利用工業(yè)堿渣制備便道磚的研究

劉大成，劉艷娟，王仲軍，葛偉青，李 悅，王亞飛

（唐山學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山 063000）

利用工業(yè)堿渣制備便道磚的研究

劉大成，劉艷娟，王仲軍，葛偉青，李 悅，王亞飛

（唐山學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山 063000）

利用氨堿法生產(chǎn)純堿產(chǎn)生的廢棄物-堿渣為主要原料制備便道磚。研究表明：堿渣直接用于制備便道磚方案不可行，需對(duì)堿渣進(jìn)行預(yù)處理；由堿渣、粘土和結(jié)合劑FM混合經(jīng)700 ℃預(yù)處理，制成堿渣-粘土-FM復(fù)合料；復(fù)合料再與石粉、石渣、水泥等按復(fù)合料80%、石粉15%、石渣5%，水泥外加10%的配比，制得的便道磚7天強(qiáng)度為14.84 MPa，28天強(qiáng)度可達(dá)24.36 MPa。

工業(yè)廢渣；堿渣；便道磚

0 引 言

純堿是重要的基礎(chǔ)化工原材料，廣泛應(yīng)用于建材、冶金、化工等工業(yè)。生產(chǎn)純堿的主要方法有氨堿法、聯(lián)堿法和天然堿法，我國(guó)以氨堿法生產(chǎn)純堿為主。目前國(guó)內(nèi)氨堿法生產(chǎn)純堿工藝中，伴隨純堿會(huì)產(chǎn)生大量的廢渣-堿渣[1]，這些堿渣的排放會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生很大危害，為此需要對(duì)其進(jìn)行處理，綜合利用。

目前，工業(yè)廢渣利用研究較多，其主要應(yīng)用于建材方面[2,3]，作為工業(yè)廢渣的堿渣制備水泥[4,5]、復(fù)合凝膠材料[6-9]等也取得了一定的成效，但仍存在技術(shù)和成本等問(wèn)題，致使堿渣利用率不高。為擴(kuò)大堿渣的利用范圍、提高堿渣利用率，擬用堿渣為主要原料，制備便道磚，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的綜合利用和可持續(xù)發(fā)展。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)主要原材料

本實(shí)驗(yàn)主要原料為堿渣、粘土、石粉、石渣及625普通硅酸鹽水泥等。

表1 堿渣的化學(xué)組成Tab.1 Chemical composition of soda residue

堿渣為某氨堿法生產(chǎn)純堿廠所產(chǎn)生的廢渣，其組成見(jiàn)表1；粘土為某產(chǎn)地紫木節(jié)粘土，其組成見(jiàn)表2；石粉為制備混凝土用石子時(shí)產(chǎn)生的細(xì)顆粒廢棄料。

1.2 實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用主要儀器設(shè)備有101-I型電熱鼓風(fēng)干燥箱(江蘇南通縣實(shí)驗(yàn)電器廠)、KSX箱式節(jié)能電阻爐(湘潭華豐儀器制造有限公司)、DYE-2000電液式壓力試驗(yàn)機(jī)(北京路業(yè)科宇實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)、NJ-160B水泥凈漿攪拌機(jī)(北京市盛世通精密試驗(yàn)儀器廠)及KM-1快速研磨機(jī)(湘潭華豐儀器制造有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用堿渣細(xì)粉為主要原料，經(jīng)烘干、加入粘土細(xì)粉和結(jié)合劑對(duì)其進(jìn)行混合包裹并進(jìn)行預(yù)處理，再加入水、石粉等物料及水泥(膠結(jié)劑)配合料混合，經(jīng)壓力機(jī)加壓制成試塊，然后對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，測(cè)定養(yǎng)護(hù)3天、7天和28天的抗壓強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 堿渣(未預(yù)處理)含量對(duì)堿渣制備便道磚強(qiáng)度的影響

未經(jīng)預(yù)處理的堿渣、石粉、石渣及水泥等進(jìn)行配料(參考工程實(shí)際取配方見(jiàn)表3)、混合、成型，經(jīng)養(yǎng)護(hù)，測(cè)定試塊3天、7天及28天強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

因便道磚試塊3天和7天強(qiáng)度均比較低，故除配方中沒(méi)有堿渣的試塊測(cè)定了28天強(qiáng)度外，其余未測(cè)定28天強(qiáng)度。

表2 紫木節(jié)粘土的化學(xué)組成Tab.2 Chemical composition of Zimujie Clay

表3 堿渣(未預(yù)處理)含量對(duì)堿渣制備便道磚強(qiáng)度的影響Tab.3 Effects of untreated soda residue content on strength of the prepared pavement brick

