1、晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂0引言21 世纪是地下空间等岩土工程建设全面发展的时期，沿海城市拥有独特的软土地基，其土体渗透性弱，抗剪强度很低，易触变、流变等特点对地下空间的建设带来许多难题1。针对这一情况，一种快硬早强的水泥硫铝酸盐水泥开始用于工程建设中，硫铝酸盐水泥具有早强、快硬、高强、低碱度和耐腐蚀等优良特性2-7。魏雪斐等8将 F10 密胺系减水剂加入硫铝酸盐水泥中，成功制备满足海下石油储库建设中破碎岩体补强要求的注浆材料。王乾等9将特制硫铝酸盐水泥应用到青岛胶州湾海底隧道围岩加固中。严国超等10将PU 加入SAC 中研究得出，
2、掺加 PU 后明显提高 SAC 工作性能和早期力学性能。目前对于硫铝酸盐注浆料的使用并没有达到碳减排的目标，CO2的排放量和能耗依旧很高。金属铝作为仅次于铁的第二大类金属，在航空、建筑、汽车等行业有着广泛的用途11-14。据统计，我国在 2019 年金属铝产量高达3504 万 t，每生摘要：研究了不同掺量二次铝灰烧结渣料磨细粉（AP）对快硬高强硫铝酸盐水泥（SAC）注浆料工作性能、力学性能、体积稳定性及环境友好性的影响，并采用微观测试技术对其机理进行深入分析。结果表明：随 AP 掺量的增加，注浆料的凝结时间先延长后缩短，早期抗压强度先提高后降低，后期强度呈降低趋势，各掺量 AP 注浆料体积稳定
3、性均满足 GB/T 5044882015 水泥基灌浆材料应用技术规范 要求。掺 AP 的注浆料对 Ni、Cr、Zn、Cu 有固结作用。微观分析表明：随 AP 掺量的增加，早期注浆料中铝胶（AH3）和钙矾石（AFt）先增多后减少；而后期注浆料中的 AFt 数量增加。关键词：二次铝灰；高温烧结渣料磨细粉；快硬硫铝酸盐水泥；注浆料中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）09-0051-06Effects of grinding powder of secondary-aluminum-ash-sintering slag on properties of fast
4、 hardening andhigh strength SAC grouting materialZHONG Weijun1，XIE Jialei2，ZHANG Jie1，BA Mingfang2（1.Ningbo Electric Power Design Institute Co.Ltd.，Ningbo 315021，China；2.School of Civil and Environmental Engineering，Ningbo University，Ningbo 315211，China）Abstract：The influence of different amount of
5、secondary aluminum ash sintering slag grinding powder（AP）on the workingperformance，mechanical properties，volume stability and environmental friendliness of fast hardening high strength sulphoaluminatecement（SAC）grouting materials was studied，and its mechanism was deeply analyzed by microscopic testi
6、ng technology.The resultsshow that the setting time and early compressive strength of the grouting material show a trend of first increasing and then de原creasing with the increase of AP content，while the long-term compressive strength decreases with the increase of AP content.Moreover，different amou
