赤泥基复合水化晶种对硅酸盐水泥砂浆性能的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1317

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (7): 2237-2249.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1317

赤泥基复合水化晶种对硅酸盐水泥砂浆性能的影响

李富云¹(), 黄胜晶¹, 焦威力¹, 邓孝炜¹, 陈春恒¹, 韦驰¹, 赖芳¹, 李晶¹^,²^,³()

^1.广西大学化学化工学院，南宁 530004
^2.广西零碳智能化重点实验室，南宁 530004
^3.广西高校低碳绿色化工新技术重点实验室，南宁 530004

收稿日期:2025-12-31 修订日期:2026-03-09 出版日期:2026-07-15 发布日期:2026-08-13
通信作者: 李晶，博士，教授。E-mail：lijingsophia1234@163.com
作者简介:李富云（2004—），男。主要从事铝工业废弃物赤泥在水泥砂浆中的资源化利用的研究。E-mail：2695720503@qq.com
基金资助:
“大学生创新创业训练计划”项目(S202410593112);广西自然科学基金会(2025GXNSFDA069049)

Effects of Red Mud-Based Composite Hydration Seeds on Properties of Portland Cement Mortar

LI Fuyun¹(), HUANG Shengjing¹, JIAO Weili¹, DENG Xiaowei¹, CHEN Chunheng¹, WEI Chi¹, LAI Fang¹, LI Jing¹^,²^,³()

^1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China
^2.Guangxi Key Laboratory of AI-Driven Zero-Carbon Technology，Nanning 530004，China
^3.Key Laboratory of New Low-Carbon Green Chemical Technology，Education Department of Guangxi Zhuang;Autonomous Region，Nanning 530004，China

Received:2025-12-31 Revised:2026-03-09 Published:2026-07-15 Online:2026-08-13

摘要/Abstract

摘要：

为提升赤泥在水泥基材料中的高效资源化利用，本研究采用酸浸预处理结合水热合成的方法制备了赤泥基复合水化晶种（RM-CAW），并将其掺入水泥砂浆中，系统研究其对水泥水化反应、微观结构及力学性能的影响。通过力学性能测试及X射线衍射（XRD）、热重分析（TG）、扫描电子显微镜（SEM）、比表面积及孔径分析等表征手段，对RM-CAW的增强机制进行了探讨。结果表明，掺入RM-CAW的水泥砂浆在7和28 d均表现出更优的力学性能，其中掺入5.0%（质量分数）RM-CAW的砂浆（HARM-5.0）28 d抗折强度和抗压强度较基准水泥砂浆分别提高11.1%和6.9%。RM-CAW的引入促进了水化硅酸钙（C-S-H）等水化产物的生成，显著改善了界面过渡区结构并提高了体系致密性，促进了孔隙细化与大孔比例降低。

关键词: 赤泥, 赤泥基复合水化晶种, 普通硅酸盐水泥, 腐殖酸, 水热合成, 资源化利用

Abstract:

To enhance the efficient resource utilization of red mud in cement-based materials， this study prepared red mud-based composite hydration seeds （RM-CAW） via acid leaching pretreatment combined with hydrothermal synthesis， and incorporated them into cement mortar to systematically investigate their effects on cement hydration behavior， microstructure， and mechanical properties. Mechanical performance tests together with X-ray diffraction（XRD）， thermogravimetric analysis（TG）， scanning electron microscopy（SEM）， and specific surface area and pore size distribution analyses were conducted to elucidate the strengthening mechanism of RM-CAW. The results indicate that the incorporation of RM-CAW significantly improves the mechanical properties of cement mortar at both 7 and 28 d. In particular， compared with reference cement mortar， the mortar with 5.0%（mass fraction） RM-CAW （HARM-5.0） specimen exhibits increases of 11.1% and 6.9% in flexural strength and compressive strength at 28 d， respectively. The addition of RM-CAW promotes the formation of hydration products such as calcium silicate hydrate（C-S-H）， has a pronounced improvement in the interfacial transition zone and an overall densification of the matrix， and promotes pore structure refinement and a reduction in the proportion of large pores.

Key words: red mud, red mud-based composite hydration seed, ordinary Portland cement, humic acid, hydrothermal synthesis, resource utilization

中图分类号:

TQ172

李富云, 黄胜晶, 焦威力, 邓孝炜, 陈春恒, 韦驰, 赖芳, 李晶. 赤泥基复合水化晶种对硅酸盐水泥砂浆性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(7): 2237-2249.

