赤泥免烧胶凝材料制备研究_王浩.pdf

-10-第45卷第6期 非金属矿 Vol.45 No.62022年11月 Non-Metallic Mines November,2022赤泥免烧胶凝材料制备研究王 浩1,2 王海峰1,2*王家伟1,2 赵平源1,2 董馨予1,2 郝文豪1,2 王 芹1,2 黄碧芳1,2（1 贵州大学 材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025；2 贵州省冶金工程与过程节能重点实验室，贵州 贵阳 550025)摘 要 为提高赤泥的综合利用率，本试验采用一种不产生泛霜的赤泥免烧凝胶体制备方法。在赤泥高掺量（大于 70%）的条件下，探究水泥、石灰掺量和养护时间对赤泥免烧砖性能的影响，并监测其浸出液中Na+含量。结果表明，赤泥用量为100 g，当水泥添加量为25%，石灰添加量为3%，激发剂用量为 3%时，制得的赤泥免烧胶凝体养护 15 d，抗压强度和抗折强度分别达到 11.32 MPa 和 2.64 MPa，无泛霜，强度达 GB/T 5101-2017烧结普通砖 MU10 等级。赤泥中 Na+得到有效固定，水平振荡法测得添加水泥和石灰后 Na+浸出质量浓度从赤泥原渣的 2.013 5 g/L 分别降低到 0.423 5 g/L 和 0.428 5 g/L。关键词 赤泥；免烧砖；性能；激发剂中图分类号：X705；TU528文献标志码：A文章编号：1000-8098(2022)06-0010-04Study on Preparation of Red Mud Unburned Cementitious MaterialWang Hao1,2 Wang Haifeng1,2*Wang Jiawei1,2 Zhao Pingyuan1,2 Dong Xinyu1,2 Hao Wenhao1,2 Wang Qin1,2 Huang Bifang1,2(1 School of Materials and Metallurgy,Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550025;2 Guizhou Provincial Key Laboratory of Metallurgical Engineering and Energy Saving,Guiyang,Guizhou 550025)Abstract For the purpose of improving the comprehensive utilization of red mud,this paper proposed a preparation method of red mud unburned gel without frosting.The red mud unburned cementitious body was prepared under the condition of high content(red mud content more than 70%),and the effects of cement,lime and curing time on the properties of red mud unburned bricks were investigated,and the Na+content in the leach-ing solution was monitored.The results show that for 100 g red mud,when the amount of cement is 25%,the amount of lime is 3%,and the amount of activator is 3%,the compressive strength and flexural strength of the prepared red mud unburned gel at 15 d are 11.32 MPa and 2.64 MPa,respectively,without frosting,and the strength reaches the MU10 level of GB/T 5101-2017 Fired common bricks.Na+in the red mud was effectively fixed.The leaching concentration of Na+decreased from 2.013 5 g/L to 0.423 5 g/L and 0.428 5 g/L respectively after adding cement and lime.Key words red mud;unfired brick;property;activator赤泥是氧化铝生产过程中产出的强碱性废渣，Fe3+含量居多使其外观显赤红色。赤泥中主要含SiO2、Al2O3、CaO及Fe2O3等成分，占比达到60%以上，此外还含有一定量的 Na2O、TiO2等1。据统计，平均生产 1 吨氧化铝产生 1.01.5 吨赤泥。2021 年我国氧化铝产量为 7 747.5 万吨，同比增长 5%，产量还在持续增长。我国赤泥年产量达 1 亿吨，赤泥累计堆存为 13 亿吨2，是全球赤泥产量最多的国家3。赤泥综合利用研究已经成为氧化铝工业迫在眉睫的问题4，目前赤泥主要采用堆存方法进行处理，赤泥中含有钠碱等有害杂质，堆存处理会使土地盐碱化加重，污染地下水资源5。赤泥的综合利用研究主要有提取有价金属6-7，生产建筑材料8-10，制备催化剂11-12和吸附剂13-14等方面。随着建筑业的高速发展，我国每年消耗约 7 500 亿块烧结砖（折合成标准砖）15，政府鼓励利用各种工业废渣制砖，贵州省“十四五”新型建材产业发展规划 明确指出，至“十四五”末，贵州省新型墙材生产比例预计要达到 95%。烧结建材因能耗高和环保要求限制，前景不容乐观，制备免烧建材是未来发展的方向。