7、nts of AP can make the volume stability of the grouting material meet the requirements of the specificationsGB/T 5044882015 Code for application technique of cementitious grout.The grouting material mixed with AP has a consolida原tion effect on Ni，Cr，Zn，and Cu.The microscopic analysis shows that the
8、aluminum glue（AH3）and ettringite（AFt）in the earlygrouting materials increase first and then decrease with the increase of AP content；The amount of AFt in late-age grouting materi原als increases with the increase of AP dosage.Key words：secondary aluminum ash grinding powder，high temperature sintering
9、slag grinding powder，SAC，grouting materials二次铝灰烧结渣料磨细粉对快硬高强硫铝酸盐水泥注浆料性能的影响钟维军1，谢嘉磊2，张洁1，巴明芳2（1.宁波市电力设计院有限公司，浙江 宁波315021；2.宁波大学 土木与环境工程学院，浙江 宁波315211）基金项目：宁波市“科技创新 2025”重大专项（2022Z031）收稿日期：2022-09-28；修订日期：2023-07-18作者简介：钟维军，男，1981 年生，硕士，高级工程师，E-mail：。通讯作者：巴明芳，教授，博导，E-mail：。中国科技核心期刊51新型建筑材料圆园23援09产 1 t
10、金属铝就会产生 110 kg 铝灰15。二次铝灰来自于重熔一次铝灰或废杂铝回收金属铝过程产生的灰渣，SAD 以氧化铝、金属铝、盐熔剂及铁、硅、镁氧化物为主，含氮化铝、氟化物等有害物质，具有资源和污染双重属性16。Ewais 等17-19通过高温煅烧铝土矿制成高铝含量的铝酸钙水泥作为适应 2000 益高温的耐火材料。Dai 等20将铝灰加入水泥砂浆中研究得出其抗折强度提高 40%，抗压强度提高 15%。张勇等21研究发现，在二次铝灰中加入适量氧化镁可以烧结制成镁铝尖晶石耐火材料。刘风琴等22成功地利用廉价的二次铝灰制备成铝酸钙炼钢精炼剂，在一定程度上节约了炼钢的成本。综上可以看出，目前针对二次铝
11、灰资源化利用的技术存在利用率低、能耗高、工艺复杂等不足，但是二次铝灰中含有丰富的 Al2O3、Al 等铝相物质，可以提高硫铝酸盐水泥基材料的各种性能。因此，本文拟将二次铝灰与建筑渣土以一定比例配伍在 1200 益高温烧结，然后磨成细粉掺入到快硬硫铝酸盐水泥基材料中，制备绿色低碳高强注浆材料，研究其工作性能、力学性能、体积稳定性及环境友好性，并最终为实现二次铝灰高值化利用提供参考。1试验1.1原材料和配合比水泥：快硬硫铝酸盐水泥（SAC），江西银杉新材料有限公司，强度等级为 62.5；二次铝灰高温烧结渣料磨细粉（以下简称磨细粉，AP）：昱源宁海环保科技股份有限公司。图 1、图 2分别为 SAC
12、和 AP 的粒径分布和 XRD 物相分析。图 1SAC 和 AP 的粒径分布图 2SAC 和 AP 的 XRD 图谱从图 1 可以看出，SAC 水泥的主要粒径分布在 23 滋m和 2050 滋m；AP 的主要粒径分布在 1020 滋m 和 5070 滋m。从图 2 可以看出，SAC 主要由硫铝酸钙、硫酸钙、硅酸三钙、氧化铝组成；AP 主要由氧化铝、金属铝、镁、镍氧化物组成，还含氮化铝、氟化物等有害物质。采用 AP 等质量取代 5%、10%、15%、20%、30%的 SAC，具体配合比见表 1，其中 L0 是未掺加 AP 的基准配合比。表 1SAC 注浆料配合比1.2试验方案1.2.1工作性能（
