掺合量为90%的各组试块抗压强度。
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