利用赤泥制备高强陶粒的试验研究.pdf

第3 I 卷第5 期 2 0 1 1 年1 0 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L I ，U R G I C A LE N G 矾E E R 斟G V 0 1 ．3 l №5 O c t o b e r2 0 “ 利用赤泥制备高强陶粒的试验研究① 万 军1 ，刘恒波1 ．一，宋美1 ”，贾韶辉1 ”，贺深阳1 2 1 ．贵州省建筑材料科学研究设计院，贵州贵阳5 5 0 0 0 7 ；2 ．贵州工业废渣综合利用研发测试中心，贵州贵阳5 5 0 0 0 7 摘要利用拜耳法赤泥、页岩和粉煤灰等原料制备了高强陶粒。赤泥掺入量为5 0 ％时，陶粒堆积密度8 4 0k g ／m 3 ，筒压强度达到 7 ．5M P a ，强度标号4 5M P a ，lh 吸水率7 ．6 ％，表观密度1 0 0 0k s ／m 3 ，孔隙率1 6 ．0 ％，放射性能够满足作为轻集料的活度要求。利用 X R D 、S E M 等分析手段，对赤泥陶粒烧结机理进行了探讨。 关键词拜耳法赤泥；页岩；粉煤灰；高强烧结陶粒；赤泥陶粒 中图分类号T H l 4 5文献标识码A 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 1 0 5 - 0 1 1 1 一0 3 T e s t so nU t i l i z a t i o no fR e dM u dt oP r e p a r eH i g h - s t r e n g t hC e r a m i s i t e W A NJ u n ‘，L I UH e n g ．b 0 1 ．一，S O N GM e i l ”，J I AS h a o h u i l ”，H ES h e n ．y a n 9 1 ，2 1 ．G u i z h o uR e s e a r c h D e s i g nI n s t i t u t eo fA r c h i t e c t u r a lM a t e r i a l sS c i e n c e ，G u i y a n g5 5 0 0 0 7 ，G u i z h o u ，C h i n a ； 2 ．G u i z h o u 跳咖撇眦a n dT e s t i n g C e n t r ef o rC o m p r e h e n s i v eU t i l i z a t i o no fI n d u s t r i a lW a s t e s ，仇咖增5 5 0 0 0 7 ， G u h o u ，C h i n a A b s t r a c t H i g h - s t r e n g t hc e r a m i s i t eW S Sp r e p a r e db yu s i n gB a y e rr e dm u d ，s h a l ea n df l ya s h ．W h e nt h ec o n t e n to fr e d m u dW a s5 0 ％，e e r a m i s i t eb u l kd e n s i t yo f8 4 0k g ／m 3 ，c y l i n d r i c a lc o m p r e s ss t r e n g t ho f7 ．5M P a ，s t r e n g t hg r a d eo f4 5 M P a ，Ih - w a t e ra b s o r p t i o no f7 ．6 ％，a p p a r e n td e n s i t yo f10 0 0k s ／m 3a n dp o r o s i t yo f1 6 ．O ％w e r eo b t a i n e d ．