鋁工業廢渣制備免燒磚的力學性能研究

唐偉佳 倪紅軍 許 茜 呂帥帥 汪興興

（南通大學機械工程學院，江蘇南通226019）

鋁是全球產量最大的有色金屬，是重要的戰略資源。2018 年中國原鋁產量近 4 000 萬 t［1］，僅 2018年新產生的鋁工業廢渣（簡稱鋁渣）就多達數百萬t。據統計，我國每噸鋁的電解、熔鑄及廢鋁再生等會產生約30～250 kg的工業廢渣［2-4］。由于資源化利用技術還不成熟，堆積和填埋仍是我國處置鋁渣的主要方式，這不僅給生態環境造成了嚴重的污染，也極大地浪費了資源［5］。

目前，國內外學者對鋁渣的資源化利用開展了大量的研究工作，包括利用鋁渣代替水泥摻入混凝土［6］、以鋁渣為主要原料制備絕緣耐火磚［7］、采用酸溶法利用鋁渣生產無機絮凝劑［8］、利用鋁渣中含有少量單質鋁的特性制備蒸壓加氣混凝土砌塊［9］等等。但是，現有的資源化利用方法處置量小，未能有效利用大量堆存的鋁渣。而利用膠凝材料固化/穩定化技術制備免燒磚，具有處置量大、固化材料易得、成本低廉等優勢，是一種極佳的固廢處置方法［10］。因此，本研究擬以鋁工業廢渣為主要原材料，研究添加劑對免燒磚的重要力學性能指標——抗壓強度和抗折強度的影響，以期獲得一種較優的鋁渣免燒磚配合比，為鋁渣制備免燒磚的大規模應用提供理論依據。

1 試驗原料

（1）試驗所用鋁渣取自江蘇某再生鋁企業，為再生鋁熔煉過程中經高溫炒鋁而產生的廢渣，其主要化學成分和粒徑分布分別見表1、表2，XRD圖譜和SEM微觀形貌分別見圖1、圖2。

由表1和圖1可知，該鋁渣主要成分為Al2O3、AlN和Al，還含有少量的AlO（OH）和SiO2。除上述物相外，鋁渣中一般還包含一些其他金屬（如Fe、Cu、Mn等）的氧化物以及少量鹽類。由表2及圖2可知，鋁渣顆粒相對獨立，顆粒之間無粘結，棱角比較明顯，顆粒直徑主要分布于75～180 μm，粒徑較小，有利于后續水化反應的進行。

（2）石灰，CaO，天津市致遠化學試劑有限公司，分析純。

（3）石膏，CaSO4·2H2O，天津市致遠化學試劑有限公司，分析純。

（4）水泥，普通硅酸鹽水泥，諸城市楊春水泥有限公司，P.O42.5。

2 試驗方法及儀器

2.1 試樣制備

首先對鋁渣進行初篩，采用50目標準篩去除鋁渣中的大顆粒物和明顯的雜質。然后放入反應釜中，按固液比1∶10添加超純水，100℃加熱攪拌2～6 h，進行水解除氮處理，去除鋁渣中大部分AlN，發生的化學反應見式（1）。將反應后的鋁渣烘干并按設計比例摻入添加劑混合均勻，采用自制模具在一定壓力條件下壓制成型，磚塊尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，灑水自然養護。圖3為成型模具，圖4為成型試樣。

2.2 表 征

抗壓和抗折強度測試按照國家標準《水泥膠砂強度檢測方法（ISO法）GB/T 17671—1999》，試驗儀器采用濟南東方試驗儀器有限公司生產的YAW-300C型微機控制抗壓抗折試驗機?？箟簭姸仍囼灥牧虞d速度為2.4 kN/s，抗折強度試驗的力加載速度為0.05 kN/s。SEM掃描電鏡和XRD分析分別采用日本日立公司的HITACHI S-3400N型掃描電鏡、日本理學株式會社的Rigaku D/max2550V型X射線衍射儀。

2.3 配合比設計

免燒磚的力學性能主要來源于以下兩個方面［11］：一方面壓制成型使顆粒間產生相對滑移，小顆粒填充在大顆粒間的孔隙內；另一方面膠凝材料自身的水化反應以及激發劑與廢渣中的活性成分發生反應，生成大量水化產物。石灰作為最常見、最主要的激發劑之一，能夠激發鋁渣中的活性成分，其摻量多少會顯著影響免燒磚的力學性能。為進一步提高免燒磚的力學性能，選擇石膏和水泥作為另外2種添加劑。試驗配合比設計見表3，水固質量比為0.2，成型壓力15 MPa，自然養護3 d、7 d測試不同配合比條件下免燒磚的力學性能。

