□ 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)
赤泥是生產(chǎn)氧化鋁過(guò)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(guó)赤泥的年排放量已超過(guò) 3 000 萬(wàn) 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(wèn)題。而利用赤泥制備免燒磚可以提高赤泥利用率,符合我國(guó)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)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(jiàn)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(lái)自大唐太原第二熱電廠,其化學(xué)成分見(jiàn)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(guò)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。
制備免燒磚的工藝流程如圖2所示,具體過(guò)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(cè)試試塊的抗壓強(qiáng)度。
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(jiàn)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 %
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(kāi)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
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(kāi)始下降??梢?jiàn),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
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(zhǎng)??紤]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
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(guò)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(zhǎng)較為明顯;摻量在3% ~5%范圍時(shí),強(qiáng)度增長(zhǎng)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
水泥作為常見(jiàn)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(zhǎng);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
3.1 通過(guò)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。
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