T h er a d i o - a c t i v i t yo ft h ec e r a m i s t i ec a nm e e tt h er e q u i r e m e n tf o rl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ．T h es i n t e r i n gm e c h a n i s mo f r e dm u d c e r a m i s i t ew a sa n a l y z e db yX R D ，S E Ma n do t h e ra n a l y t i c a lm e t h o d s ． K e yw o r d s b a y e rr e dm u d ；s h a l e ；f l ya s h ；h i S h s t r e n g t hs i n t e r e dc e r a m i s i t e ；r e dm u dc e r a m i s i t e 赤泥是以铝土矿为原料生产氧化铝过程中产生的 极细颗粒强碱性固体废物，每生产1t 氧化铝，大约产 生赤泥O ．8 一1 ．5t 。目前我国赤泥综合利用率仅为 4 ％，累积堆存量达到2 亿吨。赤泥大量堆存，既占用 土地，浪费资源，又易造成环境污染和安全隐患，尤其 在喀斯特地貌地区 贵州、广西 ，很容易对地下水源 造成污染。 目前，赤泥综合利用仍属世界性难题，国际上对 赤泥主要采用堆存覆土或填海的处置方式。我国赤泥 综合利用工作近年来得到各方面的高度重视，开展了 跨学科、多领域的综合利用技术研究工作，如赤泥提取 有价金属，配料生产水泥、建筑用砖、矿山胶结充填胶 凝材料、路基固结材料和高性能混凝土掺合料、化学结 合陶瓷 C B C 复合材料、保温耐火材料、环保材料 等。7 ] 。但这些研究尚处于实验室阶段，还未实现产 业化。 本文以拜耳法赤泥为主要原料，加入页岩和粉煤 灰，经混合搅拌、成球、烧结、分级，得到符合国家标准 G B ／T1 7 4 3 1 2 0 1 0 ⋯中高强陶粒的技术要求的陶粒， 为赤泥的高附加值利用开辟了新的途径。 1 实验部分 1 ．1 原料 赤泥中国铝业贵州分公司拜耳法压滤赤泥，自然 含水率2 8 ％；粉煤灰中国铝业贵州分公司产劣质粉 煤灰；页岩软质页岩，自然含水率1 9 ％；煤粉标煤； 硅质校正原料磨细硅砂，S i O 含量大于9 2 ％。主要 原料的化学成分见表l 。赤泥X 衍射图谱和S E M 照 片见图l 。 表l 原料的化学成分 质量分数 ／％ ①收稿日期2 0 1 l - 0 3 - 2 6 基金项目贵州省科技攻关项目 黔科合s Y 字[ 2 0 1 0 1 3 0 2 1 号 ；贵州省创新能力建设项目 0 8 0 0 9 作者简介万军 1 9 6 2 一 ，江西樟树人．高级工程师，主要从事工业废渣资源化利用方面的研究。 通讯作者刘恒波 1 9 8 2 一 ，辽宁铁岭人，工程师，主要从事固体废弃物建材资源化利用方面研究。 万方数据 矿冶工程第3 1 卷 图I 赤泥X 衍射图谱和S E M 照片 a 拜耳法赤泥X 衍射图谱； b 拜耳法赤泥微观形貌 1 ．2 试验方法 将赤泥、页岩、煤粉及硅砂等原料磨细、混合搅拌 均匀，经成球机成球、烘干、烧结、分级后得到赤泥烧结 陶粒样品，其中，烧结装置使用的是烧结机，温度11 0 0 ℃，保温时间4 5r a i n 。 2 结果及分析 2 ．1 配方研究 按赤泥掺量4 0 ％、5 0 ％、6 0 ％分为A 、B 、C 三组配 方 见表2 ，其中在D F 组中加入适量的硅砂，用以 补充配方中S i O 的含量，提高制品的强度，而粉煤灰 中含有大量的玻璃相，对于促进烧结，抑制制品膨胀变 形有很好的作用，页岩中含有较多的S i O 和A 1 0 ，。本 身又有塑性，起到一定的粘结作用，并同时起到调整陶 粒中的S i ／A l 比，使制品能够形成较为致密的烧结体。 