由表3可知，各種便道磚配方中，試樣7天強(qiáng)度明顯高于3天強(qiáng)度；除配方中不含有堿渣的情況外，堿渣含量為40%時(shí)3天強(qiáng)度最大，為3.83 MPa，堿渣含量為30%時(shí)7天強(qiáng)度最大，為6.23 MPa。就7天強(qiáng)度而言，堿渣含量為30%與40%相比差別不大?？傮w而言，強(qiáng)度隨著堿渣含量增加而降低。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可得，制備便道磚配料中，堿渣的加入會(huì)顯著降低3天、7天試塊強(qiáng)度，即使是加入量不是太多，也會(huì)對(duì)便道磚強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，這說(shuō)明堿渣本身沒(méi)有強(qiáng)度，也不具有賦予制品強(qiáng)度的功能，堿渣的加入只會(huì)使便道磚的強(qiáng)度降低。為此，堿渣不經(jīng)過(guò)預(yù)處理而直接應(yīng)用于制備便道磚方案不可行。

2.2 堿渣預(yù)處理溫度對(duì)堿渣制備便道磚強(qiáng)度的影響

堿渣經(jīng)不同溫度進(jìn)行預(yù)處理，配合石粉、石渣和水泥，經(jīng)混合、成型和養(yǎng)護(hù)，制得不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的便道磚試塊，測(cè)試強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

考慮到最大量使用堿渣，實(shí)驗(yàn)配方中加大堿渣用量，減少石粉和石渣的用量，配比按不同溫度下處理后的堿渣占80%、石粉占15%、石渣占G5%，水泥占10%(水泥加入量以其余物料總量外加計(jì))執(zhí)行。

由表4可見(jiàn)，不同預(yù)處理溫度對(duì)堿渣制備便道磚的強(qiáng)度影響不同，當(dāng)堿渣的熱處理溫度在800 ℃以下從低到高時(shí)，預(yù)處理溫度提高對(duì)堿渣便道磚的強(qiáng)度有提高的作用，700 ℃與800 ℃預(yù)處理時(shí)的強(qiáng)度相差不大。800 ℃時(shí)7天強(qiáng)度8.45 MPa，28天強(qiáng)度13.98 MPa；當(dāng)堿渣的預(yù)處理溫度超過(guò)800 ℃時(shí)，堿渣制備便道磚的強(qiáng)度逐漸降低，這可能是由于當(dāng)預(yù)處理溫度達(dá)到900 ℃及以上時(shí)，堿渣中的碳酸鈣分解為氧化鈣和二氧化碳導(dǎo)致的。由預(yù)處理溫度為700 ℃和800 ℃的情況可見(jiàn)，堿渣預(yù)處理溫度在700 ℃至800 ℃為宜，且兩溫度下強(qiáng)度相差不大。另由表4可見(jiàn)，即使是預(yù)處理溫度合適，堿渣制備便道磚的強(qiáng)度仍然不高，還需改進(jìn)便道磚試塊配方，提高便道磚的強(qiáng)度。

表4 堿渣預(yù)處理溫度對(duì)堿渣制備便道磚強(qiáng)度的影響Tab.4 Effects of preheating temperature of soda residue on strength of the prepared pavement brick

表5 堿渣-粘土質(zhì)量比對(duì)制備便道磚強(qiáng)度的影響Tab.5 Effects of mass ratio of soda residue to clay on strength of the prepared pavement brick

2.3 堿渣-粘土質(zhì)量比對(duì)制備便道磚強(qiáng)度的影響

堿渣經(jīng)干燥，與粘土細(xì)粉按一定的比例配合，于700 ℃預(yù)處理，制成堿渣復(fù)合料，按堿渣復(fù)合料占80%、石粉15%、石渣5%，水泥10%(水泥加入量以其余物料總量外加計(jì))進(jìn)行配合，經(jīng)混合、成型和養(yǎng)護(hù)后測(cè)定試塊強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可見(jiàn)，當(dāng)粘土與堿渣配合經(jīng)700 ℃預(yù)處理后制得堿渣-粘土復(fù)合料，再與其他物料配比混合、成型養(yǎng)護(hù)后，所得便道磚強(qiáng)度較單純堿渣經(jīng)預(yù)處理后用于制得便道磚強(qiáng)度有較大提高，堿渣與粘土的配合比(質(zhì)量比)為95∶5較為合理，用其制得的便道磚7天強(qiáng)度為10.30 MPa，28天強(qiáng)度可達(dá)18.16 MPa。

表6 堿渣-粘土-FM復(fù)合料對(duì)制備便道磚強(qiáng)度的影響Tab.6 Effects of composite material of soda residue, clay and FM on strength of the prepared pavement brick

2.4 結(jié)合劑含量對(duì)堿渣制備便道磚強(qiáng)度的影響

為了進(jìn)一步提高以堿渣為主要原料制備的便道磚的強(qiáng)度，在上節(jié)研究的基礎(chǔ)上，考慮加入其他結(jié)合劑來(lái)提高堿渣制備便道磚的強(qiáng)度。