LI Fuyun, HUANG Shengjing, JIAO Weili, DENG Xiaowei, CHEN Chunheng, WEI Chi, LAI Fang, LI Jing. Effects of Red Mud-Based Composite Hydration Seeds on Properties of Portland Cement Mortar[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(7): 2237-2249.

图/表 18

表1 RM和水泥的主要化学组成

Table 1 Main chemical composition of RM and cement

Sample	Mass fraction/%
Sample	CaO	SiO₂	Al₂O₃	SO₃	Fe₂O₃	MgO	Na₂O
RM	15.61	15.35	17.53	1.16	29.68	0.18	10.40
Cement	59.23	15.80	3.30	3.35	2.65	2.41	0.26

表2 水泥砂浆的配合比

Table 2 Mix ratio of cement mortar

Sample	Mass/g
Sample	Cement	Sand	Water	RM-CA	RM-CAW
RCM	450	1 350	225	0	0
ARM-2.5	450	1 350	225	11.25	0
ARM-5.0	450	1 350	225	22.50	0
ARM-7.5	450	1 350	225	33.75	0
HARM-2.5	450	1 350	225	0	11.25
HARM-5.0	450	1 350	225	0	22.50
HARM-7.5	450	1 350	225	0	33.75

图1 RM、RM-CA和RM-CAW的XRD谱

Fig.1 XRD patterns of RM， RM-CA， and RM-CAW

图2 RM、RM-CA和RM-CAW的FT-IR光谱

Fig.2 FT-IR spectra of RM， RM-CA， and RM-CAW

图3 原始赤泥和RM-CAW的SEM照片

Fig.3 SEM images of raw red mud and RM-CAW

图4 RM-CA和RM-CAW的EDS照片

Fig.4 EDS images of RM-CA and RM-CAW

表3 不同pH值下RM与RM-CAW的Zeta电位对比

Table 3 Comparison of Zeta potential between RM and RM-CAW at different pH values

Sample	Zeta potential（pH=11）/mV	Zeta potential（pH=13）/mV
RM	-48.25	-27.03
RM-CAW	-52.57	-29.38

图5 不同水泥砂浆的流动度

Fig.5 Fluidity of different cement mortars

图6 不同水泥砂浆的力学性能

Fig.6 Mechanical properties of different cement mortars

图7 RCM-28 d、ARM-5.0-28 d与HARM-5.0-28 d样品的XRD谱

Fig.7 XRD patterns of RCM-28 d， ARM-5.0-28 d， and HARM-5.0-28 d samples

图8 RCM和HARM-5.0养护28 d的TG和DTG曲线

Fig.8 TG and DTG curves of RCM and HARM-5.0 curing for 28 d

表4 RCM-28 d和HARM-5.0-28 d在不同温度区间的质量损失

Table 4 Mass loss of RCM-28 d and HARM-5.0-28 d at different temperature ranges

Temperature/℃	Mass loss（RCM-28 d）/%	Mass loss（HARM-5.0-28 d）/%
50~300	4.252 5	6.288 5
420~470	1.078 2	2.197 0
580~780	1.825 2	3.014 4

图9 不同水泥砂浆养护28 d的SEM照片

Fig.9 SEM images of different cement mortars curing for 28 d

图10 RCM-28 d、ARM-5.0-28 d与HARM-5.0-28 d样品的吸附-脱附等温线和孔径分布

Fig.10 Adsorption-desorption isotherms and pore size distribution curves of RCM-28 d， ARM-5.0-28 d， and HARM-5.0-28 d samples

表5 三种水泥砂浆的BJH脱附平均孔径

Table 5 BJH desorption average pore size of three types of cement mortars

Sample	BJH desorption average pore size/nm
RCM-28 d	21.406 3
ARM-5.0-28 d	24.304 3
HARM-5.0-28 d	19.037 6

图11 三种水泥砂浆的孔容分布图

Fig.11 Distribution diagrams of pore volume distribution of three types of cement mortars

