赤泥及粉煤灰制備免燒磚的工藝探究

季文君，劉 云，李 哲

(1. 中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2. 武警部隊(duì)裝備部 裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100161)

0 引 言

氧化鋁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢料赤泥的堆存已經(jīng)造成了嚴(yán)重的環(huán)境負(fù)擔(dān)，如污染空氣、 土壤，占用資源以及長期堆存赤泥中的堿會(huì)下滲污染水資源等[1]，因此對(duì)赤泥的利用迫在眉睫. 國內(nèi)對(duì)赤泥的利用主要有提取有價(jià)金屬如鐵、 鈦、 鈧等，制造水泥、 陶瓷，用做塑料填充性材料，用做吸附劑，制備農(nóng)作物肥料等幾個(gè)方面[2]. 利用赤泥制備免燒磚的探究也取得了一定的成果. 山東鋁廠研究院的焦占忠等[3]在1993年，就利用鋁廠存放的燒結(jié)法赤泥和電廠粉煤灰，添加了骨料、 石灰、 石膏、 水玻璃制備了免燒免蒸磚，并且達(dá)到了非燒結(jié)普通粘土磚標(biāo)準(zhǔn). Anuj Kumar[4]等利用赤泥和粉煤灰協(xié)同在堿性環(huán)境中制備地質(zhì)聚合物，制備了鋪路磚，并得到將赤泥添加到粉煤灰地質(zhì)聚合物中，增強(qiáng)了地質(zhì)聚合的強(qiáng)度，在赤泥摻量為10%～20%時(shí)，制備的鋪路磚符合標(biāo)準(zhǔn). 還有其他對(duì)赤泥的多項(xiàng)利用和研究[10-17]，如：添加赤泥進(jìn)行土壤灌漿試驗(yàn)，制備高孔隙磚、 保溫磚，利用赤泥添加粉煤灰制備吸附劑來吸附二氧化硫，以及制備粘結(jié)劑的探究等. 國內(nèi)雖然取得了一定的成果，但是仍然沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化和工業(yè)化，表明在利用赤泥時(shí)還存在共性問題，不同地區(qū)因制備氧化鋁的工藝不同其赤泥的化學(xué)成分不同、 以及含堿性高、 含放射性元素等因素都制約其利用. 本文對(duì)山西某鋁廠堆存的赤泥進(jìn)行了化學(xué)成分的檢測，并利用赤泥及廢料粉煤灰進(jìn)行了赤泥-粉煤灰免燒磚成型工藝及性能的探究.

1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

赤泥：選取某鋁廠現(xiàn)堆存的赤泥，成分為低鐵高硅鈣，其礦物相β-2CaO2·SiO2(β-硅酸二鈣)含量較多； 含水率為13%，其化學(xué)成分如表 1 所示，物相分析成分如圖 1 所示，進(jìn)行自然晾曬后含水量為0.05%，使用球磨機(jī)將大塊赤泥破碎，篩分后粒徑小于0.5 mm.

表 1 赤泥的化學(xué)組成

粉煤灰：本實(shí)驗(yàn)選用現(xiàn)存粉煤灰，晾曬后用球磨機(jī)破碎，粒度小于0.08 mm，礦物組成如圖 2 所示.

石膏：粒度小于 0.08 mm.

石灰：粒度小于 0.08 mm.

骨料：水洗砂，過 0.5 mm 的篩，粒度小于 0.5 mm.

水泥：P·O42.5 普通硅酸鹽水泥.

水：自來水.

儀器：DZF 型真空干燥箱、 TZA-300 型電液壓式抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)、 自制成型模具、 NJ-160A 型攪拌機(jī)、 篩子、 天平、 球磨機(jī)、 快速養(yǎng)護(hù)箱、 X 射線衍射儀(XRD，Smartlab(3)，Rigaku，Japan)、 掃描電子顯微鏡(SEM，JMS-6700F).

圖 1 赤泥X衍射圖Fig.1 XRD diagram of the red mud

圖 2 粉煤灰X衍射圖Fig.2 XRD diagram of the fly ash

2 實(shí)驗(yàn)過程

本文最初實(shí)驗(yàn)采用試樣法[5]，所有原料總量為500 g，粉煤灰和石膏用干燥箱烘干，然后將各原料按配比：赤泥30%，粉煤灰25%，石膏4%，骨料31%，石灰9%，水泥1%進(jìn)行稱量[6]. 先將各原料干混2 min，后倒入攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌，勻速加入水，加入水量為17%，至原料攪拌均勻，取出倒入保鮮袋中陳化，稱量45 g放入模具，在壓力機(jī)上成型，所得試樣進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，28 d后在抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試.

本文各性能測試實(shí)驗(yàn)均按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)砌墻試驗(yàn)方法GB/T2542-2012[7].

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 陳化時(shí)間對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響

探究陳化時(shí)間對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響，陳化時(shí)間選取3 h, 5 h, 7 h, 9 h，自然養(yǎng)護(hù)28 d，取平均值，測試結(jié)果如表 2 所示，陳化時(shí)間對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖 3 所示.

