鐵礬渣免燒磚的制備及其泛堿抑制

陳貴斌

(銅陵有色金屬集團(tuán) 銅冠建安股份有限公司，安徽 銅陵 244101)

鐵礬渣是熱酸浸出濕法煉鋅過程的副產(chǎn)物[1]，約占整體渣量的40%[2]。我國鐵礬渣的年產(chǎn)量約100多萬t，現(xiàn)堆存量已達(dá)3 000萬t[3]。鐵礬渣沉淀通常為黑色塊狀晶體，密度較大，容易沉淀、過濾[4]，具有成分復(fù)雜、含硫高等特點(diǎn)，且部分鐵礬渣中甚至含有鉛、鋅、砷、銅、鎳等重金屬，其長期堆存可導(dǎo)致渣中有害物質(zhì)滲入土壤和水體，對周圍環(huán)境帶來嚴(yán)重破壞[5，6]，難以作為大宗建材的主要原料，尚無有效資源化利用手段。

目前，綜合利用鐵礬渣的主要方式為無害化處置和有價組分回收，部分產(chǎn)廢企業(yè)對鐵礬渣化學(xué)藥劑穩(wěn)定化后填埋，但因化學(xué)藥劑穩(wěn)定化處理成本較高，目前尚未得到大規(guī)模推廣應(yīng)用[7]。劉三平等[8]采用回轉(zhuǎn)窯焙燒—收塵—浸出—沉淀轉(zhuǎn)換的工藝處理鐵礬渣，有效回收了鐵礬渣中的In、Ge、Ga等有價金屬。陳永明等[9]利用高堿和稀酸溶液浸出鐵礬渣，得到Fe含量可達(dá)38.81%的浸出渣。鐵礬渣具有粒度較粗、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和高硬度等特點(diǎn)[10]，從物理性質(zhì)來看，具備制備免燒磚的潛在可能性?；诖?，本文采用安徽某濕法煉鋅冶煉廠所產(chǎn)鐵礬渣為原料，將其用于制備免燒磚，并系統(tǒng)研究引起泛堿現(xiàn)象的影響因素，優(yōu)化免燒磚的制備條件，抑制泛堿現(xiàn)象的產(chǎn)生，為鐵礬渣用于制備免燒磚這一綜合利用途徑提供參考。

1 原料性質(zhì)

主要原料鐵礬渣樣品取自安徽某濕法煉鋅冶煉廠，是鋅浸出渣采用熱酸浸出--鐵礬除鐵工藝中產(chǎn)生的灰黑色晶體塊狀物，其它原料均來源于該冶煉廠周邊地區(qū)。其中，粉煤灰來自冶煉廠周邊電廠，顏色為灰白色，密度為2.21 g/cm3；試驗礦粉為冶煉廠周邊某鋼鐵廠所產(chǎn)礦渣經(jīng)烘干磨細(xì)處理制備得到的S95級礦粉；水泥原料為冶煉廠周邊某水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；石灰石粉為周邊某石場的廢棄石屑，白色粉狀固體。

原材料的主要化學(xué)成分見表1。由表1可知，鐵礬渣的主要化學(xué)成分為SO3和Fe2O3，Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.98%。鐵礬渣中的SO3在免燒磚體系后期水化時可能會形成硫酸鹽[11]，從而對整個免燒磚體系的耐久性造成不利影響，而Na2O是引起鐵礬渣應(yīng)用于免燒磚體系中出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象的主要因素[12]。

表1 原料的主要化學(xué)成分

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 免燒磚配方優(yōu)化正交試驗

采用壓制成型的方式制備免燒磚，成型壓力為14 MPa，水灰比為0.14。以免燒磚成型養(yǎng)護(hù)后7 d和28 d抗壓強(qiáng)度為參考指標(biāo)，研究原料摻量對免燒磚7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的影響，從而確定鐵礬渣等原料制備免燒磚的最優(yōu)配方。設(shè)計如表2所示的五因素四水平L16(4)5正交試驗表。試驗結(jié)果見表3。

表2 正交試驗因素與水平表

由表3可知，在16組試驗中，采用試驗8配方制備的免燒磚的7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度最高。經(jīng)歸一化處理后的優(yōu)化配方為：鐵礬渣26.42%、水泥18.87%、礦粉29.25%、粉煤灰15.09%、石灰石粉10.38%。7 d抗壓強(qiáng)度極差分析和28 d抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果分別見表4和表5。

表3 正交試驗結(jié)果

表4 7 d抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果

表5 28 d抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果

由表4可知，影響免燒磚7 d抗壓強(qiáng)度的因素順序為：B>C>A>D>E，最優(yōu)水平條件為A2B4C3D2E3，最關(guān)鍵影響因素為水泥摻量。原因可能是在該配方體系中，只有水泥具有初期膠凝特性，可在前期的水化反應(yīng)中為磚坯提供早期強(qiáng)度，水泥用量越大，免燒磚7 d抗壓強(qiáng)度越高，對7 d抗壓強(qiáng)度來說，歸一化處理后的優(yōu)化配方為：鐵礬渣24.14%、水泥17.24%、礦粉26.72%、粉煤灰13.79%、石灰石粉18.10%。

由表5可知，影響該免燒磚28 d抗壓強(qiáng)度的因素排名順序為：A>C>E>D>B，最優(yōu)水平條件為A2B2C3D3E3，即鐵礬渣24.78%、水泥12.39%、礦粉27.43%、粉煤灰16.81%、石灰石粉18.58%，影響28 d強(qiáng)度的最關(guān)鍵因素變?yōu)殍F礬渣用量，其次為礦粉，分析原因主要是在水化反應(yīng)后期，鐵礬渣作為免燒磚體系中的骨料對整個體系起到支撐作用，而礦粉中的膠凝組分通過水泥二次水化作用貢獻(xiàn)了后期強(qiáng)度。