表2 赤泥陶粒配方I 质量分数J ／％ 2 ．2 赤泥烧结陶粒烧结机理分析 拜耳法赤泥中含有较多的水化石榴石、羟基方钠 石、水合铝硅酸盐、方解石、赤铁矿、钙钛矿等物相，这 些物相在高温下会发生很多的演变，如石榴石可以在 11 0 0 ℃时发生表面软化和烧结效果；而水合铝硅酸盐 和羟基方钠石占有2 5 ％的比例．这几种矿物不完全具 有标型矿物的特点，也不是铝土矿原矿中带人的伴生 矿物，它们是在拜尔法生产氧化铝工艺中，在2 3 0 2 7 0 ℃、高压 2 ．3 3M P a 、高碱 N 如0 浓度2 8 0 3 0 0g ／L 、苛性比大于3 ．5 和长时间浸出铝土矿过程 中转化形成的新生态产物，铝硅酸盐是一种非晶质化 合物，在高温状态下，赤泥中的C a O 可以与其发生固 相反应，形成铝酸盐，使其部分分解形成新的物相，对 烧结强度有较好的贡献。11 0 0 ℃时，赤泥中的水合石 榴石失水后形成钙铝石榴石 3 C a O A 1 O ，3 S i O ； 水合硅铝酸钙 C a O A I 0 ，- 2 S i O x H O 失水后形 成的非晶质化合物 C a O A I 0 ，2 S i O ；水合硅酸 钠和羟方钠石形成钠长石 N a 0 A 1 0 ，6 S i O 、硬 玉 N a 0 A l 0 ，4 S i O 、霞石 N a A I S i O 。 结构的同 质异构体；白云石、三水铝石反应得到C a O A 1 ，O ，和 M g O A I O ，；一水硬铝石、方解石在高温下转换得到 C a O A 1 2 0 3 、3 C a O A 1 2 0 】、5 C a O 3 A 1 2 0 3 等化合物。 这些高温下形成的矿物粒子，被烧结过程中形成的玻 璃体粘结，可以形成具有较高强度的烧结制品。 2 ．3 赤泥陶粒微观形貌分析 图2 为赤泥烧结陶粒的S E M 照片。由图2 可知， 赤泥陶粒在11 5 00 c 下烧结，颜色明显比11 0 0 ℃烧结 时深，陶粒中空隙缩小，液相增加，部分晶相熔蚀，这主 要是因为温度升高导致原料中的液相含量增多，进而 熔解原料中的铝、硅等起骨架结构的物质，并伴有较大 收缩变形，在11 5 0 ℃烧制出的陶粒样品密实度较高， 表观密度达到l3 2 0k g ／r n 3 ，孔隙率较低，仅有2 0 ．3 ％， 但由于陶粒产品的筒压强度和堆积密度是对应相关 的，虽然密实度较高，但筒压强度较低 3 ．0M P a ，生 产成本也较高，且生产出的陶粒产品易结成团块状。不 易分离，影响陶粒质量。 图2 赤泥烧结陶粒S E M 照片 a 1 1 0 0 。c 烧结； b 1 1 5 0 ℃烧结 2 ．4 配方对赤泥陶粒性能的影响 对不同配比、11 0 00 c 下烧结的赤泥陶粒送至贵州 万方数据 第5 期 万军等利用赤泥制备高强陶粒的试验研究 1 1 3 省工业固慧弃物徽墨嚣麓礼30GB／T1 7 4 3 12 0 l o 进3 涨据3 结 论 一 行测试，检测结果见表 ’ ’”～ 表3 赤泥高强陶粒的性能 配堆积密度表观密度筒压强度I h 吸水率强度标号放射性孔隙率 比／ 1 【g m 一3 ／ k s m 一3 ／M P a ／％ ／M P a I R a ，I r ／％ 由表3 可知，A ～D 组配方均符合G B ／T1 7 4 3 1 一加1 0 的技术要求，而E 、F 组不能完全满足标准要求，主要 因为赤泥掺入量过多，导致烧结温度范围较窄，不易控 制，且S i O 含量较低，不能形成提供支撑作用的骨架， 而钙含量较高导致了烧结温度范围较窄，对实际生产 中的控制非常不利；由于原料中的粉煤灰和赤泥烧失 量偏高，在高温下易产生气体，使得陶粒变轻，但由于 保温时间较短，外壳未完全玻璃化，这样形成了外部稍 坚硬但并不光滑、内部高度烧结的状态。