1.引言 

赤泥和磷石膏是我国工业发展过程中出现的较多的工业废料，它们利用率低，目前国内外氧化铝厂大都将赤泥输送堆场,筑坝湿法堆存^[1]，不仅消耗大量土地，而且造成土壤、地下水和空气污染。近年来，国内外的研究人员在各个领域进行了广泛的研究，寻找能让赤泥和工业石膏两种废物充分利用的有效方法。在建筑材料中使用赤泥和工业石膏是一种经济、无害的回收方式。科学家们已经对其综合用途进行了大量研究。许多研究表明，足够数量的工业石膏可以与赤泥材料混合，形成的复合材料具有一定的机械强度^[2]，这对两种主要工业废料在道路建设和生态保护上起到十分重要作用。赤泥中含有Al2O3、SiO2 、FeO3等成分，具有开发复合材料和填充物的潜力。同时，磷石膏还能活化赤泥，增强和改善赤泥的力学性能。因为赤泥和磷石膏具有协同利用的条件，国内外学者做了很多研究，同时也取得很多成果。石英等^[3]为了解决酸性和酸性物质中磷酸盐石膏的过饱和特性，开发了碱性粘土掺杂技术，以找出石膏的不同添加部分如何影响磷酸盐石膏的生物增强型质量和物理适用性。何玉鑫等^[4]使用未经加工的初级磷石膏，由各种纤维与水泥、炉渣和石灰混合制成，以研究其弯曲的力学和弹性，李小涛等^[5]研究了短玄武岩纤维混合物对磷石膏抗粘接阻力的影响，分析了短切玄武岩纤维增强磷石膏的机械性能，并通过SEM研究了其结构的微观变化。南相莉等^[6]对赤泥的综合应用的研究中发现用赤泥作环境修复材料处理废气、废水,及土壤中的有机、无机污染,具有成本低、工艺简单、以废治废等优点,及皇志威^[7]以赤泥和磷石膏为主要原材料与胶凝材料协同作用制备符合道路要求的赤泥磷-石膏材料，在此基础上我们了解到，纤维对复合材料具有增强、增强和提高抗裂性能，这对于道路路基、路面材料都有不错的应用前景^[8]。

由此我们想到如果在赤泥磷石膏复合材料中加入部分纤维材料是否能够让赤泥磷石膏复合材料的力学性能更上一层楼，加入纤维材料后的赤泥磷石膏复合材料在西南地区道路中的使用能起到较大的作用。本文仅仅面对加入纤维后的赤泥和磷石膏复合材料在力学方面的研究。

2.实验内容与方法

2.1实验材料与制作

2.1.1实验材料

本研究通过室内试验，对添加纤维前后赤泥磷石膏复合材料的物理力学性能展开测试。试验中用于制备赤泥磷石膏复合材料的主要原料包括四种，分别为拜耳法赤泥、磷石膏、粉煤灰和矿渣。其中，试验所用赤泥为拜耳法赤泥（RM），由山西某铝厂提供；磷石膏（PG）产自重庆的一家化工厂；矿渣 (GBFS) 来自湖北武汉某公司；粉煤灰 (FA) 来自四川某公司。试验采用的激活剂通过固体 NaOH、SiO₂及水制备而成；所用增强材料为玄武岩纤维^[9] ，由上海某化工公司供应。

2.1.2试件的成型与养护

本文选取的纤维分别是玄武岩，长度均为12 mm。

纤维增强赤泥磷石膏基复合材料的制备步骤如下：

（1）基材制备：将固体组分(RM、PG、矿渣、粉煤灰)按配比赤泥： 磷石膏：矿渣：粉煤灰：激活剂=25%：25%：42%：8%：2%，水胶比固定为0.44不变，先混合3min，然后加水和激活剂，再搅拌3min，得到胶凝浆体。

（2）掺加纤维：向混合充分的浆体中缓慢加入纤维，混合2min，以确保均匀。

（3）试件浇筑：然后将新鲜混合物引入尺寸为40 × 40 × 160 mm的模具中，在振动台上振动30秒。

（4）养护方式：铸型后，用保鲜薄膜包裹试件先固化24h，然后脱模，用保鲜膜包裹，防止水分流失。在温度为20±2℃、湿度为95%的养护室内养护28天。

图2-1试样制备

2.2实验内容

2.2.1抗折强度

抗折强度参照GB∕T17671-2021水泥胶砂强度检验方法（ISO法），采用三点弯曲进行测试，测试时以位移为控制目标，以0.2mm/min的速度压至试样折断，停止试验并记录峰值力，按式（1-1）计算试件的抗折强度。

