赤泥-粉煤灰燒結(jié)磚抗壓強度影響因素分析研究

于巧娣，李燦華，徐文珍，查雨虹

（安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000）

我國是鋁制造大國，氧化鋁和電解鋁產(chǎn)量均占世界50%以上，每年產(chǎn)生大宗危廢赤泥約1 億t，而赤泥綜合利用率僅為4%[1]，大部分赤泥處于堆存狀態(tài)。赤泥含大量的氧化鈣等金屬氧化物，堆存既占用了大量土地，且隨污染物的遷移，易造成地下水污染和土壤鹽堿化，特別是赤泥庫潰壩對周邊土壤、水體、大氣和人體健康存在巨大的環(huán)境危害[2]。由于赤泥有與黏土、頁巖相似的化學(xué)成分和礦物組成，是制作燒結(jié)磚的好材料。

本文采用赤泥和粉煤灰制備燒結(jié)磚，不需單獨使用黏土，制備工藝簡單，廢物利用率高，利用量大，燒結(jié)磚性能好[3]。

1 實 驗

1.1 原材料

本實驗主要采用廣西華銀的拜耳法赤泥和馬鋼某廠的粉煤灰，其主要化學(xué)成分見表1。赤泥中SiO2的含量低不能單獨制磚，加入粉煤灰提高其SiO2的含量。粉煤灰在赤泥的激發(fā)作用下，可以提高燒結(jié)磚的強度[4]。赤泥由于其粒度細(xì)、質(zhì)軟，有一定的塑性，其物理性質(zhì)與黏土相似，可替代黏土用于燒結(jié)磚生產(chǎn)[5]。

表1 赤泥、粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

1.2 樣品的制備

本實驗采用的試樣為柱形，直徑20 mm，高20 mm，由千斤頂液壓機壓制成型。將赤泥在烘干箱中干燥24 h，粉磨1 h，過0.125 mm 篩，與干燥24 h 后的粉煤灰混合，加入15%的水，進(jìn)行充分混合，裝入塑封袋密封陳化1～2 d。將陳化后的粉料在液壓機上壓制成型，干燥24 h 后在電阻爐內(nèi)焙燒。

1.3 性能測試

用浸泡法測試燒結(jié)磚的吸水率[6]；用水泥壓力試驗機測試燒結(jié)磚的抗壓強度；用X 射線衍射儀分析燒結(jié)磚的物相。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒成溫度曲線

本實驗采用的燒成溫度是加熱到260 ℃保溫30 min，繼續(xù)加熱到600 ℃保溫30 min，繼續(xù)加熱到相應(yīng)的燒結(jié)溫度保溫，其燒成溫度曲線見圖1。在260～350 ℃時，赤泥中的結(jié)合水和有機物開始蒸發(fā)。在600～700 ℃，赤泥中的碳酸鹽開始分解，碳素和有機物開始氧化，鐵的硫化物和硫酸鹽被分解氧化，產(chǎn)生CO2、SO2和SO3等氣體[7]。因此，燒結(jié)過程中在260 ℃和600 ℃時需要有一段時間的保溫，以便氣體揮發(fā)，降低氣孔率，增加強度和密度。

圖1 燒成溫度曲線

2.2 赤泥摻量對抗壓強度的影響

按照不同配比稱量經(jīng)過預(yù)處理的赤泥和粉煤灰，加入赤泥和粉煤灰粉料總量10%的水，在18 MPa 的壓力下成型，按照圖1 的升溫曲線進(jìn)行加熱，最高溫度加熱到1050 ℃保溫2 h 后取出。測試不同赤泥摻量時的赤泥-粉煤灰燒結(jié)磚的抗壓強度，結(jié)果見圖2。

由圖2 可知，隨著赤泥摻量增加，赤泥-粉煤灰燒結(jié)磚的抗壓強度呈先增加后下降的趨勢。當(dāng)赤泥摻量為70%時，赤泥-粉煤灰燒結(jié)磚抗壓強度達(dá)到最高，為24 MPa；當(dāng)赤泥摻量為50%時，抗壓強度僅為18.3 MPa，且泛霜十分嚴(yán)重。