3 試驗結果與討論

3.1 石灰摻量對免燒磚力學性能的影響

石灰摻量對免燒磚抗壓強度、抗折強度的影響見圖5、圖6。

由圖5、圖6可知，抗壓、抗折強度變化規律基本一致，隨著石灰摻量的增加均先增大后減小。當石灰摻量為0%時，免燒磚無法成型，無強度。這是因為鋁渣中主要活性物質為Al2O3，在缺乏激發劑的條件下不能顯現出水化活性，僅僅依靠壓制成型的物理作用使其以顆粒的形式結合在一起，脫模時有明顯的粉末漏出。隨著石灰摻量的增加，免燒磚的抗壓、抗折強度逐漸增大，當石灰摻量為10%時，免燒磚的抗壓、抗折強度達到了峰值。石灰反應放熱的同時，在免燒磚內部形成了堿性環境，在堿性環境中，激發了鋁渣中的活性Al2O3，生成以水化鋁酸鈣（CAH）為主的水化產物，發生的化學反應見式（2）［12］。水化產物的生成使原本僅僅依靠物理作用結合在一起的顆粒間產生膠結，從而構成了強度。然而，隨著石灰摻量的進一步增加，免燒磚的抗壓抗折強度反而降低了，可能的原因是石灰本身水化活性有限，與空氣中CO2反應生成CaCO3而失效，導致免燒磚力學性能的降低，發生的化學反應見式（3）［13］。

3.2 石膏摻量對免燒磚力學性能的影響

石膏摻量對免燒磚抗壓強度、抗折強度的影響見圖7、圖8。

由圖7、圖8可知，抗壓、抗折強度變化規律基本一致，隨著石膏摻量的增加均先增大再減小。當石膏摻量為15%時，免燒磚的抗壓、抗折強度達到峰值。在鋁渣-石灰體系中摻入石膏，即在Al2O3-Ca（OH）2體系中引入了SO2-4，可以加深水化程度，反應生成鈣礬石（AFt），見式（4）。鈣礬石具有良好的膨脹性，能夠快速填充免燒磚內部空隙，從而提高其力學性能。而石膏的過量摻入，多余的硫酸鹽無法與反應體系中的物質反應，雜亂地分布于體系中，一定程度上降低了非燒結磚的強度［14］。

3.3 水泥摻量對免燒磚力學性能的影響

水泥摻量對免燒磚抗壓強度、抗折強度的影響見圖9、圖10。

硅酸鹽水泥是膠凝材料最主要的組分，由圖9、圖10可以明顯看出，水泥對鋁渣免燒磚力學性能的影響程度最大。水泥硬化過程中，一方面其中的硅酸三鈣（3CaO·SiO2）等活性成分遇水水化，生成大量絮狀CSH凝膠從而形成高強度；另一方面，水泥水化后會產生更多的Ca（OH）2，為免燒磚中的活性成分提供了更多的堿性環境，促進水化反應的繼續進行，使制品的強度進一步提高［15］。從圖中可以看出，隨著水泥摻量的增加，免燒磚的抗壓、抗折強度均呈上升的趨勢。水泥摻量的不斷增加顯著提高了免燒磚的力學性能。但考慮到試驗的目的是試驗鋁渣的大批量資源化利用，水泥的大摻量增加固然能夠提高免燒磚的力學性能，但會導致生產成本大大增加，同時也減少了廢渣的利用率，因此，水泥摻量不宜超過10%。水泥摻量10%時，鋁渣免燒磚7 d抗壓強度達到了17.31 MPa，7 d抗折強度達到2.61 MPa，滿足《JC/T 422—2007非燒結垃圾尾礦磚》MU15強度等級的要求。

3.4 微觀形貌與物相組成分析

配合比為65%鋁渣、10%石灰、15%石膏和10%水泥條件下（試驗編號T10）自然養護7 d后試樣的SEM微觀形貌見圖11，X-射線衍射分析見圖12。

由圖11可以看出，T10配合比試樣經過7 d自然養護，免燒磚內部發現了明顯的水化反應，生成了大量的水化產物，包括凝膠狀無定形物和大量相互交織的長桿狀晶體，結合圖12的XRD圖譜分析結果，可以確定鋁渣免燒磚的主要水化產物為水化硅酸鈣（CSH）、水化鋁酸鈣（CAH）和鈣礬石（AFt）。這些水化產物搭接緊密，使免燒磚內部結構更加致密。與此同時，體系內仍還有部分Al2O3未參與反應，有待后續養護繼續參與反應，從而進一步提高免燒磚的力學性能。

4 結論

（1）配合比為65%鋁渣、10%石灰、15%石膏和10%水泥的鋁渣免燒磚，7 d自然養護后抗壓強度為17.31 MPa，抗折強度為2.61 MPa，滿足《非燒結垃圾尾礦磚》（JC/T 422—2007）MU15級免燒磚的性能要求。

（2）水泥是對鋁渣免燒磚力學性能影響最大的添加劑，石灰和石膏則對鋁渣免燒磚力學性能的影響相對較小。

（3）通過SEM和XRD表征，可以發現免燒磚內部發生了明顯的水化反應，主要水化產物為CSH、CAH和Aft，這些水化產物增強了鋁渣免燒磚的力學性能。