基于固态废料的新型混凝土设计研究

摘要：随着环保意识提升与资源可持续利用需求增长，利用固态废料制备新型混凝土成为研究焦点。本文深入探究工业固废赤泥、秸秆纤维等固态废料在新型混凝土设计中的运用，分析其作用机理、性能特点，为推动新型混凝土发展与固态废料资源化利用提供参考。

关键词：固态废料；新型混凝土；设计研究；可持续发展

一、引言

（一）研究背景

在建筑行业持续扩张的当下，混凝土作为主要建筑材料。传统混凝土制备对水泥、砂石等天然原材料依赖严重，导致资源过度开采与环境破坏。与此同时，工业固废赤泥、农业废弃物秸秆纤维等固态废料大量产生，不合理处置引发环境污染与资源浪费。因此，开展基于固态废料的新型混凝土设计研究，对解决废料处置难题、实现建筑材料绿色可持续发展意义重大。

（二）研究目的与意义

本研究旨在探索将工业固废赤泥、秸秆纤维等固态废料合理用于新型混凝土设计，通过优化配合比与制备工艺，制得性能优良且环保的新型混凝土。

二、固态废料特性分析

（一）工业固废赤泥

1化学组成

[1]赤泥是氧化铝生产废渣，化学组成复杂，主要含 Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂、CaO 等。

2物理性质

赤泥呈细颗粒状，粒径小、比表面积大，颜色多为红或棕色。堆积密度 1.5 - 2.5g/cm³，有吸水性与可塑性。

3活性分析

赤泥活性成分主要是 Al₂O₃和 SiO₂等，能与水泥水化产物二次反应生成胶凝物质，提升混凝土强度与耐久性。

（二）秸秆纤维

1化学组成

[3]秸秆纤维主要由纤维素、半纤维素和木质素构成。纤维素赋予纤维高强度和刚度，半纤维素改善与水泥基体界面结合性能，木质素起粘结和保护作用。还含少量灰分、果胶等。

2物理性质

秸秆纤维轻质高强，密度 0.6 - 1.2g/cm³，长度几毫米到几十毫米，直径几微米到几十微米，表面粗糙有孔隙结构，利于与水泥基体机械咬合，但吸水性强。

三、基于固态废料的新型混凝土设计原理

（一）工业固废赤泥在混凝土中的应用原理

1作为水泥混合材

[1]赤泥具潜在活性，可作水泥混合材。水泥生产时，赤泥与熟料、石膏等混合粉磨，其活性成分与水泥熟料水化产生的氢氧化钙二次反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等胶凝产物，提高水泥强度和耐久性，还能降低成本，减少熟料用量，降低能耗与二氧化碳排放。

2制备碱激发赤泥人造骨料

[2]碱激发赤泥人造骨料由赤泥与碱性激发剂、骨料等混合，经成型、养护制备。碱性激发剂作用下，赤泥活性成分反应生成高强度胶凝物质粘结骨料。该人造骨料密度小、强度高、吸水性低，可用于制备轻质混凝土，能与水泥基体良好结合，共同承受荷载，提高混凝土性能。

（二）秸秆纤维在混凝土中的增强原理

1纤维增强作用

[3]秸秆纤维增强混凝土主要靠桥联和阻裂效应。混凝土出现微裂缝时，纤维跨越裂缝阻止扩展，提高抗拉强度和韧性，分担荷载，使受力均匀，改善内部结构，减少缺陷。

2改善混凝土工作性能

适量秸秆纤维掺入能改善混凝土工作性能。

四、基于固态废料的新型混凝土制备工艺

（一）原材料准备

1赤泥的预处理

为提高赤泥应用性能，需预处理。先筛选除杂，再据特性和应用要求选激发方法。碱激发时准确计算碱性激发剂用量并充分混合；热激发则需高温煅烧提高活性。

2秸秆纤维的预处理

[3]秸秆纤维亲水性强、表面杂质多，需预处理。物理处理如机械粉碎、水洗除杂，减小纤维尺寸，提高分散性；化学处理如碱处理、硅烷偶联剂处理改善表面性能，提高与水泥基体粘结强度。

（二）配合比设计

1确定设计目标

依新型混凝土使用要求和性能指标确定配合比设计目标。结构工程注重强度和耐久性，保温隔热工程关注保温和轻质特性。确定目标时考虑固态废料特性和掺量限制，保证性能稳定和成本合理。