图12 腐殖酸改性赤泥机理图

Fig.12 Mechanism diagram of red mud modified by humic acid

图13 RM-CAW作为水化产物成核位点的示意图

Fig.13 Schematic diagram of RM-CAW as nucleation site of hydration products

参考文献 34

[1]	KUMAŞ C， PRASETIA H， ASTUTI W， et al. Red mud as a source of scandium： a review［J］. Journal of Rare Earths， 2026， 44（6）： 1693-1708. DOI URL
[2]	LI X F， ZHANG T A， LV G Z， et al. Summary of research progress on metallurgical utilization technology of red mud［J］. Minerals， 2023， 13（6）： 737. DOI URL
[3]	王永发. 磷石膏-赤泥基复合胶凝材料力学及保温特性研究［D］. 贵阳：贵州大学， 2025.
	WANG Y F. Research on the mechanical and thermal insulation characteristics of phosphogypsum red mud based composite cementitious materials［D］. Guiyang： Guizhou University， 2025 （in Chinese）.
[4]	ZHANG D R， CHEN H R， XIA J L， et al. Novel adsorbent synthesized from red mud and acid mine drainage for enhanced contaminant removal： industrial waste transformation， adsorbent performance and metal（loid） removal mechanisms［J］. Chemical Engineering Journal， 2023， 465： 142867. DOI URL
[5]	SINGH S， RAWAT M， LAMA P， et al. One-step benzene hydroxylation with copper oxide supported on activated red mud catalyst［J］. ACS Sustainable Chemistry & Engineering， 2024， 12（35）： 13176-13184.
[6]	王善烨，陈磊，于树志，等. 赤泥在地聚物、水泥和混凝土中的应用进展［J］. 水泥， 2025（9）： 143-145.
	WANG S Y， CHEN L， YU S Z， et al. Application progress of red mud in gypsum， cement and concrete［J］. Cement， 2025（9）： 143-145 （in Chinese）.
[7]	LI Z F， YOU H， GAO Y F， et al. Effect of ultrafine red mud on the workability and microstructure of blast furnace slag-red mud based geopolymeric grouts［J］. Powder Technology， 2021， 392： 610-618. DOI URL
[8]	PENG G F， WANG X F， DING H， et al. Effect of calcined red mud on the mechanical properties and microstructure of ultra-high performance concrete［J］. Construction and Building Materials， 2025， 484： 141891. DOI URL
[9]	王鸿齐，李望，朱晓波，等. 基于赤泥酸浸液的聚合硫酸氯化铝铁制备及其絮凝性能［J］. 工业水处理， 2026， 46（6）： 54-61.
	WANG H Q， LI W， ZHU X B， et al. Preparation of polymeric aluminum ferric sulfate chloride from red mud acid leachate with flocculation performance［J］. Industrial Water Treatment， 2026， 46（6）： 54-61 （in Chinese）.
[10]	韩剑宏，孙一博，张连科，等. 生物炭与腐殖酸配施对盐碱土理化性质的影响［J］. 干旱地区农业研究， 2020， 38（6）： 121-127.
	HAN J H， SUN Y B， ZHANG L K， et al. Effect of biochar and humic acid on physical and chemical properties of saline-alkali soil［J］. Agricultural Research in the Arid Areas， 2020， 38（6）： 121-127 （in Chinese）.
[11]	李　达，徐康宁，郭　飞. 腐殖酸改良脱碱赤泥的环境风险评估［J］. 环境工程技术学报， 2023， 13（6）： 2213-2220.
	LI D， XU K N， GUO F. Environmental risk assessment of humic acid modified dealkalized red mud［J］. Journal of Environmental Engineering Technology， 2023， 13（6）： 2213-2220 （in Chinese）.
[12]	肖桂元，代琳，王一名，等. 水玻璃激发赤泥-粉煤灰-矿渣复合固化红黏土特性［J］. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版）， 2025， 44（6）： 667-674.
	XIAO G Y， DAI L， WANG Y M， et al. Properties of red clay solidified by sodium silicate activated red mud-fly ash-slag composite［J］. Journal of Liaoning Technical University （Natural Science）， 2025， 44（6）： 667-674 （in Chinese）.
[13]	SHI J M， LIU Y， LI Z M， et al. Upcycling use of red mud-based solid waste in engineered cementitious composites： properties， activation mechanism， and life-cycle assessment［J］. Journal of Cleaner Production， 2024， 447： 141504. DOI URL
[14]	ZHENG Q， JIANG J Y， LI X L， et al. In situ TEM observation of calcium silicate hydrate nanostructure at high temperatures［J］. Cement and Concrete Research， 2021， 149： 106579. DOI URL
[15]	呼思乐. 固废合成水化硅酸钙晶种及其对负温水泥水化的影响［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2025.
	HU S L. Solid waste synthesis of C-S-H seeds and their effect on negative temperature cement hydration［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2025 （in Chinese）.
[16]	杨　峰，蒋　勇，吴茂杰，等. 水化硅酸钙早强剂的晶种诱导高效合成及其应用［J］. 四川水泥， 2022（8）： 1-4+7.
	YANG F， JIANG Y， WU M J， et al. Efficient synthesis of calcium silicate hydrate early strength agent by seed induction and its application［J］. Sichuan Cement， 2022（8）： 1-4+7 （in Chinese）.
