赤泥基發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料的制備與性能研究

李南，陳晨，耿志濤，姜蔥蔥

（1.中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430014；2.山東恒信建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250100；3.濟(jì)南大學(xué)，山東 濟(jì)南 250022）

0 引 言

赤泥是鋁土礦提取氧化鋁之后產(chǎn)生的固體廢渣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界氧化鋁工業(yè)每年產(chǎn)生的赤泥超過(guò)7000 萬(wàn)t，而我國(guó)每年的赤泥排放量就高達(dá)3000 多萬(wàn)t[1]。目前，赤泥的主要處理方式主要是筑壩堆存，不僅侵占大量的土地，而且會(huì)嚴(yán)重污染周邊的環(huán)境[2-3]，因此，亟待加強(qiáng)對(duì)赤泥的大規(guī)模資源化綜合利用技術(shù)的研究，以高效消耗大量堆積的赤泥，解決土地侵占和環(huán)境污染等問(wèn)題。

目前的研究報(bào)道中，有效的赤泥利用途徑主要包括從赤泥中回收稀有金屬[4-6]、制備赤泥陶粒及防滲材料等[7-9]。同時(shí)利用赤泥為主要原料可生產(chǎn)免蒸燒磚、粉煤灰磚、裝飾磚及陶瓷釉面磚等[10-11]。但很多研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，其工業(yè)化生產(chǎn)及大規(guī)模利用仍有很長(zhǎng)的一段路要走。本文基于赤泥的組成特點(diǎn)，輔以粉煤灰、粘結(jié)劑等原料制備赤泥基發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料，固廢利用率高，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便，利于規(guī)?；a(chǎn)，為赤泥等固廢的大規(guī)模資源化利用提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

赤泥：山東某鋁廠副產(chǎn)品，紅色粉末狀；粉煤灰：山東某電廠副產(chǎn)品。赤泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分如表1 所示。

表1 赤泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

粘結(jié)劑：自制，其主要組成為膨潤(rùn)土、高嶺土和鉀長(zhǎng)石，經(jīng)復(fù)合配制而成。

水玻璃：天津市化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，白色塊狀物，模數(shù)為1，可溶解于常溫水。

氟硅酸鈉：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)，白色結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，可溶于常溫水。

發(fā)泡劑：高效混合發(fā)泡劑，自制。

1.2 試驗(yàn)方法

分別稱取一定量的赤泥、粉煤灰、粘結(jié)劑，將其粉磨至過(guò)100 目篩；用量筒量取一定量的發(fā)泡劑；將稱量好的原料倒入攪拌鍋中，加入特定量添加劑，攪拌均勻，再加入水玻璃和水，快速攪拌均勻，然后加入發(fā)泡劑，攪拌均勻，迅速倒入40 mm×40 mm×160 mm 的不銹鋼模具中，在自然條件下養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間脫模，獲得標(biāo)準(zhǔn)的試樣坯體；將制備的試樣坯體放入高溫?zé)Y(jié)爐中，調(diào)節(jié)升溫速率、保溫時(shí)間，到達(dá)設(shè)置的溫度后自然冷卻，即可獲得標(biāo)準(zhǔn)的試樣。對(duì)試樣的密度、強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)等性能進(jìn)行測(cè)試分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳原材料配比的確定

以赤泥、粉煤灰為主要原料，經(jīng)發(fā)泡、燒結(jié)等工藝制備赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料，試驗(yàn)配比如表2 所示。不同原材料配比對(duì)赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料密度、抗折及抗壓強(qiáng)度的影響如圖1 所示。

圖1 原材料配比對(duì)試樣強(qiáng)度和密度的影響

表2 赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料配合比

由圖1 可見(jiàn)：

（1）試樣的密度隨著赤泥用量的增加而增大。這是由于隨著赤泥用量的增加，粉煤灰用量出現(xiàn)不足，不能與赤泥發(fā)生反應(yīng)生成莫來(lái)石等產(chǎn)物，從而產(chǎn)物間的空隙較少，形成新的產(chǎn)物較少，為物理堆積，從而隨著赤泥用量的增加，密度增大。

