酸法制備錳礦渣鋁硅磷質材料及其性能表征研究

周樹年　黃連金　王強

【摘 要】以高嶺土和錳礦渣為原料，用85%磷酸作激發劑在常溫條件下制備鋁硅磷質材料；以抗壓強度為性能指標，用優選法及平行實驗法考察了固液比對材料性能的影響，并通過掃描電鏡（SEM）對材料內部形貌與結構進行觀察。

【關鍵詞】錳礦渣；鋁硅磷質材料；制備

中圖分類號： TU528.041 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）06-0030-002

【Abstract】Using kaolin and manganese slag as raw materials，85% phosphoric acid was used as an activator to prepare aluminum-silicon-phosphorous materials under normal temperature conditions.With compressive strength as performance index，the solid-liquid ratio of the materials was investigated using the optimal method and parallel experiment method.The effect of the performance was observed by scanning electron microscope（SEM） on the internal morphology and structure of the material.

【Key words】Manganese slag；Al-Si phosphorous material；Preparation

鋁硅磷質材料屬于磷酸鹽類材料，該材料可利用磷酸或磷酸鹽跟堿性金屬氧化物之間的酸堿反應，也可利用硅酸鹽類物質與磷酸通過熱處理工藝來制備[1]。磷酸或磷酸鹽與金屬氧化物反應生成凝膠態的磷酸鹽，凝膠態的磷酸鹽沉積在未完全溶解的氧化物顆粒表面上，以氫鍵形式將反應漿體聯結成一個整體。這類凝膠材料具有快凝、早強等特性，適用于搶修公路、橋面及機動跑道等設施，其特有的網絡狀結構也可用于固封危險固體廢棄物。如周新濤[2]等用偏高嶺土和磷酸鹽溶液按P2O5與Al2O3摩爾比為0.202制得了膠凝性能和力學性能均較好的材料；曹德光[3]等也制備出了性能較好的偏高嶺石-磷酸基礦物鍵合材料。本文參照這兩位學者的制備方法，探索了以高嶺土和錳礦渣為原料制備鋁硅磷質材料的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

錳礦渣：取自廣西崇左市廣西埃赫曼康密勞化工有限公司儲存的桶裝原渣；高嶺土：散裝，購自廣西崇左市化工產品店；85%磷酸（A.R）：成都市科龍化工試劑廠生產；去離子水：取自實驗室。

馬弗爐：101BS-2型，上海雙彪儀器設備有限公司；電子天平：BS-210g型，上海友聲衡器有限公司；快速六聯試模：2.0cm×2.0cm×2.0cm方格，上海雷韻試驗儀器制造有限公司；電液式（數顯）萬能試驗機： WES-300D型，濟南品德試驗機有限公司；掃描電子顯微鏡（SEM）：S-3400N型，日本日立公司。

1.2 實驗方法

（1）高嶺土和錳礦渣的活化

高嶺土和錳礦渣置于分別馬弗爐中煅燒活化：高嶺土800℃煅燒2h，轉化為偏高嶺土；錳礦渣600℃煅燒6h，提高反應活性。冷卻后取出密封保存備用。

（2）粉體的制備

將煅燒好的高嶺土和錳礦渣按質量比為1：1的比例混合均勻，配制成錳礦渣粉體。

（3）鋁硅磷質材料的制備

根據一定固液比稱量錳礦渣粉體與85%磷酸于容器內攪拌混合均勻，必要時加入適量的去離子水，調制成具有低流動性漿體，注入2cm×2cm×2cm六聯試模方格內（預涂凡士林），壓上配套蓋子，在室溫下放置3天后脫模養護至21d，即得材料試塊，用萬能試驗機測定其抗壓強度，用SEM觀察內部形貌及結構。

2 結果與討論

（1）抗壓強度結果

按平行實驗法考察了固液比對抗壓強度時影響，結果如表1。由表1中數據可知，當1：1的混合粉體按固液比為1：1進行反應制備時，材料的抗壓強度已達到在21d齡期的峰值，實驗范圍內最高可達到8.83Mpa，說明此時磷酸用量已充足，而當固液比為1：0.5時抗壓強度還有提升空間、當固液比超過1：1時抗壓強度并不再有明顯增加。此外，由于磷酸試劑（85%）本身的水含量較多，材料凝結和硬化的時間偏長，不適合在7d和14d測定抗壓強度。

（2）SEM分析

用SEM觀察材料試塊的內部結構，結果如圖2：

材料試塊密實、質地堅硬，由圖2可見到斷面處呈清晰的層狀結構，像陶質（斷面無光澤）或瓷質（斷面有光澤）。

3 結論

研究結果表明，用高嶺土和錳礦渣作為原料制備鋁硅磷質材料是可行性的，制備方法與地聚物材料的制備流程相似，不同的是材料凝結和硬化的時間偏長，如在自然狀態下不適合測定7d和14d齡期的抗壓強度，21d齡期后基本可以測定。因此建議在材料凝結和硬化過程的適當階段對其進行熱處理以縮短制備周期。

【參考文獻】

[1]KINGERY W D.Fundamental study of phosphate bonding in refractories：Ⅱ，cold-setting properties. J Am Ceram Soc， 1950， 33（5） ： 242-250

[2]周新濤，蘇達根，鐘明峰.鋁硅磷質膠凝材料的微觀結構與性能[J].硅酸鹽學報，2007，35（1）：105-108.

[3]曹德光，蘇達根，路波，等.偏高嶺石-磷酸基礦物鍵合材料的制備與結構特征[J].硅酸鹽學報.2005，（11）：1385-1389.