2初步配合比计算

据设计目标和原材料性能，用绝对体积法进行初步配合比计算，确定水泥、骨料、水、固态废料及外加剂用量。

3配合比优化

通过试配和性能测试优化初步配合比。试配观察工作性能，如坍落度、流动性、粘聚性等，据此调整。

（三）混凝土制备过程

1搅拌工艺

将预处理后的赤泥、秸秆纤维及其他原材料按优化配合比依次加入搅拌机。先干拌水泥、骨料等，再加水和外加剂继续搅拌，保证均匀。

2成型与养护

搅拌好的混凝土倒入模具成型，振捣密实。复杂或大体积构件分层浇筑振捣。成型试件及时养护，养护方法有标准养护、自然养护、蒸汽养护。

五、基于固态废料的新型混凝土性能研究

（一）力学性能

1抗压强度

试验表明，适量赤泥掺入提高混凝土抗压强度，因其活性成分与水泥水化产物反应生成更多胶凝物质，增强内部结构。但掺量过高，抗压强度下降，因赤泥活性低，影响水泥正常水化，降低密实度。秸秆纤维适量掺入在一定程度上提高抗压强度，阻止裂缝扩展，过多则因形成薄弱界面和影响流动性致振捣不密实，降低抗压强度。

2抗拉强度

秸秆纤维对提高混凝土抗拉强度效果显著，因其高抗拉强度承担部分拉应力，阻止裂缝产生和扩展。随掺量增加，抗拉强度先升后降，掺量过高易团聚形成缺陷。赤泥掺入对抗拉强度影响较小，但改善内部结构，间接提高抗拉强度。

（二）耐久性能

1抗渗性能

适量赤泥掺入细化混凝土孔隙结构，降低孔隙率，提高抗渗性能，其活性成分与水泥水化产物反应填充孔隙，减少渗水通道。秸秆纤维掺入在一定程度上改善抗渗性能，增加粘聚性，减少离析泌水，降低连通孔隙率。

2抗腐蚀性能

在硫酸盐腐蚀环境下，赤泥活性成分与硫酸盐反应生成稳定产物，提高抗硫酸盐腐蚀性能。秸秆纤维改善内部结构，减少缺陷，一定程度提高抗腐蚀性能。在酸碱腐蚀环境下，掺量影响抗腐蚀性能。

六、基于固态废料的新型混凝土经济与环境效益分析

（一）经济效益分析

1原材料成本降低

传统混凝土依赖的天然原材料价格上涨，而工业固废赤泥和秸秆纤维等固态废料来源广、成本低，甚至部分地区赤泥处置需费用。将其用于新型混凝土制备，大幅降低原材料成本。

2生产工艺成本变化

新型混凝土在原材料预处理和配合比设计投入更多技术和人力成本，但整体生产工艺成本变化不显著。碱激发赤泥人造骨料制备工艺虽复杂，但优化工艺参数和设备选型可实现规模化生产，降低单位成本。

（二）环境效益分析

1减少固态废料排放

工业固废赤泥和秸秆纤维等若不合理处置，占用土地，污染环境。用于新型混凝土制备，实现资源化利用，大幅减少排放。

2降低能源消耗与碳排放

传统混凝土生产中水泥熟料烧制能耗高、碳排放大。新型混凝土使用赤泥等固态废料，减少水泥熟料用量，降低能耗和碳排放。

八、结论

本研究深入探讨基于固态废料的新型混凝土设计，分析赤泥和秸秆纤维等固态废料特性，明确其在混凝土中的作用和应用原理。通过合理预处理、配合比设计和工艺优化，可制备性能优良的新型混凝土，在力学、耐久和工作性能方面表现良好，具显著经济和环境效益，在建筑结构和道路工程等领域成功应用，验证了可行性和优越性。

引用文献：

[1] 郝勇，信翔宇，黄永波，段广彬. 工业固废赤泥在水泥制备中的应用研究进展[J].中国粉体技术，2022，28（02）：1-6.

[2]田凯歌.碱激发赤泥人造骨料混凝土材料设计及其应用研究[D].导师：邢锋.中国地震局工程力学研究所，2024.

[3]郑海峰.基于固体废弃物构建呼吸砖及其呼吸性能的研究[D].导师：高文元.大连工业大学，2020.

[4]曹健.固体废弃物秸秆纤维增强硫氧镁水泥环保建材性能[D].深圳大学，2019.