[17]	XIAO J W， ZHANG J Z， ZHANG H L， et al. Preparation and characterization of organic red mud and its application in asphalt modification［J］. Construction and Building Materials， 2023， 367： 130269. DOI URL
[18]	焦乙枭. 赤泥功能生物炭复合材料活化过硫酸盐降解AO7的性能和机理研究［D］. 重庆：重庆大学， 2022.
	JIAO Y X. Study on the performance and mechanism of red mud functional biochar composites activated persulfate to degrade AO7［D］. Chongqing： Chongqing University， 2022 （in Chinese）.
[19]	董远鹏，刘喜娟，董梦阳，等. 腐殖质和硝酸钙对赤泥团聚体形成的促进作用［J］. 环境污染与防治， 2020， 42（10）： 1205-1210.
	DONG Y P， LIU X J， DONG M Y， et al. Improvement effect of calcium nitrate and humus on the aggregate formation in bauxite residue［J］. Environmental Pollution & Control， 2020， 42（10）： 1205-1210 （in Chinese）.
[20]	徐晓飞. 水化硅酸钙的微观结构及力学性能［D］. 武汉：武汉大学， 2022.
	XU X F. Microstructure and mechanical properties of calcium silicate hydrate［D］. Wuhan： Wuhan University， 2022 （in Chinese）.
[21]	LIU X， LUO Q F， XIE H， et al. Effect of calcium alumina silicate hydrate nano-seeds on the hydration of low clinker cement［J］. Journal of Building Engineering， 2023， 66： 105844. DOI URL
[22]	LI S C， ZHANG J， LI Z F， et al. Feasibility study of red mud-blast furnace slag based geopolymeric grouting material： effect of superplasticizers［J］. Construction and Building Materials， 2021， 267： 120910. DOI URL
[23]	XU K， YANG J， HE H J， et al. Influences of additives on the rheological properties of cement composites： a review of material impacts［J］. Materials， 2025， 18（8）： 1753. DOI URL
[24]	周烨来，马慧博，张世栋，等. 含氟复合激发剂对钢渣基蓄热水泥水化产物及性能的影响［J］. 硅酸盐通报， 2026， 45（1）： 177-190. DOI
	ZHOU Y L， MA H B， ZHANG S D， et al. Effect of fluorine-containing composite activator on hydration products and properties of steel slag-based thermal storage cement［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2026， 45（1）： 177-190 （in Chinese）.
[25]	CHEN Y C， LIU Y， MUHAMMAD Y， et al. Resourceful reuse and performance evaluation of modified electrolytic aluminum spent cathode carbon block material as cement admixture［J］. Construction and Building Materials， 2023， 397： 132453. DOI URL
[26]	CUI X， HAN B G， ZHENG Q F， et al. Mechanical properties and reinforcing mechanisms of cementitious composites with different types of multiwalled carbon nanotubes［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2017， 103： 131-147.
[27]	GUAN X C， BAI S， LI H， et al. Mechanical properties and microstructure of multi-walled carbon nanotube-reinforced cementitious composites under the early-age freezing conditions［J］. Construction and Building Materials， 2020， 233： 117317. DOI URL
[28]	LI W， FAN Y B， HONG J X， et al. Investigation on the early proceeding of cement hydration containing dispersed nano calcium silicate hydrated （CSH） seeds［J］. Construction and Building Materials， 2024， 425： 136039. DOI URL
[29]	WANG B Y， YAO W， STEPHAN D. Preparation of calcium silicate hydrate seeds by means of mechanochemical method and its effect on the early hydration of cement［J］. Advances in Mechanical Engineering， 2019， 11（4）： 1687814019840586. DOI URL
[30]	ZHOU X， HUANG W Y， SHI J， et al. A novel MOF/graphene oxide composite GrO@MIL-101 with high adsorption capacity for acetone［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2014， 2（13）： 4722-4730. DOI URL
[31]	XUE S W， HU Y H， WAN K J， et al. Exploring humic acid as an efficient and selective adsorbent for lead removal in multi-metal coexistence systems： a review［J］. Separations， 2024， 11（3）： 80. DOI URL
[32]	ZHAO J G， LI Y， LI Y H， et al. Effects of humic acid on sludge performance， antibiotics resistance genes propagation and functional genes expression during Cu（II）-containing wastewater treatment via metagenomics analysis［J］. Bioresource Technology， 2021， 323： 124575. DOI URL
[33]	CHEN X T， LIU T J， GUO J Y， et al. C-S-H-PCE nanoparticles and anionic surfactants as nucleation agent in cement based materials： focus on the antagonism［J］. Cement and Concrete Composites， 2024， 152： 105644. DOI URL
[34]	LEI F Z， LEI L， KANG Y Y， et al. Effect of 2-acrylamide-2-methylpropane sulfonic acid on the early strength enhancement of calcium silicate hydrate seed［J］. Cement and Concrete Composites， 2024， 149： 105527. DOI URL