13、1）凝结时间和流动度：按照表 1 配合比拌制相应的注浆料，按照 GB/T 13462011 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法 进行测试。（2）抗压、抗折强度和耐水性：按照表 1 每个系列制备成型 40 mm伊40 mm伊160 mm 的试件 6 组，拆模后其中 4 组试件放入水中养护，测试 1、3、28、60 d 的抗压、抗折强度。另外 2组试件放入标准养护室中养护，测试 3、60 d 的抗折、抗压强度，并按式（1）计算注浆料不同龄期的抗压和抗折强度软化系数，分析其耐水性。K=f/F（1）式中：K抗压、抗折强度软化系数；f水饱和状态下的抗压、抗折强度，MPa；F标准养护状态下的抗压
14、、抗折强度，MPa。1.2.2体积稳定性（1）结石率：按照表 1 配合比每个系列拌制相应的注浆料编号水/gSAC/gAP/g水胶比L0546.801215.2000.45L53554.397503.71394.930.45L103554.397108.78789.860.45L153554.396713.841184.800.45L203554.396318.911579.730.45L303554.395529.052369.590.45钟维军，等：二次铝灰烧结渣料磨细粉对快硬高强硫铝酸盐水泥注浆料性能的影响52晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸
15、陨粤蕴杂50 mL，注入200 mL 烧杯内，静置 3 h 后测试硬化后结石体的体积。用注浆料最初体积与早期硬化后结石体体积的比值计算结石率。（2）膨胀率：按照表 1 每个系列配合比制备成型 40 mm伊40mm伊160 mm 的试件 1 组，6 h 后拆模，用最小刻度 0.1 mm 的游标卡尺测量试件的初始长度 L1。然后立即放入水中养护，测量不同时间下的长度 Lt，根据式（2）计算每组试件不同龄期的膨胀率 Ex，计算结果精确值 0.01%。Ex=Lt-L1160伊100%（2）式中：Ex某龄期试件的膨胀率，%；L1试件的初始长度，mm；Lt试件在不同时刻下的长度，mm。1.2.3有害物质浸
16、出按照表 1 中 L0、L5、L15 和 L30 的配合比成型 40 mm伊40mm伊160 mm 的试件。脱模后的试件在温度为（20依2）益、相对湿度为（95依5）%的室内养护至 90 d。按照 GB/T 308102014水泥胶砂中可浸出重金属的测定方法 测试试样中的 Ni、Cr、Zn、Cu 等重金属的浓度。1.2.4微观分析取 L0、L15、L30 的试件，在测试完 3、28、60 d 抗压强度后，从破坏试件中取块体样品放在无水乙醇中浸泡 48 h，然后研钵磨成粉末，分别进行 XRD、TG 和 IR 分析。2结果与讨论2.1工作性能表 2 为不同 AP 掺量对快硬高强 SAC 注浆料凝结
17、时间、流动度的影响。表 2不同 AP 掺量对快硬高强 SAC 注浆料凝结时间、流动度的影响从表 2 可以看出：（1）随 AP 掺量的增加，快硬高强 SAC 注浆料的凝结时间基本呈延长趋势，当 AP 掺量为 30%时，凝结时间较未掺 AP的注浆料增加了 75%。（2）随 AP 掺量的增加，快硬高强 SAC 注浆料的流动度先增加后保持不变。这是因为当 AP 掺量为 10%时，注浆料全部铺满流动度检测仪盘面，当 AP 掺量大于 10%时，快硬高强SAC 注浆料的流动度不再明显变化。表 3 为不同 AP 掺量对快硬高强 SAC 注浆料力学性能的影响。表 3不同 AP 掺量对快硬高强 SAC 注浆料抗折
18、、抗压强度的影响从表 3 可以看出：（1）AP 掺量为 5%10%时，注浆料抗压强度随养护龄期的延长而增加，并且在龄期为 328 d 这一范围内抗压强度增长幅度最大。早期（13 d）快硬高强 SAC 注浆料的抗压强度均随AP 掺量的增加先提高后降低，在掺量为 15%时最高；而快硬高强 SAC 注浆料后期（2860 d）抗压强度随 AP 掺量的增加而降低。龄期在 28 d 及以上时，不同 AP 掺量快硬高强SAC 注浆料的抗压强度均低于未掺 AP 的注浆料，并随着 AP掺量的增加降低幅度越明显。（2）AP 掺量为 5%10%时，注浆料的早期（13 d）抗折强度随养护龄期的延长而提高，AP 掺量为