表 2 不同陳化時(shí)間的抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

圖 3 陳化時(shí)間對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 The influence of aging time on compressive strength of bricks

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，免燒磚的抗壓強(qiáng)度隨配料陳化時(shí)間的增加而提高，在陳化時(shí)間于7 h后，免燒磚的抗壓強(qiáng)度不再增加，有下降的趨勢. 當(dāng)物料攪拌均勻后，物料之間的充分反應(yīng)需要一定的時(shí)間，即為陳化時(shí)間. 物料中的活性物質(zhì)在有水的環(huán)境下，發(fā)生水化反應(yīng)，如果沒有陳化時(shí)間或是陳化時(shí)間過短，物料間水化反應(yīng)就來不及進(jìn)行或不能充分進(jìn)行，導(dǎo)致磚體早期強(qiáng)度不能形成或是過低，從而影響磚體后期強(qiáng)度的形成. 因?yàn)椴捎迷嚇臃ǎ锪峡偭繛?00 g，陳化時(shí)間7 h可使物料間反應(yīng)充分進(jìn)行，所以在制備標(biāo)準(zhǔn)磚時(shí)可選擇7 h 的陳化時(shí)間.

3.2 成型壓力對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響

選取成型壓力區(qū)間20～26 kN即15～20 MPa制備試樣，測試結(jié)果如表 3 所示, 成型壓力對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖 4 所示.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，免燒磚試樣抗壓強(qiáng)度隨成型壓力的增加整體呈增加趨勢，但過高的成型壓力也會(huì)使得磚體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有所損壞，反而會(huì)影響磚的強(qiáng)度，同時(shí)成型壓力過高也會(huì)增加成型時(shí)間，增加能耗[8]. 在滿足免燒磚實(shí)際生產(chǎn)需要的前提下，為節(jié)能減耗可選擇20 MPa的成型壓力.

表 3 不同成型壓力的抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

3.3 保壓時(shí)間對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響

選取保壓時(shí)間為10 s, 20 s, 30 s，測試結(jié)果如表 4 所示, 保壓時(shí)間對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖 5 所示.

表 4 不同保壓時(shí)間的抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

圖 5 保壓時(shí)間對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 The influence of holding time on compressive strength of bricks

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，隨著保壓時(shí)間的延長，免燒磚試樣的抗壓強(qiáng)度是增加的，但增加幅度不大. 在免燒磚成型時(shí)必須有一個(gè)保壓時(shí)間，即成型時(shí)的載荷靜止時(shí)間，在加壓到一定成型壓力時(shí)，要在該載荷下保持一定的靜止時(shí)間后完成成型過程.

3.4 赤泥-粉煤灰成品制備及性能測試

通過對(duì)以上工藝的探究，在最佳成型工藝下制備了赤泥-粉煤灰免燒磚成品，如圖 6 所示，并進(jìn)行各項(xiàng)性能測試，結(jié)果如表 5 所示.

圖 6 成品圖Fig.6 The pictures of bricks

性能指標(biāo)測試結(jié)果抗壓強(qiáng)度/MPa26.76抗折強(qiáng)度/MPa2.61體積密度/(kg·m-3)1.65吸水率(W24/W5)/%22.31/22.93飽和系數(shù)K0.976凍融質(zhì)量損失率1.5/1.9泛霜性檢測幾乎無泛霜現(xiàn)象放射性檢測內(nèi)照射指數(shù)0.23/外照射指數(shù)0.48(湖南省核工業(yè)檢測中心)

測試結(jié)果顯示，赤泥-粉煤灰免燒磚的各項(xiàng)性能都達(dá)到粉煤灰磚合格品的標(biāo)準(zhǔn)[9]，滿足免燒磚的實(shí)際生產(chǎn)需求.

3.5 赤泥-粉煤灰免燒磚的XRD及SEM分析

3.5.1 免燒磚XRD分析

圖 7 為免燒磚試樣X衍射圖，圖中：1—SiO2(石英)； 2—CaCO3(方解石或霞石)； 3—3CaO·Al2O3(鋁酸三鈣)； 4—Al2O3·3H2O(水化氧化鋁)； 5—AFt(水化硫鋁酸鈣)； 6—C-S-H(水化硅酸鈣).

從免燒磚的X衍射圖可以看出，免燒磚試樣中主要晶體物質(zhì)為石英、 方解石或霞石、 水化硅酸鈣和鋁酸三鈣等凝膠產(chǎn)物，還存在水化氧化鋁和水化硫鋁酸鈣等礦物質(zhì)，這些凝膠產(chǎn)物是宏觀強(qiáng)度的主要支撐性物質(zhì).

圖 7 免燒磚試樣X衍射圖Fig.7 X-ray diffraction (XRD) diagram of the samples

3.5.2 SEM分析

從圖 8 可以看出，赤泥-粉煤灰免燒磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較緊密，呈現(xiàn)絮狀凝膠結(jié)構(gòu)，晶界也沒有明顯裂紋. 微觀結(jié)構(gòu)表明免燒磚具有一定的宏觀強(qiáng)度.

圖 8 免燒磚SEM圖Fig.8 SEM diagram of baking-free bricks

4 結(jié) 論

1) 本實(shí)驗(yàn)中免燒磚的最佳成型工藝為：成型壓力20 MPa，陳化時(shí)間7 h，保壓時(shí)間30 s；

2) 在自然養(yǎng)護(hù)條件下，免燒磚的抗壓強(qiáng)度可達(dá) 26.76 MPa，各性能均滿足實(shí)際生產(chǎn)要求；

3) 實(shí)驗(yàn)得到免燒磚試樣中主要晶體物質(zhì)為石英、 方解石或霞石、 水化硅酸鈣和鋁酸三鈣等凝膠產(chǎn)物，水化氧化鋁和水化硫鋁酸鈣等礦物質(zhì)，是客觀強(qiáng)度的主要支撐物質(zhì)；

4) 利用廢料赤泥及粉煤灰制備免燒磚，既實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，又減輕了環(huán)境負(fù)擔(dān).