沈燦，吳小文，張月娜，馬淑龍，陶天一，朱干宇，田博，劉艷改

[1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083；2.北京金隅通達耐火技術(shù)股份有限公司，北京 100041；3.中國科學(xué)院過程工程研究所 環(huán)境技術(shù)與工程研究部，北京 100083；4.天津煒潤達新材料科技有限公司，天津 301800]

0 引言

用后耐火材料是冶金、陶瓷等工業(yè)使用后拆下來的固體廢料[1]。對于用后耐火材料再生利用，應(yīng)根據(jù)各部位的侵蝕情況采取不同方法進行處理[2]。廢鎂鋁尖晶石磚去除剝離鋼渣外，分為侵蝕層、過渡層和未侵蝕層。侵蝕層主要物相為α-Al2O3、MnO、3CaO·SiO2等[3]。由于侵蝕層組分耐火度較低，因此不再利用其制備耐火材料，而是用在建筑材料等方面。有研究者對剝離鋼渣、鎂鋁尖晶石廢渣再利用進行研究[4-9]。本文以廢鎂鋁尖晶石磚的剝離鋼渣及廢鎂鋁尖晶石為主要原料，配合水泥制備免燒磚，研究剝離鋼渣顆粒級配和廢鎂鋁尖晶石摻量對免燒磚性能的影響，獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)，為用后耐火材料的全體量利用提供技術(shù)參考。

1 試驗

1.1 原材料

廢鎂鋁尖晶石磚由天津煒潤達新材料科技有限公司提供。經(jīng)過鐵錘、切割機等工具剝離、切割、分選后得到剝離鋼渣和廢鎂鋁尖晶石。

（1）剝離鋼渣：經(jīng)粉碎、球磨、篩選后得到0~1、1~3、3~5 mm三種不同規(guī)格。由于1~3 mm和3~5mm的剝離鋼渣原料可以充當(dāng)免燒磚中骨架成分而起到支撐作用，提高免燒磚的強度，降低制磚成本，因此配比中不再加入天然砂。剝離鋼渣的化學(xué)成分見表1，可以看出剝離鋼渣原料為高鐵（Fe2O3）、高砂型（SiO2）型鋼渣[10]；其XRD圖譜如圖1所示，得到剝離鋼渣主要物相為硅酸二鈣相和游離氧化鈣相；剝離鋼渣原料微觀形貌如圖2所示，可以看出剝離鋼渣為層狀結(jié)構(gòu)，且多孔不致密，與黏土的微觀結(jié)構(gòu)類似，因此可以代替黏土生產(chǎn)免燒磚[11]。經(jīng)過EDS能譜分析可知，組成剝離鋼渣的主要元素為Si、Mg、Al、Ca、Fe等。

表1 主要原材料的化學(xué)成分 %

（2）廢鎂鋁尖晶石：經(jīng)過球磨后過45目篩，確保樣品的原料粒度小于0.5 nm。廢鎂鋁尖晶石的化學(xué)成分見表1，主要成分是Al2O3和MgO；其XRD圖譜如圖3所示，分析后可得出廢鎂鋁尖晶石的主要物相為方鎂石相和鎂鋁尖晶石相；其SEM照片如圖4所示，可以觀察到廢鎂鋁尖晶石為層狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過EDS能譜分析可知組成廢鎂鋁尖晶石的主要元素為Al、Mg、Si等，且含鋁元素較多，可以為免燒磚提供必要的強度[12]。

（3）水泥：P·O42.5，陽春水泥有限公司生產(chǎn)，其化學(xué)組成如表1所示，性能符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求。水泥在免燒磚中作為膠結(jié)成分和激活劑。

1.2 試樣制備

本試驗樣品通過配料、混料、成型、養(yǎng)護等工藝制得。配料條件為：剝離鋼渣為60%、70%（分為0~1、1~3、3~5 mm三種規(guī)格），廢鎂鋁尖晶石為20%、30%，水泥和水分別固定為10%、2%。原料配比如表2所示?；炝喜捎孟雀苫? min，再加入水濕混2 min，原料混合均勻后采用模壓工藝成型，模具直徑為20 mm，成型壓力為15 MPa。脫模后采用常溫常壓下養(yǎng)護28 d，每隔3 d噴水處理防止樣品開裂，制得免燒磚試樣。在成型過程中，首先采用10 MPa壓力進行成型，發(fā)現(xiàn)試樣未完全成型，有粉末脫落現(xiàn)象；采用20 MPa壓力成型時樣品難以脫模；而采用15 MPa壓力成型時試樣外表平整，無粉末脫落現(xiàn)象。且通過對比發(fā)現(xiàn)，15 MPa壓力成型的樣品抗壓強度比10 MPa壓力下成型的樣品高。