19、 15%30%时，注浆料的（128 d）抗折强度随养护龄期的延长先降低后提高。在相同龄期下，快硬高强 SAC 注浆料的抗折强度随 AP 掺量的增加先提高后降低，在掺量为 5%时，抗折强度的提高幅度最大。这主要是由于 AP 中的 Al2O3等铝相加速了水化产物 AFt的形成，增强了试件的早期抗折强度。综上可知，AP 掺量为 5%10%时，掺加 AP 快硬高强SAC 注浆料的抗压强度和抗折强度与未掺 AP 的基准 SAC 注浆液的强度相差不大。表 4 为不同 AP 掺量对快硬高强 SAC 注浆料 3、60 d 耐水性的影响。表 4不同 AP 掺量对快硬高强 SAC 注浆料耐水性的影响从表 4 可以
20、看出：AP 掺量/%1 d3 d28 d035.4039.8255.12537.0742.2153.671040.3945.1750.861545.8550.8947.592040.1436.7638.543030.3836.3937.25抗压强度/MPa58.8257.9957.5855.5748.0938.87抗折强度/MPa1 d3 d28 d60 d8.7010.669.309.659.2410.9410.0610.0010.0910.9810.4310.7710.149.4410.028.659.639.099.388.578.137.938.037.8660 dAP 掺量/%051
21、0152030凝结时间/min6090858095105流动度/mm250280300300300300AP 掺量/%抗压强度软化系数抗折强度软化系数3 d3 d60 d00.821.101.121.1650.800.941.171.35100.740.961.181.50151.180.891.021.28200.990.820.831.50300.960.781.431.5060 d钟维军，等：二次铝灰烧结渣料磨细粉对快硬高强硫铝酸盐水泥注浆料性能的影响53新型建筑材料圆园23援09从图 3 可以看出：（1）各龄期下，掺 15%AP 的快硬 SAC 注浆料体积膨胀率均最高。由于注浆料 1
22、d 的水化进程还不够完全，因此仅通过图 3（a）不能得出不同掺量 AP 对 SAC 注浆料膨胀率的影响结果。（2）在 315 d 时，掺 15%AP 的快硬 SAC 注浆料体积膨胀率呈现逐步增大的趋势，而其他 AP 掺量快硬高强 SAC 注浆料在3 d 后均出现体积收缩现象。不考虑 AP 掺量为 10%的注浆料，AP 掺量 5%15%的注浆料仍然膨胀，AP 掺量 20%、30%的注浆料膨胀率已经低于未掺 AP 的注浆料。（3）随着龄期继续延长，不同 AP 掺量快硬高强 SAC 注浆料膨胀率均出现降低的现象，龄期 40 d 后注浆料的膨胀率基本不变。数据结果表明，AP 掺量越高注浆料水化的程度越
23、低，AFt、铝胶等水化产物增多得越慢，膨胀率的最高点出现越迟。后期 AFt、铝胶等水化产物在石膏含量减少、SO42-离子浓度不足的情况下转变为单硫型水化硫铝酸钙，出现收缩的现象，其中水化产物中 AFt 的含量越多收缩越明显。2.3有害物质浸出表 6 为不同 AP 掺量对快硬高强 SAC 注浆料重金属浸出浓度的影响。表 6不同 AP 掺量 SAC 注浆料的重金属浸出浓度 mg/L注：表中 ND 为未检出。从表 6 可以看出，该磨细粉本身含有少量重金属，而与磨细粉自身所携带的重金属含量相比，掺5%15%AP 后快硬SAC 注浆料浸出的重金属浓度大大降低，起到了很好的固结作用。掺 30%AP 后快硬
