赤泥粉煤灰制備免燒磚的配方研究①

□ 楊 芳，韓 濤，靳秀芝，王慧奇，楊學(xué)騰 (中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030051)

引言

赤泥是生產(chǎn)氧化鋁過程中排出的固體廢棄物，每生產(chǎn)1 t氧化鋁排放0.5～2.5 t的赤泥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國赤泥的年排放量已超過 3 000 萬 t［1－2］。由于得不到有效利用，大量赤泥只能露天堆存，占用農(nóng)田和土地，并對(duì)環(huán)境造成危害［3］。眾多學(xué)者對(duì)赤泥的合理利用進(jìn)行了研究，研究范圍涵蓋了利用赤泥生產(chǎn)水泥、提取有價(jià)金屬、制作塑料填料、生產(chǎn)陶瓷等［4－6］。但這些利用方式存在著赤泥吃渣量低、經(jīng)濟(jì)效益差等問題。而利用赤泥制備免燒磚可以提高赤泥利用率，符合我國節(jié)能減排的發(fā)展要求［7］。本試驗(yàn)以赤泥和粉煤灰為主要原料制備免燒磚，采用多種配比進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，以期找出最佳配比，為赤泥的綜合利用提供一條有效途徑。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及預(yù)處理

(1)赤泥:山西某氧化鋁公司拜耳法工藝排出的赤泥，密度為2.52 kg/m3，其化學(xué)成分和礦物組成分別見表1和圖1。將赤泥在烘箱內(nèi)烘干后，置于Φ500 mm×500 mm試驗(yàn)?zāi)?nèi)粉磨1 h。

(2)粉煤灰:來自大唐太原第二熱電廠，其化學(xué)成分見表2。

表1 赤泥化學(xué)組成 %

圖1 赤泥的XRD圖譜

表2 粉煤灰的化學(xué)組成 %

(3)骨料:采用建筑用中砂，水洗后過5 mm篩。

(4)石灰:生石灰，用試驗(yàn)?zāi)シ勰?0 min。

(5)石膏:天然石膏，用試驗(yàn)?zāi)シ勰?5 min。

(6)水泥:山西智海集團(tuán)生產(chǎn)的P·O 42.5水泥。

1.2 試驗(yàn)步驟

制備免燒磚的工藝流程如圖2所示，具體過程如下:

(1)將各原料破碎、粉磨、干燥后備用。

(2)按不同的配比分別稱取各原料，并進(jìn)行預(yù)先混合，各批次物料的總料量均為1 kg。

(3)將混合好的各物料與水一起放入JJ－5型水泥膠砂攪拌機(jī)中攪拌4 min，用水量為物料量的16%。

圖2 免燒磚制備工藝流程

(4)將混合好的物料放入包有泡沫塑料的保溫容器中消化2.5 h。

(5)消化完成后將物料取出，裝入模具中，在TZA－300型電液式抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)下壓制成型。成型時(shí)，每批次制6個(gè)試塊，每塊的質(zhì)量均為50 g，成型壓力22.3 MPa，保壓時(shí)間30 s。

(6)將壓制好的試樣用保鮮膜包好，在養(yǎng)護(hù)室(平均溫度20℃)進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期(本研究中的齡期為28 d)。

(7)測試試塊的抗壓強(qiáng)度。

1.3 免燒磚配方的確定

為了確定各原料的合理配比，對(duì)各原料進(jìn)行了不同摻量的試驗(yàn)，試驗(yàn)配方見表3至表7。

表3 砂摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度影響的試驗(yàn)配比 %

表4 赤泥摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度影響的試驗(yàn)配比 %

表5 石灰摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度影響的試驗(yàn)配比 %

表6 石膏摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度影響的試驗(yàn)配比 %

表7 水泥摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度影響的試驗(yàn)配比 %

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 骨料摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

砂在免燒磚中作為骨料并不直接參與反應(yīng)，但級(jí)配合理的骨料可以增加免燒磚的密實(shí)度，提高免燒磚的抗壓強(qiáng)度。從圖3可以看出，砂含量在17%～21%范圍內(nèi)時(shí)，免燒磚的抗壓強(qiáng)度隨砂摻量的增加而提高，當(dāng)砂含量＞21%時(shí)，免燒磚的強(qiáng)度開始下降，所以砂摻量為19% ～21%較適宜。

圖3 砂摻入量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

2.2 赤泥摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

赤泥和粉煤灰的粒徑偏小，可以填補(bǔ)免燒磚中的一些細(xì)小空隙，一定程度上可提高免燒磚強(qiáng)度。且赤泥中存在的一些堿性物質(zhì)對(duì)粉煤灰有激發(fā)作用，使粉煤灰活性提高，水化程度增大，可進(jìn)一步提高免燒磚的抗壓強(qiáng)度。