表2 免燒磚的原料配比 %

1.3 結(jié)構(gòu)表征及性能測試

（1）采用日本Rigaku公司D/max-rA型號X射線衍射儀，對鋼渣和鎂鋁尖晶石原料及成型養(yǎng)護后的免燒磚進行物相分析。

（2）采用日本日立公司的S-3000N型掃描電子顯微鏡對免燒磚的形貌特征、結(jié)構(gòu)特點、形態(tài)和分布進行表征。

（3）采用電子萬能試驗機（CTM4304型，中國MTS公司），對免燒磚樣品進行抗壓和抗折強度測試。

2 結(jié)果及分析

2.1 免燒磚的體積密度及吸水率（見表3）

表3 不同原料配比免燒磚的體積密度與吸水率

由表3可知：（1）免燒磚的體積密度隨著剝離鋼渣含量的增加和廢鎂鋁尖晶石摻量的減少表現(xiàn)整體提高的趨勢。在剝離鋼渣顆粒級配為0~1 mm25%、1~3 mm25%、3~5 mm20%時，免燒磚的體積密度最大，為2863 kg/m3。分析其原因可能是試樣中剝離鋼渣含量增多，而剝離鋼渣的密度比廢鎂鋁尖晶石的密度大，從而導(dǎo)致了免燒磚整體體積密度的增大。（2）剝離鋼渣顆粒級配為0~1mm15%、1~3mm15%、3~5mm30%時，免燒磚的吸水率最小，為6.07%，分析其原因可能是30%廢鎂鋁尖晶石粉末和0~1mm剝離鋼渣充分填充免燒磚骨架中的空隙而導(dǎo)致試樣吸水率減小。且樣品的吸水率均符合JC/T422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》標(biāo)準(zhǔn)中吸水率小于18%的要求。

2.2 免燒磚的尺寸偏差

由于剝離鋼渣中的C2S、C3S、鐵鋁酸鈣等活性組分具有膠凝性，因此，在水化過程中可以產(chǎn)生能激發(fā)水泥活性的激活劑，而水泥被激活后導(dǎo)致免燒磚發(fā)生體積膨脹，因此對免燒磚的尺寸有一定的影響。其主要發(fā)生的反應(yīng)如下[13]：

測試常溫常壓養(yǎng)護28 d免燒磚的尺寸偏差，取平均值，結(jié)果如表4所示。

表4 不同原料配比免燒磚自然養(yǎng)護28 d的尺寸偏差

由表4可見，本試驗中水泥用量為10%，所引起制件的徑向與軸向的尺寸變化相對較小，并且在表觀上并無裂紋產(chǎn)生。符合JC/T422—2007《中外觀和尺寸偏差小于2 mm的要求。

2.3 免燒磚的力學(xué)性能（見表5）

表5 不同原料配比免燒磚的力學(xué)性能

由表5可知，剝離鋼渣顆粒級配對免燒磚的力學(xué)性能有一定影響。對比試樣A、B、C、D、E，保持3~5 mm剝離鋼渣摻量不變，抗壓強度隨著0~1 mm摻量增加和1~3 mm摻量減少表現(xiàn)出先提高后降低再提高的趨勢。對比C、F和D、G，保持1~3 mm剝離鋼渣摻量不變，抗壓強度隨著0~1 mm摻量減少和3~5mm摻量增加而降低。同時，廢鎂鋁尖晶石摻量對免燒磚的性能也有一定的影響。對比試樣F、K和I、L，保持1~3、3~5 mm剝離鋼渣摻量不變，抗壓強度隨著廢鎂鋁尖晶石摻量的減少而略有降低。分析剝離鋼渣顆粒級配和廢鎂鋁尖晶石摻量對免燒磚抗壓強度的影響規(guī)律，主要是控制骨料和填充料的摻量，骨料過少直接導(dǎo)致免燒磚抗壓強度下降，骨料過多或填充料過少導(dǎo)致免燒磚致密程度不夠，進而影響抗壓強度。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)及形貌

選取各組配方中性能較均衡的試樣H進行物相和顯微結(jié)構(gòu)分析。免燒磚樣品H經(jīng)過28 d自然養(yǎng)護后的XRD圖譜如圖5所示，SEM照片如圖6所示。

由圖5可知，樣品的主要物相為硫酸鈣（CaSO4）、氧化鎂（MgO）和蛇紋石[Mg3Si2O5（OH）4]。蛇紋石因其花紋似蛇皮而得名，含大量的鎂，由于具有耐熱、抗腐蝕、耐磨、隔熱、隔聲、較好的工藝特性及伴生有益組分，因而應(yīng)用前景廣闊[14]。

由圖6可知，養(yǎng)護后樣品中大部分為鑲嵌結(jié)構(gòu)，球狀的鎂鋁尖晶石顆粒鑲嵌在不規(guī)則的鋼渣中，起到填充作用，使得免燒磚致密。另外，充當(dāng)骨架作用的鋼渣原料結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，說明應(yīng)用0~1 mm和3~5 mm剝離鋼渣作骨架成分是可行的，能夠為免燒磚提供必要的強度。因此，在夏天將此類材料應(yīng)用在路面時不會因為溫度過高散熱不充分而導(dǎo)致路面磚發(fā)生脆裂[15]。

3 結(jié)論

（1）成型壓力及原料配比對免燒磚的性能存在影響，通過研究獲得的優(yōu)化制備工藝參數(shù)為：剝離鋼渣0~1 mm25%、1~3 mm15%、3~5 mm20%，鎂鋁尖晶石30%，水泥10%，成型壓力15 MPa。

（2）獲得的免燒磚其物相除原有氧化鎂、硫酸鈣以外，還生成蛇紋石新物相。形貌分析表明，免燒磚生成了包覆和鑲嵌結(jié)構(gòu)，鎂鋁尖晶石細(xì)顆粒鑲嵌在不規(guī)則的剝離鋼渣骨架中，起到填充作用，使得免燒磚致密。

（3）本試驗中，制備的免燒磚最小吸水率為6.07%，最高抗壓強度為9.57 MPa，達到了JC/T 446—2000《混凝土路面磚》標(biāo)準(zhǔn)要求。本試驗研究對用后耐火材料的全體量利用具有重要意義。