刘冲昊等16以赤泥、粉煤灰为主要胶凝材料，掺入适量的石灰和脱硫石膏，制备出性能较好的赤泥胶凝材料，养护 28 d 后样品抗压强度为 3.4 MPa，抗拉强度为 1.11 MPa。王旭东等17将水泥、石膏等添加料与赤泥混合，开发出一种可用于充填煤矿井的赤泥基充填材料，赤泥掺入量为 30%。宋丽娜等18利用高贝利特硫铝酸盐水泥和石油焦脱硫石膏渣激发拜耳法赤泥，制备了高贝利特水泥-赤泥基地聚合物，当赤泥与水泥比例为 31，石油焦渣掺量为40%时，可得到 28 d 抗压强度达到 25 MPa 以上的胶凝体，但其掺入的激发剂等成本较高。彭建军等19收稿日期：2022-10-04基金项目：国家自然科学基金(51864012)；黔科合支撑（2022 重点020 号）；黔科合重大专项（2022003 号）；贵州省科学合作计划项目(20185781、20191411、20192841)；铜市科研（202113 号）。*通信作者，E-mail：。-11-利用拜耳法赤泥和粉煤灰等制备出符合国家标准要求的路面砖，但存在一定的泛霜现象20。上述赤泥免烧胶凝体研究中赤泥掺入量较低，且存在石灰爆裂、泛霜等问题，无法实现赤泥固废工业化利用。基于此，本试验在赤泥高掺量（大于 70%）基础上对赤泥免烧胶凝体的制备工艺进行研究，以贵州某企业赤泥为对象，考察水泥掺入量、石灰掺入量、养护时间对抗压、抗折、泛霜及 Na+浸出浓度的影响，旨在为赤泥综合利用提供参考。1 试验部分1.1 原料 赤泥取自贵州省某企业，其化学组成（w/%）为：Al2O3，20.73；Fe2O3，20.74；SiO2，17.19；CaO，15.85；Na2O，6.39；TiO2，5.29；Ga2O3，0.004 4；其他，5.51；灼减，8.3。石灰，取自贵州省某企业，CaO质量分数为 96%；水泥，取自贵州省某企业，PC 42.5水泥；激发剂为实验室自制无机激发剂，主要成分为硫酸钡、氧化钙、氧化钠和碳酸钠。对赤泥进行 X 射线衍射（XRD）分析，其图谱见图 1。从图 1 可看出，赤泥中主要有绿泥石、方解石、赤铁矿、水钙铝榴石、石英等物相。图1 赤泥XRD图谱对赤泥进行扫描电镜（SEM）分析，结果见图 2。从图 2 可看出，赤泥由细小的不规则颗粒组成，主要为絮状和块状，结构较疏松，粒度分布不均，分散性好。图2 赤泥SEM图像1.2 试验步骤 激发预处理：将赤泥和激发剂按比例 1003（g/mL）混合，添加自来水在水泥净浆搅拌机中搅拌反应 2030 min。混合反应：在上述激发后的赤泥中添加不同质量水泥和石灰继续反应 1015 min。装模制样：将上述反应完的浆体装入 40 mm40 mm160 mm 的水泥胶砂试模，经过振动成型。自然养护 24 h 后脱模，脱模后的生坯放入标准恒温恒湿箱养护 3 d、7 d、10 d、15 d、28 d。强度和泛霜检测：对养护到期的赤泥免烧材料进行抗压、抗折强度和泛霜的检测。Na+浸出浓度的检测：分别取 100 g 养护 28 d 的赤泥砖和赤泥原渣样，采用水平振荡法进行浸出，考察制备条件对免烧建材中 Na+浸出浓度的影响。1.3 分析方法 按 GB/T 2542-2012砌墙砖试验方法 对免烧砖进行性能测试，为避免偶然因素，减小误差，每组测试记录 5 组数据，取平均值作为试验结果，测试水泥和石灰对抗压强度、抗折强度影响。免烧砖的强度级别按 GB/T 5101-2017 判定。按 HJ 557-2010固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法，根据 GB/T 11899-89硫酸盐重量法 测定 Na+含量。2 结果与讨论2.1 水泥掺量对胶凝体强度性能的影响 赤泥用量为 100 g，当石灰添加量为 3%，水泥添加量分别为15%、20%、25%、30%、35%时，在不同养护时间条件下，免烧胶凝体的强度性能，见图 3。a-抗压强度；b-抗折强度图3 水泥掺入量对胶凝体强度的影响由图 3 可知，随着水泥掺量和养护时间的增加，免烧砖抗压、抗折强度均呈现先增加后略微降低的趋势。养护时间为15 d时，抗压和抗折强度达到最高值。水泥掺入量为 25%，养护 15 d 时，免烧砖抗压强度、抗折强度分别达到 11.31 MPa 和 2.69 MPa，强度等级达到 GB/T 5101-2017烧结普通砖 MU10 等级，符合普通砌墙用砖的标准。水泥掺量为15%，养护15 d时，免烧砖抗压强度、抗折强度为 10.48 MPa 和 2.5 MPa。这是因为水泥主要成分硅酸钙与水会发生水合反应生成水化硅酸钙，水化硅酸钙直径为 0.1 m，能够很好地填充胶凝体分子间隙，提高胶凝体的强度，使胶凝体能在短时间凝固，但是内部的水合反应根据水泥加入量不同可长达数十天甚至数月，不断产生新的水合物提高胶凝体强度。水合反应最初发生在水泥微粒的外层，水合物会逐渐包裹住这些颗粒，当外层水10 20 30 40 50 60 70 80 902/()300250200150100500强度/(a.u.)-绿泥石方解石赤铁矿水软铝石-水钙铝榴石石英石水铝石 赤泥免烧胶凝材料制备研究王 浩，王海峰，王家伟，等-12-第45卷第6期 非金属矿 2022年11月合产物密度大到无法使水分穿透与中心的水泥发生反应时，水合作用就无法进行下去。15 d 后强度下降是因为水泥掺量过量，赤泥内部没有足够的反应物与水泥进行反应，导致水泥占据砖的部分内部空隙，而水泥对赤泥内部的黏结效果较差，使得免烧砖抗压强度和抗折强度有所下降。2.2 石灰掺入量对胶凝体强度性能的影响 赤泥用量为 100 g，当水泥添加量为 25%，石灰添加量分别为1%、2%、3%、4%、5%时，在不同养护时间条件下，免烧胶凝体的强度性能，见图 4。a-抗压强度；b-抗折强度图4 石灰掺入量对凝胶体强度的影响从图 4 可看出，随着石灰掺入量和养护时间的增加，免烧砖抗压、抗折强度均呈现先增加后略微降低的趋势。养护时间为 15 d 时，抗压和抗折强度达到最高值，石灰掺入量为 3%，养 护 15