堿渣經(jīng)干燥，與粘土細(xì)粉及結(jié)合劑FM按一定的比例配料混合，于700 ℃預(yù)處理，制成堿渣-粘土-FM復(fù)合料，按堿渣-粘土-FM復(fù)合料占80%、石粉15%、石渣5%，水泥10%(水泥加入量以其余物料總量外加計(jì))進(jìn)行配合，經(jīng)混合、成型和養(yǎng)護(hù)后測(cè)定試塊強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可見(jiàn)，隨著結(jié)合劑FM加入量的增加，制得的便道磚試樣7天和28天強(qiáng)度越來(lái)越高，當(dāng)結(jié)合劑FM加入量在堿渣-粘土-FM復(fù)合料中占5%時(shí)，試樣7天強(qiáng)度達(dá)14.84 MPa，28天強(qiáng)度可達(dá)24.36 MPa，具有較高的強(qiáng)度，考慮到結(jié)合劑用量及成本等問(wèn)題，選取結(jié)合劑FM為5%。

可見(jiàn)，用堿渣為主要原料，制備便道磚較為合理的工藝方案為，堿渣-粘土-FM復(fù)合料配方為：堿渣90%、粘土5%和結(jié)合劑FM5%，此復(fù)合料經(jīng)700 ℃預(yù)處理后按質(zhì)量比占80%、石粉15%、石渣5%，水泥10%(水泥加入量以其余物料總量外加計(jì))進(jìn)行配合，經(jīng)混合、壓制成型和養(yǎng)護(hù)后制得的便道磚具有較高的強(qiáng)度，7天強(qiáng)度14.84 MPa，28天強(qiáng)度可達(dá)24.36 MPa。

隨著結(jié)合劑FM加入量的提高，便道磚試塊7天和28天強(qiáng)度都逐漸提高，其原因可能是由于隨著結(jié)合劑FM加入量的提高，包裹在堿渣顆粒的表面，可以使堿渣顆粒之間直接接觸面減少，因?yàn)閴A渣本身不具有強(qiáng)度(前面的研究已經(jīng)得到證實(shí))，故結(jié)合劑FM的加入會(huì)使試塊強(qiáng)度提高。此外，結(jié)合劑FM加入量提高可以更多地包裹在堿渣顆粒的表面，從顆粒的結(jié)合結(jié)構(gòu)上，可實(shí)現(xiàn)在一定溫度下結(jié)合劑同高強(qiáng)度的其它物料結(jié)合，從而提高了堿渣為主要原料的便道磚試塊的強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

堿渣直接用于制備便道磚方案不可行，需對(duì)堿渣進(jìn)行預(yù)處理，較為合理的方案為堿渣、粘土和結(jié)合劑FM混合經(jīng)700 ℃預(yù)處理，制成堿渣-粘土-FM復(fù)合料(配方為：堿渣90%、粘土5%和結(jié)合劑FM5%)，此復(fù)合料再與石粉、石渣、水泥等配合，經(jīng)混合、壓制成型和養(yǎng)護(hù)，得到強(qiáng)度較高的便道磚。配方為：按質(zhì)量比經(jīng)700 ℃預(yù)處理的堿渣-粘土-FM復(fù)合料占80%、石粉15%、石渣5%，水泥10%(水泥加入量以其余物料總量外加計(jì))，所得便道磚7天強(qiáng)度為14.84 MPa，28天強(qiáng)度達(dá)24.36 MPa。

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Preparation of Pavement Brick from Soda Residue

LIU Dacheng, LIU Yanjuan, WANG Zhongjun, GE Weiqing, LI Yue, WANG Yafei
(Department of Environmental ＆ Chemical Engineering, Tangshan College, Tangshan 063000, Hebei, China)

Pavement bricks were prepared using soda residue from soda ash production by ammonia-soda process. The results showed that the idea of preparing pavement bricks with untreated soda residue directly was impracticable. A composite material could be prepared after pre-heating soda residue, clay and FM binder at 700 °C. pavement brick The 7 d and 28 d strength of the prepared could reach 14.84 MPa and 24.36 MPa respectively when it was made from the mixture of 80% composite material, 15% rock powder, 5% stone ballast, and 10% cement.

industrial solid waste; soda residue; pavement brick

TQ174.76

A

1000-2278(2014)06-0629-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.06.013

2014-06-28。

2014-07-21。

唐山市科技局項(xiàng)目(編號(hào)：13130222A)。

劉大成(1962-)，男，碩士，教授。

Received date: 2014-06-28. Revised date: 2014-07-21.

Correspondent author:LIU Dacheng(1962-), male, Master, Professor.

E-mail:hbtsldc@163.com