24、 SAC 注浆料浸出的重金属浓度明显提高，但仍远低于 GB 307602014 水泥协同处置固体废弃物技术规范 中对于水泥熟料中可浸出重金属浓度的限值。未掺和掺 5%AP 的快硬 SAC 注浆料中均未检出 Ni、Cr、Zn 和Cu 四种重金属，掺15%AP 的快硬SAC 注浆料对Ni、Cr、Zn 和（1）快硬高强 SAC 注浆料的 3 d 浸水抗压强度软化系数随 AP 掺量的增加先减小后增大再减小，在掺量为 15%时最大。快硬高强 SAC 注浆料的 60 d 浸水抗压软化系数随 AP 掺量的增加逐步减小，在掺量为 5%10%时，与未掺 AP 的基准SAC 注浆液相差不大。（2）快硬高强 SAC
25、 注浆料抗折软化系数基本大于 1，掺AP快硬高强 SAC 注浆料的 60 d 浸水抗折软化系数明显高于未掺 AP 的基准试件，这表明掺 AP 后快硬高强 SAC 注浆料的抗折耐水性明显得到提高。综上可知，在 AP 掺量为 5%15%时，快硬高强 SAC 注浆料的抗压和抗折耐水性较优。2.2体积稳定性表 5 为不同 AP 掺量对快硬高强 SAC 注浆料结石率的影响。表 5不同 AP 掺量对快硬高强 SAC 注浆料结石率的影响从表 5 可以看出，与未掺 AP 的 SAC 注浆料相比，掺 AP后快硬高强 SAC 注浆料的结石率明显增加，且随 AP 掺量的增加结石率先增加后减小，在 AP 掺量为 15
26、%时，结石率最高，比未掺 AP 的注浆料提高了 31%。说明 AP 可以明显降低快硬高强 SAC 注浆料早期硬化收缩变形，尤其是 AP 掺量为15%时收缩变形降低幅度最大，很好地改善了 SAC 注浆液的早期加固效果。图 3 为各龄期不同 AP 掺量对快硬高强 SAC 注浆料膨胀率的影响。AP 掺量/%0510152030结石率/%33.2439.3441.0243.6341.1935.19项目NiCrZnCuAP0.0800.0440.0540.037L0NDNDNDNDL5NDNDNDNDL150.0510.0350.0320.027L300.1180.1160.4580.070限值0.20
27、00.2001.0001.000图 3各龄期不同 AP 掺量对快硬高强 SAC 注浆料膨胀率的影响钟维军，等：二次铝灰烧结渣料磨细粉对快硬高强硫铝酸盐水泥注浆料性能的影响54晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂从图 5 可以看出，试样在升温至 900 益时共出现 3 个质量损失峰值，分别为从室温升至 100 益的 AFt 脱水吸热峰，220270 益的 AH3脱水吸热峰，以及 710730 益的 CaCO3分解吸热峰。从图 5（a）可以看出，20100 益、220270 益、710730 益处曲线包围的面积 L0 较大，即 L0 中 AH3凝
28、胶和 AFt、CaCO3数量较多，从图 5（b）、（c）可以看出，20100 益、220270 益、710730 益处曲线包围的面积 L30 最大，即 L30 中AH3凝胶和 AFt、CaCO3数量较多，较多 AFt 在 SO42-离子浓度不足时会转变为 AFm，与 XRD 分析的结果一致，进一步证明了 AP 会降低注浆料的后期强度。图 6 为不同 AP 掺量快硬高强 SAC 注浆料在 3、28、60 d龄期时的 IR 分析结果。从图 6 可以看出，不同 AP 掺量快硬高强 SAC 注浆料的SO42-、OH-、CO、C=O 的反对称伸缩振动峰峰值随着龄期的延长均呈增长趋势，说明随着水化进程的发
29、展，注浆料中AFt、AH3等物质含量逐渐增加，这与XRD 分析结果一致，并且 L15 的 SO42-、OH-的含量均高于其他含量，这一结果表明L15 中 AFt 含量最高，进一步验证了其力学性能优于其他掺量的注浆料。从图 6（c）可以看出，掺加 30%二次铝灰磨细粉的注浆料试件中 OH-含量较高，SO42-含量仅次于未掺 AP 的基准组，这一特征表明，该掺量的注浆料中 AFt 含量最高，与XRD 分析结果一致。并且 L0 中 SO42-含量均高于掺加 AP 的其他试件，在 SO42-离子浓度不足的情况下，AFt 和铝胶易转变为单硫型水化硫铝酸钙，因此在后期注浆料的力学性能出现倒缩的现象，膨胀率