（2）隨著赤泥用量的增加，粉煤灰用量的減少，抗折、抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵囼?yàn)中加入粉煤灰，增加了SiO2和Al2O3的含量，生成較多的莫來(lái)石，提高了材料的強(qiáng)度。同時(shí)，高溫下SiO2與鈣、鈉能夠形成鈣鋁榴石、鈉長(zhǎng)石等新的晶相，鈣鋁榴石硬度較高、結(jié)構(gòu)致密、柔韌性良好，鈉長(zhǎng)石可以提高強(qiáng)度，從而提高了材料的整體強(qiáng)度[12-14]。當(dāng)m（赤泥）∶m（粉煤灰）小于10∶8，隨著赤泥用量的增加，粉煤灰的量相對(duì)充足，可以與粉煤灰充分反應(yīng)，內(nèi)部生成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其承載作用增加，提高了試樣的抗折與抗壓強(qiáng)度，當(dāng)m（赤泥）∶m（粉煤灰）=10∶8 時(shí)，試樣強(qiáng)度達(dá)到最高；當(dāng)m（赤泥）∶m（粉煤灰）大于10∶8 時(shí)，隨著赤泥用量的繼續(xù)增加，粉煤灰的量不足，試樣內(nèi)部不能充分反應(yīng)，生成的鈣鋁榴石、莫來(lái)石、鈉長(zhǎng)石減少，在試樣內(nèi)部不易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其承載能力降低，相應(yīng)地會(huì)降低試樣的強(qiáng)度，并且隨著赤泥摻量進(jìn)一步增加，其強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步降低，綜合性能較差。綜合上述試驗(yàn)，考慮赤泥利用率、試樣各性能等因素，確定了最佳比例為m（赤泥）∶m（粉煤灰）=10∶8。

2.2 發(fā)泡劑用量對(duì)赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料性能的影響

在m（赤泥）∶m（粉煤灰）=10∶8 的基礎(chǔ)上，探究發(fā)泡劑用量對(duì)赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料性能的影響，試驗(yàn)方案如表3 所示。發(fā)泡劑用量對(duì)試樣密度、抗折及抗壓強(qiáng)度影響如圖2 所示。

圖2 發(fā)泡劑用量對(duì)試樣強(qiáng)度和密度的影響

表3 不同發(fā)泡劑用量的試驗(yàn)方案

由圖2 可見(jiàn)，隨著發(fā)泡劑用量的增加，赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料的密度及抗折、抗壓強(qiáng)度均降低。這是由于發(fā)泡劑用量增加，使料漿內(nèi)形成的封閉氣孔增加，密度降低。大量氣孔的存在使試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，致使所制備試樣強(qiáng)度降低。綜合考慮，發(fā)泡劑的適宜用量為6 mL，此時(shí)試樣密度相對(duì)較小，抗折、抗壓強(qiáng)度較高，符合試驗(yàn)要求。

2.3 燒結(jié)溫度對(duì)赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料性能的影響

在m（赤泥）∶m（粉煤灰）=10∶8，發(fā)泡劑用量為6 mL 的基礎(chǔ)上，探究燒結(jié)溫度對(duì)赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料性能的影響，試驗(yàn)方案如表4 所示。

表4 不同燒結(jié)溫度的試驗(yàn)方案

燒結(jié)溫度對(duì)試樣的性能有較大的影響。試驗(yàn)采用的赤泥中SiO2含量高，高溫下容易與CaO、Na2O 和Fe2O3生成玻璃相，在一定的范圍內(nèi)隨著燒結(jié)溫度升高，形成的玻璃相增加，可以粘結(jié)顆粒形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在表面張力和毛細(xì)管力的作用下填補(bǔ)試樣缺陷。同時(shí)，高溫下鈣、鈉、鋁等同SiO2可以形成鈉長(zhǎng)石、鈣鋁榴石等新的晶相，鈣鋁榴石硬度高、結(jié)構(gòu)致密、柔韌性好，可提高強(qiáng)度，鈉長(zhǎng)石也可增加強(qiáng)度。試驗(yàn)中燒結(jié)溫度在1110 ℃以上，SiO2從α-石英轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為α-鱗石英，α-石英的反應(yīng)活性比α-鱗石英低，較高的活性更易形成硅酸鹽復(fù)合物，利于玻璃固化反應(yīng)。原材料K2O、Na2O 的熔點(diǎn)較低，在燒結(jié)初期熔化成液相，在700~900 ℃同SiO2、Al2O3等結(jié)合制備出共融化合物，提高試樣強(qiáng)度。在450~600 ℃，CaO 同F(xiàn)e2O3反應(yīng)生成鐵酸鈣，從而達(dá)到提高強(qiáng)度的目的[15-17]。