另外，D 组引 入硅砂后，导致堆积密度、表观密度和强度略有上升， 而吸水率也降低，孔隙率降低，间接证明了硅质材料在 陶粒中的重要作用，考虑到成本的问题，没有掺入过多 的硅质材料，而生产中建议掺入部分硅质校正原料来 提高制品的品质。 上接第1 1 0 页 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] L i d eDR ．C R Ch a n d b o o ko fc h 谢8 t r ya n dp h y s i c s [ M ] ．N e wY o r k C R CP r e s s ，1 9 9 7 ． 郭鹤桐，覃奇贤．电化学教程[ M ] ．天津天津大学出版社， 2 0 0 0 ． 王建朝．二甲基甲酰胺中电沉积镁镍合金的研究【J ] ．青海师范 大学学报 自然科学版 ，2 0 0 3 2 4 8 5 1 ． 刘淑兰，草奇贤．成旦红，等．镧与镍共沉积的研究[ J ] ．物理化 学学报，1 9 9 5 1 1 l l l O l l l 3 ． 利用赤泥制备高强烧结陶粒适宜配比为拜耳法 赤泥5 0 ％，粉煤灰2 0 ％，页岩3 0 ％；烧结温度11 0 0 ℃，保温时间4 5r a i n ；赤泥陶粒堆积密度8 4 0k r ／m 3 ，筒 压强度达到7 ．5M P a ，强度标号4 5M P a ，lh 吸水率 7 ．6 ％，表观密度10 0 0k g ／m 3 ，孔隙率1 6 ．0 ％，放射性 能够满足作为轻集料的放射性比活度要求，符合 G B ／T1 7 4 3 1 2 0 1 0 高强陶粒的技术要求。该研究已 经进行了小试、中试试验，技术相对比较成熟，能够迅 速实现产业化，对于赤泥的综合利用来说是一个突破 性的进展。 参考文献 杨家宽，侯健，齐波。等．铝业赤泥免烧砖中试生产及产业化 [ J ] ．环境工程，2 0 0 6 ，2 4 4 5 2 5 6 ． 汪文凌．利用工业废弃物赤泥制造烧结砖的研究[ J ] ．砖瓦。2 0 0 6 7 4 2 4 3 陶敏龙。张召述，卓瑞锋．利用赤泥制备C B C 复合材料的研究 [ J ] ．有色金属，2 0 0 9 4 4 5 4 7 ． 齐建召，杨家宽，王梅。等．赤泥傲道路基层材料的试验研究 [ J ] ．公路交通科技，2 0 0 5 ，2 2 6 3 0 3 3 ． 韩毅．赤泥吸附材料的制备及应用研究[ D ] ．北京北京化工 大学，2 0 0 4 ． 张彦娜．赤泥用作高性能水泥性能调节组分的研究[ D ] ．南京 南京工业大学，2 0 0 4 ． 谢长江．工业废料在国内外矿山充填中的应用[ J ] ．湖南有色金 属，1 9 9 7 ，1 3 4 5 8 ． G B ／T1 7 4 3 1 2 0 1 0 ．轻集料及其试验方法[ s ] ． [ 8 ] 吴俊，黄清安，陈永言，等．水溶液中N i - L a - P 合金的电沉积行 为[ J ] ．应用化学。1 9 9 9 ，1 6 6 6 5 6 7 ． [ 9 ] 刘卫红，廖龙标．水溶液中镁．镍合金的电沉积合成[ J ] ．复旦学 报 自然科学版 ，2 0 0 4 ．4 3 4 5 1 l 一5 1 4 ． [ 1 0 ] P r o u d WG 。G o m e z E ，S a n “ e tE ，e ta 1 ．I n f l u e n c eo f p Ho nn i c k e l e l e c t r o d e p o s i t i o na tl o wn i c k e l I I c o n c e n t r a t i o n [ J ] ．JA p p lE l e c t r o c h e m ，1 9 9 5 ，2 5 8 7 7 0 7 7 5 ． [ 1 1 ] 李获．电化学原理[ M ] ．北京北京航空航天大学，1 9 9 9 ． 1 J 1 J 1j 1j n 口 p H ∞ № ” 竺- 万方数据