30、出现降低的现象。Cu 四种重金属固结比率分别为 36.3%、20.5%、40.7%、27.1%，说明快硬 SAC 注浆料对 AP 中各种重金属具有较好的固结作用，尤其对 Ni、Zn 和 Cu 的固结效果极佳。因此，本文研究的磨细粉可以安全地与水泥混合应用于实际工程中。2.4微观分析图 4 为不同 AP 掺量快硬高强 SAC 注浆料在不同龄期的XRD 物相分析结果。图 4不同 AP 掺量快硬高强 SAC 注浆料在不同龄期的 XRD 物相分析图谱图 5不同 AP 掺量快硬高强 SAC 注浆料在不同龄期的热重曲线从图 4 可以看出，注浆料水化后主要含有钙矾石相，C-S-H 凝胶相、A-S-H 凝胶相
31、、水合硫酸铁钙相。随着龄期的延长，主要水化产物的峰值没有明显的变化。从不同龄期水化产物的 XRD 物相分析结果中没有发现氮化铝及氟化钙等有害物质，这说明快硬 SAC 注浆料对 AP 中氮化铝、氟化钙含有的 F、Ca 等元素的物质具有较好的固结效率。从图 4（a）可以看出，L5、L15 和 L30 的钙矾石峰高于 L0，进一步证实了AP的加入可以提高快硬高强 SAC 注浆料的结石率和膨胀率。从图 4（b）、（c）可以看出，当 AP 掺量为 30%时，钙矾石相要强于其他掺量的峰值强度，而其他物相的强度没有明显的变化。这与在 28、60 d 龄期时，30%掺量的试件抗压强度明显低于其他掺量相一致。图
32、 5 为不同 AP 掺量快硬高强 SAC 注浆料在 3、28、60 d龄期时的热重曲线。钟维军，等：二次铝灰烧结渣料磨细粉对快硬高强硫铝酸盐水泥注浆料性能的影响55新型建筑材料圆园23援09图 6不同 AP 掺量快硬高强 SAC 注浆料在不同龄期的 IR 分析3结论（1）掺入不同掺量 AP 后快硬高强 SAC 注浆料的凝结时间和流动度明显延长，其中 AP 掺量为 15%时，快硬 SAC 注浆料的凝结时间最短。快硬高强 SAC 注浆料早期抗压强度均随AP 掺量增加先提高后降低，后期抗压强度均随 AP 掺量的增加而降低，其中 AP 掺量为 5%15%时，快硬高强SAC 注浆料的抗压强度均与未掺 A
33、P 基准样相差不大，尤其相应浸水养护的抗折强度均要优于未掺 AP 的SAC 注浆料。（2）不同掺量 AP 均增加了快硬高强 SAC 注浆料浆液的结石率，随着 AP 掺量的增加其结石率先增大后减小，其中 AP掺量为 15%时结石率最高。除了 AP 掺量为 15%的注浆料，其他不同 AP 掺量的快硬高强 SAC 注浆料 3 d 以后均出现膨胀率下降的现象。AP 掺量为 15%的快硬高强注浆料在不同龄期时膨胀率最高，这与结石率的结果相一致。（3）掺加 AP 的快硬 SAC 注浆料对 Ni、Cr、Zn 和 Cu 等重金属具有固结作用，其中掺 15%AP 的快硬 SAC 注浆料对 Ni、Cr、Zn、Cu
34、 的固结比率分别为 36.3%、20.5%、40.7%、27.1%，其浸出行为和浸出浓度指标均满足 GB 307602014 的相关要求。（4）快硬高强 SAC 注浆料的主要水化产物为 AFt、A-S-H凝胶和 C-S-H 凝胶，其含量均随着 AP 掺量的增加先增加后减少。随着龄期延长，AP 掺量为 30%时快硬高强 SAC 注浆料中AH3凝胶和 AFt、CaCO3数量最多；早期时 AP 掺量为 15%的快硬高强注浆料中 AFt 含量最多，而后期时 AP 掺量为30%快硬高强 SAC 注浆料中的 AFt 含量最多。这在一定程度上解释了不同掺量 AP 快硬高强 SAC 注浆料后期强度倒缩较为明显
35、的现象。参考文献：1陈沣，黄蓓丽，巴明芳，等.钢渣改性硅酸盐水泥-水玻璃双液注浆复合材料的试验研究J.复合材料学报，2013，30（6）：139-145.2杜鹏，贾斐涵，卢晓磊，等.利用固体废弃物煅烧硫铝酸盐水泥熟料研究进展J.硅酸盐学报，2022，50（2）：340-353.3沈燕，陈玺，张伟，等.工业废渣在硫铝酸盐水泥生产中的应用现状J.材料导报，2018，32（S2）：489-491，497.4耿永娟，李绍纯，李秋义，等.利用固体废弃物制备硫铝酸盐水泥的研究进展J.硅酸盐通报，2013，32（11）：2268-2273.5YoonHn，SeoJ，KimS，etal援Hydrationof
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