不同燒結(jié)溫度下試樣表面形貌如圖3 所示。

圖3 燒結(jié)溫度對(duì)試樣表面形貌的影響

由圖3（a）、（b）可見(jiàn)，燒結(jié)溫度較低時(shí)，試樣內(nèi)部不能充分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，表面出現(xiàn)少量孔洞，燒制的試樣出現(xiàn)欠燒現(xiàn)象，相應(yīng)地試樣強(qiáng)度較低；燒結(jié)溫度繼續(xù)升高，試樣內(nèi)部發(fā)生充分反應(yīng)，試樣表面平整度較高、質(zhì)量較輕、表觀密度較小，燒出的試樣性能較好，如圖3（c）所示；當(dāng)燒結(jié)溫度進(jìn)一步升高時(shí)，試樣顏色變黑，表面出現(xiàn)少量裂紋及大量凹陷，此時(shí)燒結(jié)溫度過(guò)高，試樣出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，如圖3（d）所示。由上述試驗(yàn)可知，最佳燒結(jié)溫度為1150 ℃。

2.4 保溫時(shí)間對(duì)赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料性能的影響

探究保溫時(shí)間對(duì)赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料性能的影響，試驗(yàn)方案及性能測(cè)試結(jié)果如表5 所示。

表5 不同保溫時(shí)間的試驗(yàn)方案及性能測(cè)試結(jié)果

保溫時(shí)間對(duì)試樣性能有一定的影響。當(dāng)保溫時(shí)間過(guò)短，試樣出現(xiàn)欠燒的現(xiàn)象，試樣表面的瓷質(zhì)不均勻或不能完全生成，不能生成表面的玻璃態(tài)。由表5 可見(jiàn)，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，試樣強(qiáng)度越高，密度相對(duì)增大。這是因?yàn)楸貢r(shí)間較短時(shí)，試樣內(nèi)部的液相還沒(méi)有完全生成，瓷質(zhì)不均勻，試樣強(qiáng)度不高，而且表面玻璃化也不明顯，表面粗糙。保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，雖然液相生產(chǎn)量較多，表面的玻璃態(tài)過(guò)多，密度有較大增加，成品出現(xiàn)少量的凹孔，試樣變形。由于赤泥中SiO2的量較大，對(duì)表面玻璃態(tài)的形成以及瓷質(zhì)的產(chǎn)生有較大的阻礙作用，保溫時(shí)間應(yīng)稍延長(zhǎng)一些。綜上所述，試驗(yàn)保溫時(shí)間以120 min為宜。

2.5 微觀形貌分析

圖4 為最佳工藝條件下赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料的SEM照片。

圖4 赤泥輕質(zhì)保溫材料的微觀形貌

由圖4 可見(jiàn)，赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料內(nèi)部由氣孔和孔間壁2 部分組成，材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，既有封閉氣孔，又有開(kāi)放氣孔。赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料是由泡沫分散在赤泥漿體中，通過(guò)膠凝作用固泡形成。試驗(yàn)采用化學(xué)發(fā)泡的方法，其發(fā)泡機(jī)理是：發(fā)泡劑與已配好的料漿在攪拌及澆筑過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出氣體。隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，氣泡的數(shù)量不斷增加，氣泡周?chē)臍鈮弘S著氣泡的增加而增大，氣壓作用在料漿上，當(dāng)料漿的極限切應(yīng)力小于氣壓產(chǎn)生的切應(yīng)力時(shí)，隨著氣泡尺寸的增大，料漿膨脹，試塊體積增加。在最佳的試驗(yàn)配比和最優(yōu)的工藝條件下，料漿中氣泡均勻地分散，料漿膨脹及其凝結(jié)速率與發(fā)泡劑的發(fā)泡速率相同，隨著發(fā)泡反應(yīng)的結(jié)束，料漿的膨脹從而停止[18-19]。綜上所述，料漿膨脹、凝結(jié)過(guò)程的本質(zhì)就是氣泡產(chǎn)生和長(zhǎng)大的過(guò)程。

3 結(jié) 論

以赤泥、粉煤灰及粘結(jié)劑為原料，經(jīng)發(fā)泡、燒結(jié)等工藝制備了赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料。試驗(yàn)最終確定赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料的配比為：m（赤泥）∶m（粉煤灰）=10∶8，粘結(jié)劑10%，發(fā)泡劑6 mL。最佳工藝條件為：燒結(jié)溫度為1150 ℃，保溫時(shí)間為120 min。制備的赤泥發(fā)泡輕質(zhì)保溫材料的密度為479 kg/m3，抗折強(qiáng)度為0.41 MPa，抗壓強(qiáng)度為1.15 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.09 W（/m·K）。本研究赤泥利用率高，制備的輕質(zhì)保溫材料具有廣闊的應(yīng)用前景。