2.3 成型壓力對抗壓強度的影響

不同成型壓力下的燒結(jié)磚的抗壓強度見圖3，該試樣采用相同成型工藝，保持赤泥摻量為70%，加入粉料總量10%的水，加熱到1050 ℃保溫2 h，改變成型壓力。

由圖3 可知，隨著成型壓力的增加，燒結(jié)磚的抗壓強度不斷增加，當(dāng)成型壓力達(dá)到19 MPa 時，抗壓強度達(dá)到24 MPa，當(dāng)成型壓力繼續(xù)增加時，抗壓強度開始減小，是因為隨著成型壓力增加，磚的內(nèi)部致密度增加，壓強增大，隨著成型壓力繼續(xù)增大，可能會破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.4 燒結(jié)溫度對抗壓強度的影響

不同燒結(jié)溫度的燒結(jié)磚的抗壓強度見圖4，該試樣采用相同成型工藝，保持赤泥摻量為70%，加入粉料總量10%的水，在成型壓力19 MPa 下壓制成型，保溫相同時間，改變燒結(jié)溫度。

由圖4 可知，隨著燒結(jié)溫度的增加，燒結(jié)磚的抗壓強度不斷增大，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1050 ℃時，抗壓強度達(dá)到24 MPa；但當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，燒結(jié)磚的顏色略有變黑，且有少量的裂痕，因此為了防止出現(xiàn)磚過燒的現(xiàn)象，燒結(jié)磚燒結(jié)過程中，其燒結(jié)溫度不可過高。

2.5 保溫時間對抗壓強度的影響

不同保溫時間燒制的燒結(jié)磚的抗壓強度見圖5，該試樣采用單因素實驗，采取相同成型工藝，赤泥摻量為70%，加入粉料總量10%的水，在成型壓力19 MPa 下壓制成型，加熱到1050 ℃，改變保溫時間。

由圖5 可知，隨著保溫時間的不斷增加，其抗壓強度先下降再升高然后下降，且當(dāng)保溫時間過長時，坯體顏色發(fā)黑且產(chǎn)生裂紋，為節(jié)約能源，保溫時間2 h 為宜，其抗壓強度可達(dá)到24 MPa。

圖5 保溫時間對燒結(jié)磚抗壓強度的影響

3 物相及性能分析

由以上結(jié)果可以得出赤泥燒結(jié)磚采用赤泥摻量為70%，加入10%的水，采用19 MPa 的成型壓力壓制成型，燒結(jié)溫度1050 ℃保溫2 h，可以得到抗壓強度為24 MPa 的磚，檢測其吸水率和泛霜現(xiàn)象均滿足GB/T 5101—2017《普通燒結(jié)磚》，其XRD 和SEM 圖譜如圖6 和圖7 所示。

由圖6 可知，赤泥燒結(jié)磚的主要成分有：鋁硅酸鈣[Ca2Al2（SiO3）5]、赤鐵礦（Fe2O3）、透輝 石[CaMg（SiO3）2]、霞 石（NaAlSiO4）、太陽石[（Na，Ca）Al（Si，Al）3O8]、鈣鈦礦[（Fe，Mg）SiO3]、氧化鋁。磚中有玻璃相生成，且生成的玻璃相含量相當(dāng)，玻璃相能形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使磚被粘結(jié)得更致密，增大磚的強度[8]。

圖7 赤泥-粉煤灰燒結(jié)磚的SEM 照片

由圖7 可知，赤泥-粉煤灰燒結(jié)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)表明具有一定的宏觀強度[9]。

4 結(jié) 論

采用赤泥和粉煤灰制備的燒結(jié)磚符合GB/T 5101—2017的要求。

（1）改變成型壓力，對赤泥燒結(jié)磚的抗壓強度影響較小，當(dāng)成型壓力為19 MPa 時，其燒結(jié)磚抗壓強度最高，為24 MPa。

（2）采取不同赤泥摻量，其抗壓強度在不斷變化，當(dāng)赤泥摻量為70%時，其燒結(jié)磚的抗壓強度最高，為24 MPa。

（3）采取不同加熱溫度，其抗壓強度在不斷變化，當(dāng)加熱溫度為1050 ℃時，其燒結(jié)磚的抗壓強度最高，為24 MPa。

（4）采取不同保溫時間，其抗壓強度在不斷變化，保溫時間為2 h 時，其燒結(jié)磚的抗壓強度最高，為24 MPa。