由表4和表5可知，最優(yōu)水平條件為A2B4C3D3E3，歸一化處理后的配方為：鐵礬渣23.53%、水泥16.81%、礦粉26.05%、粉煤灰15.97%、石灰石粉17.65%，后續(xù)試驗均使用該配方。

對16組正交試驗的免燒磚28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表6。由表6可知，各因素的F值均小于臨界值，各因素均無顯著性。

表6 28 d抗壓強(qiáng)度方差分析結(jié)果

2.2 泛堿現(xiàn)象抑制試驗

由于免燒磚制備原料中有可溶性鹽，且受免燒磚制備工藝參數(shù)條件如成型壓力、水灰比等參數(shù)條件的影響，免燒磚中會產(chǎn)生孔隙結(jié)構(gòu)，影響免燒磚的密實度以及磚體含水率，磚體中的水會沿毛細(xì)孔向外擴(kuò)散，鈉、鉀、鈣等物質(zhì)被溶出，經(jīng)蒸發(fā)后在試件表面形成泛堿[13]。泛堿現(xiàn)象的出現(xiàn)會導(dǎo)致隨著時間延長，磚體表面強(qiáng)度大于內(nèi)部強(qiáng)度，一些多余的水分難以析出，磚體內(nèi)可溶鹽淤積內(nèi)部，體積發(fā)生微膨脹，從而破壞強(qiáng)度[14]。為避免或減少免燒磚出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象，系統(tǒng)研究在優(yōu)化原料配方下，免燒磚制備工藝條件等對泛堿的影響。

2.2.1 成型壓力對泛堿現(xiàn)象的影響

采用試驗優(yōu)化配方：鐵礬渣23.53%、水泥16.81%、礦粉26.05%、粉煤灰15.97%、石灰石粉17.65%進(jìn)行成型壓力條件試驗，水灰比為0.14，不添加外加劑，試驗結(jié)果見表7。由表7可知，免燒磚的7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度均隨成型壓力的增加而升高，泛堿程度隨成型壓力的增加有所緩解，但在成型壓力達(dá)到20 MPa及以上時，免燒磚的抗壓強(qiáng)度增長緩慢，對泛堿現(xiàn)象也無明顯的改善作用，因此選擇制備免燒磚的最優(yōu)成型壓力為20 MPa。

表7 成型壓力試驗結(jié)果

2.2.2 水灰比對泛堿現(xiàn)象的影響

水灰比是影響免燒磚性能的重要因素，在磚坯成型過程中，水分過少，無法保證免燒磚體系中水泥水化所需的水分，會導(dǎo)致水泥無法充分發(fā)揮膠凝作用，免燒磚的整體抗壓強(qiáng)度較低，但成型水分過大，參與水泥水化反應(yīng)剩余的水分會形成游離水，滲透在磚坯表面，形成孔隙，導(dǎo)致磚坯的密實度降低，從而影響后期強(qiáng)度[15]。

選擇原料優(yōu)化配方進(jìn)行配料，在成型壓力20 MPa下進(jìn)行水灰比條件試驗，試驗過程不添加外加劑，試驗結(jié)果見表8。由表8可知，隨著水灰比的增加，免燒磚的7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度均先增加后減小，并在水灰比為0.14時達(dá)到最大值，而泛堿程度在水灰比為0.16時效果最好。綜合考慮免燒磚的抗壓強(qiáng)度和泛堿程度，選擇水灰比為0.16。

表8 水灰比試驗結(jié)果

2.2.3 外加劑對泛堿現(xiàn)象的影響

目前市面上針對免燒磚體系抑制泛堿現(xiàn)象的外加劑主要有抑堿劑、憎水劑、防水劑三類，其中抑堿劑的作用原理是他可以與表面的堿性物質(zhì)進(jìn)行中和反應(yīng)，從而抑制免燒磚體系表面堿性物質(zhì)的泛出，憎水劑和防水劑的作用主要是使免燒磚體系中的游離水遷移滲透到免燒磚表面，從而降低體系中堿的表層泛出。本研究主要考察三類外加劑對該鐵礬渣免燒磚體系的泛堿抑制作用。采用的原料配方依然是最優(yōu)配方，成型壓力為20 MPa，水灰比為0.16，外加劑用量為0.5%，試驗結(jié)果見表9。由表9可知，憎水劑和防水劑均可有效提高免燒磚的抗壓強(qiáng)度，但對免燒磚的泛堿現(xiàn)象無明顯抑制作用，抑堿劑可在不影響免燒磚7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗壓強(qiáng)度的基礎(chǔ)上有效抑制鐵礬渣免燒磚體系的泛堿現(xiàn)象。

表9 外加劑種類影響試驗結(jié)果

3 結(jié)論

1)以鐵礬渣為主要原料可以成功制備出強(qiáng)度優(yōu)良且不泛堿的免燒磚，最優(yōu)原料配方為：鐵礬渣摻量26.42%、水泥摻量18.87%、礦粉摻量29.25%、粉煤灰摻量15.09%、石灰石粉摻量10.38%。

2)在最優(yōu)原料配方條件下，免燒磚制備工藝條件如成型壓力、水灰比和外加劑種類均可對鐵礬渣免燒磚的泛堿現(xiàn)象產(chǎn)生不同程度的抑制效果，泛堿現(xiàn)象抑制效果最好的制備條件為：采用抑堿劑作為外加劑，成型壓力為20 MPa、水灰比為0.16，該條件下所得免燒磚的28 d抗壓強(qiáng)度值為23.56 MPa，達(dá)到JC 422—2007非燒結(jié)垃圾尾礦磚的標(biāo)準(zhǔn)要求。