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[1]	刘鑫, 李明阳, 张细和, 蓝少丁, 高旭. 赤泥与再生微粉协同调控磷石膏-矿渣基全固废胶凝材料的耐久性能与微观结构研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(7): 2478-2490.
[2]	田淑梅, 罗皓文, 汪洪星, 阮俊浩, 赵田甜, 张笑一, 巫尚蔚. 基于地聚合反应和纳米材料复配优化的赤泥固化研究[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(5): 1693-1708.
[3]	秦娟, 曹果宜, 史佳宇, 季强, 吕嘉睿, 顾晓敏, 石健. 托贝莫来石的晶体结构、合成改性及吸附应用现状[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(2): 663-674.
[4]	薛南波, 陈伟伟, 晏伟杰, 夏李斌. PAM类絮凝剂对废弃桩基泥浆脱水性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(1): 227-236.
[5]	唐佩, 郭少飞, 邓腾飞, 陈伟. 低氧分压下赤泥基陶粒的发泡行为及晶相转变研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(9): 3305-3314.
[6]	廖序, 王涛, 蒋传福, 贺艳, 崔学民. 地质聚合物固体废弃物与甘蔗废渣协同脱碱赤泥合成有机土壤的研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(8): 2900-2911.
[7]	袁宏, 杨敏, 蔡婷娅, 潘荣祥. 缓凝剂对矿渣-赤泥基地质聚合物性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(7): 2589-2596.
[8]	魏贤华, 王得林, 李超, 钟海军, 郭龙龙. 粉煤灰基地质聚合物及含水率对固化土力学性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(5): 1949-1956.
[9]	张旭明, 王伟强, 张风頔, 邹欣伟. 赤泥制备脱硫剂及其脱硫机理[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(3): 1001-1010.
[10]	李钰佳, 段思宇, 吴浩, 史晓凯, 韩晓亮, 赵佩伦, 马志斌. 赤泥-粉煤灰-电石渣复合胶凝材料的力学性能及水化机理[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(3): 1041-1049.
[11]	黄飞衡, 辛扬帆, 姜葱葱, 王昱, 张丽娜, 程新, 卢晓磊, 刘绍锐. 固废基掺合料的调制及其对复合胶凝材料抗氯性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(3): 1050-1056.
[12]	罗婷倚, 李睿杰, 韦才超, 王超毅, 罗柳芬. 改性赤泥路基工程特性及其环境影响评价研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(12): 4633-4645.
[13]	肖月, 李超, 陈宗武, 王凤. 仿形轻骨料的制备及在热阻式沥青混合料中的应用[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(11): 4147-4161.
[14]	张鲲鹏, 张宁, 丁北斗. 基于响应面法的复合固化土配合比优化研究[J]. 硅酸盐通报, 2025, 44(1): 368-377.
[15]	李子超, 朱俊阁, 乐红志, 马来君, 赵浩宇, 钟佳意. 活化赤泥基胶凝材料的抗冻融性能研究[J]. 硅酸盐通报, 2024, 43(3): 965-976.