由圖4可知，赤泥摻量≤35%時(shí)，隨著赤泥摻量的增加和粉煤灰摻量的減少，免燒磚的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，赤泥摻量35%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。之后，隨著赤泥摻量的繼續(xù)增加，免燒磚的抗壓強(qiáng)度開始下降。可見，當(dāng)赤泥摻量為33% ～37%，粉煤灰摻量為21% ～25%時(shí)，免燒磚的抗壓強(qiáng)度較高。

圖4 赤泥摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

2.3 石灰摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

添加適量的石灰有助于彌補(bǔ)拜耳法赤泥鈣含量較低的缺陷，且生石灰熟化生成Ca(OH)2，可以與粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3發(fā)生火山灰反應(yīng)，進(jìn)而增加免燒磚強(qiáng)度。從圖5可以看出，當(dāng)石灰摻量在7% ～11%范圍時(shí)，隨著石灰摻量的增加，免燒磚的28 d強(qiáng)度變化并不明顯;但石灰摻量增加到11% ～13%時(shí)，免燒磚強(qiáng)度有較明顯的增長。考慮到石灰在配料中屬于價(jià)格較高的材料，在滿足免燒磚強(qiáng)度的情況下應(yīng)盡量少用，故選取石灰的摻量為7%～9%。

圖5 石灰摻入量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

2.4 石膏摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

石膏的摻入可以對(duì)免燒磚早期強(qiáng)度的提高起到一定的促進(jìn)作用，且石膏與石灰產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使石灰在消解過程中Ca(OH)2晶體的尺寸減小，分散度增大，從而增強(qiáng)了Ca(OH)2與其他物料的水化反應(yīng)［8］。從圖6可以看出，石膏摻量在1% ～3%范圍時(shí)，隨著石膏摻量的增加，免燒磚的強(qiáng)度增長較為明顯;摻量在3% ～5%范圍時(shí)，強(qiáng)度增長變得緩慢;摻量＞5%時(shí)，強(qiáng)度反而下降，因此確定石膏的最佳摻量范圍為3%～5%。

圖6 石膏摻入量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

2.5 水泥摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

水泥作為常見的膠凝材料，加水拌和后能發(fā)生水化反應(yīng)，進(jìn)而生成堅(jiān)固的膠結(jié)料，能為免燒磚提供一定強(qiáng)度并起到膠結(jié)劑的作用。由圖7可以看出，隨著水泥摻量的增加，試樣的強(qiáng)度呈線性增長;摻量為2%時(shí)的抗壓強(qiáng)度已達(dá)到JC/T 422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》的強(qiáng)度要求，考慮到制磚成本，水泥摻量確定為2%～4%。

圖7 水泥摻入量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

3.1 通過一系列試驗(yàn)，得出赤泥制備免燒磚的最佳配比，分別為:砂:19% ～21%;赤泥:33% ～37%;粉煤灰:21% ～25%;石灰:7% ～9%;石膏:3% ～5%;水泥:2%～4%。按照此配比壓制的赤泥免燒磚經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)后，其抗壓強(qiáng)度可滿足 JC/T 422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》的要求。

3.2 采用制備赤泥粉煤灰磚的方法利用赤泥，赤泥利用率較高，在一定程度上減少了赤泥的堆存量和危害，可取得環(huán)境保護(hù)和變廢為寶的雙重效果。

［1］林亮.赤泥建設(shè)材料衍生產(chǎn)品的安全性分析［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10(1):165 －169.

［2］王愛平，汪勝東，靳冉公.赤泥提鈧技術(shù)研究進(jìn)展［J］.中國資源綜合利用，2014，32(9):40 －42.

［3］王立堂.赤泥利用的有效途徑［J］.世界有色金屬，1998(8):46－48.

［4］Jiakuan Yang，Bo Xiao.Development of unsintered construction materials from red mud wastes produced in the sintering alumina process［J］.Construction ＆ Building Materials，2008，22(12):2299 －2307.

［5］賀深陽，蔣述興，汪文凌.我國赤泥建材資源化研究進(jìn)展［J］.輕金屬，2007(12):1 －5.

［6］Xiaoming Liu，Na Zhang，Henghu Sun，et al.Structural investigation relating to the cementitious activity of bauxite residue － Red mud［J］.Cement and Concrete Research，2011，41:847 －853.

［7］王梅，楊家寬，齊建召.用工業(yè)廢渣生產(chǎn)免燒免蒸磚［J］.新型建筑材料，2004(12):18－21.

［8］楊敏，錢覺時(shí).石膏在粉煤灰－石灰－硫酸鹽系統(tǒng)中的作用［J］.粉煤灰綜合利用，2007(5):47－49.