式中：Rf 为试件的抗折强度，MPa；Ff 为试件折断时的荷载，N；L 为试件底面支撑点间的距离，mm（本试验取100mm）；b为棱柱体横截面边长，mm（40mm）。

（2）抗压强度

抗折强度测试中折断的试件继续用于抗压强度测试。抗压强度测试采用40mm抗压强度夹具进行，见图2-2。测试以位移为控制指标，加载速率设置为 2 mm/min，得到峰值荷载后，试件的抗压强度按下式计算：

式中，Rc 为抗压强度，MPa；Fc 为试件破坏时的峰值荷载，N；A 为受压部分面积， mm2。

图2-2万能试验机和试样加载图

3.实验结果与分析

3.1单一长度纤维增强赤泥磷石膏基复合材料抗折试验结果

图3-1展示了 RPC 标准养护28d后，12mm玄武岩纤维的掺量对RPC抗折性能的影响。从图中可以清晰看出，在短BF纤维的增强作用下，BF纤维的抗折强度起初与纤维材料掺量呈正相关关系，当掺量达到 1.2%时，抗折强度达到最大值。随后，随着纤维掺量继续增加，抗折强度反而逐渐降低。通过对数据进行详细分析，当纤维掺量从 0 逐渐增加至 1.2% 时，抗折强度呈现稳步上升趋势，增长率较为显著。当纤维掺量从 0 增加到 0.6% 时，抗折强度提升了 142.60%；从 0.6% 增加到 1.2% 时，抗折强度又提升了221.41%。而当纤维掺量超过 1.2% 后，抗折强度开始下降，如从 1.2% 增加到 1.8% 时，抗折强度下降了7.67%。这表明在一定范围内，增加纤维掺量能够有效提高复合材料的抗折性能，但超过某一临界值后，过多的纤维可能会在复合材料内部形成团聚，影响材料的内部结构，从而导致抗折强度降低。

图3-1纤维增强RPC抗折强度随纤维掺量和长度的变化曲线

3.2单一长度纤维增强赤泥磷石膏基复合材料抗压试验结果

图3-2表明，12 mm 纤维试样的抗压强度呈现增加的变化趋势。当掺量为 1.8% 时，12 mm BF 试样的抗压强度达到最大值 23.41MPa，相较于未添加纤维时的抗压强度，增加了 21.42%。对不同纤维掺量下的抗压强度数据进行深入剖析，当纤维掺量从 0 增加到 0.6% 时，抗压强度提升了4.3%；从 0.6% 增加到 1.2% 时，抗压强度提升了16.66%；从 1.2% 增加到 1.8% 时，抗压强度提升了 43.79%，达到峰值。这说明适量的纤维掺加能够增强复合材料的抗压性能，可能是由于纤维在复合材料内部起到了支撑和传递应力的作用，使材料能够承受更大的压力。 

图3-2纤维增强RPC抗压强度随纤维掺量的变化曲线

本文采用普通克里金方法对相同的纤维长度（12mm） 和不同的掺量（0%、0.6%、1.2%和1.8%）的BF纤维增强RPC的力学特性进行分析，BF纤维结果显示当纤维长度为12mm时掺量为1.8%时，此时具有抗折强度5.49MPa，而对应抗压强度23.41MPa，作为BF纤维长度为12mm时的最佳纤维掺量。由此我们可以得出结论，在12mm的BF纤维长度下，参量为1.8%时力学效果最好。相较于市面上的材料，它的抗压、抗折效果都有明显的提升。

4.实验结论

本研究在全面总结和深入分析赤泥和磷石膏复合材料相关研究的基础上，以制备高强度建筑材料、优化材料性能为目标，首先对赤泥磷石膏基复合材料作为建筑材料的可行性进行研究，通过强度优化以及环境安全综合评估等多方面考量。其次，以赤泥磷石膏基复合材料为研究对象，深入探究纤维类型、掺量对复合材料力学性能的影响，得出以下主要结论：

（1）通过对单一长度纤维在不同掺量配合比下复合材料的抗压、抗折强度进行系统测试，并对单一长度纤维增强 RPC 进行深入分析，确定 12mm 的 BF 纤维最佳纤维掺量为 1.8 %。在此纤维配合比下，复合材料的抗压强度和抗折强度均得到显著提高，且在本实验所设置的几组实验中效果最佳。

（2）本实验实现了工业废物的再次利用，减少了资源浪费，能够规模化利用废弃物，有效提高了资源利用率。同时，显著提升了赤泥磷石膏的力学特性，为建设材料的发展提供了新的方向，契合国家绿色发展的战略要求，对推动我国建设领域的可持续发展具有积极意义。

参考文献

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