赤泥在蒸壓加氣混凝土中應用研究

王路明徐子芳

(1.安徽理工大學材料科學與工程學院 安徽 淮南 232001)(2.鹽城工學院材料工程學院 江蘇 鹽城 224051)

一、赤泥概述

(一)赤泥的種類

在氧化鋁在生產過程中會產生大量堿性極強的固體廢料，這些廢料中含有較多的氧化鐵從而表現為紅色，因而被稱為赤泥，也稱紅泥。氧化鋁的生產工藝可以分為拜耳法、燒結法和聯合法這三種生產工藝，其產生的赤泥也分別為拜耳法赤泥、燒結法赤泥和聯合法赤泥[1]

1.拜耳法赤泥：在高溫反應釜中，氫氧化鈉溶液與鋁土礦進行反應，逐漸形成鋁酸鈉溶液，在攪拌、過濾、分離、降溫后加入晶種氫氧化鋁溶液,攪拌后鋁酸鈉會分解析出氫氧化鋁,氫氧化鋁會經過焙燒后會得到成品氧化鋁，其中所剩的殘渣包括方鈉石、赤鐵礦等就是拜耳法赤泥。

2.燒結法赤泥：將鋁土礦進行燒結，其中的氧化鋁會逐漸轉變成易溶低堿的鋁酸鈉，溶解后會生成偏鋁酸鈉，其中的鈣，硅，鐵以及鈦等雜質則形成燒結法赤泥。

3.聯合法赤泥：聯合法將拜耳法與燒結法聯合起來使用，主要利用拜耳法，用燒結法當做輔助,利用這種生產方法排放而出的殘渣被稱為聯合法赤泥，這種赤泥兼具拜耳法赤泥和燒結法赤泥的特性。

(二)赤泥的組成

赤泥中的主要元素組成為鐵、鋁、鈣、硅、鈉、鈦等，其主要礦物組成為赤鐵礦(α-Fe2O3)、針鐵礦(α-FeOOH)、一水硬鋁石(Al2O3·H2O)、水化石榴石 (Ca3AlFe(SiO2)(OH))、含水硅鋁酸鈉 (Na2O·Al2O3·1.68SiO2·1.73H2O)、鈣鈦礦 (CaTiO3)、羥鈣石Ca(OH)2)、方解石(CaCO3) 等，當中以赤鐵礦與水化石榴石含量高[2]。不同種類的赤泥也有著不同的成分，如拜耳法赤泥的鐵含量就遠高于其它兩種赤泥。見下表1。

表1 不同種類赤泥的成分

(三)赤泥的主要利用方式

由于當前人們對鋁和鋁合金的需求量不斷增大，氧化鋁的產量也不斷提高，赤泥也就大量出現，然而赤泥的利用率卻極低，導致了赤泥的大量堆積，總累積量已經達到了數億噸[3]。目前主要三種利用赤泥的方式：

1.用于制備建材。一可用于制備水泥，燒結法赤泥經過了1200℃高溫煅燒，其中含有大量的β-C2S，而β-C2S是水泥物相之一，有利于水泥的煅燒[4]；二可于生產磚塊，如王曉峰等人以拜爾法赤泥和煤矸石為主要原料制備出抗壓強度為10～15MPa并且滿足GB5101-2003要求的赤泥燒結磚。

2.回收有價金屬。赤泥中不僅含有大量的鐵、鋁等元素，還富含稀有金屬與稀土元素。赤泥一可用于回收鐵，拜耳法赤泥中Fe2O3的含量極高，陳志友等對拜耳法赤泥進行磁選處理，鐵精礦品位基本穩定在48.00%以上，最高可提高到52.00%[5]；二可用于提取稀有金屬，其工藝主要是是利用算酸侵出的方法，其中包括硝酸浸出、鹽酸浸出等。

二、蒸壓加氣混凝土概述

(一)蒸壓加氣混凝土特點

蒸壓加氣混凝土作為一種新型的輕質建材被廣泛的應用于生化中。它是以粉煤灰，硅尾礦等為主要硅質原料，石灰，水泥，鋼渣等為主要改制原料，石膏等作為摻和料，以鋁粉為主要發泡劑，并配穩泡劑與促泡劑，經攪拌后澆注，硬化后切割而后在蒸壓釜中高溫高壓養護而制成的一種多孔混凝土制品。其最大特點是質量輕，其容重在500～900kg/m3，孔隙率在70%～85%左右，與普通混凝土相比，質量僅為其的五分之一，較大程度上降低了建筑物的成本；其次是其保溫隔熱性能良好，由于其內部擁有大量的氣孔，其保溫隔熱效果極佳；由于其內部擁有大量空隙，也擁有著較好的吸音能力。

(二)蒸壓加氣混凝土的近期研究進展

加氣混凝土的研究一般是以粉煤灰為主要硅質原料，石灰與水泥為主要鈣質原料制備而成的，而在近期的研究中，專家學者們開始以各種固體廢料來代替粉煤灰。王長龍、喬春雨等利用煤矸石與鐵尾礦為主要原料，再配以水泥、石膏、石灰為輔料，利用鋁粉為發泡劑制備蒸壓加氣混凝土，制備出的試塊絕干密度為608 kg/m3、抗壓強度為3.64 MPa[8]。王青、許珂等利用石墨尾礦為主要硅質原料，并輔以水泥、生石灰、磷石膏、鋁粉等，制備得A5.0，B07級蒸壓加氣混凝土，并發現最適合生成托勃莫來石的鈣硅比為0.6[9]。彭軍芝對加氣混凝土的氣孔結構也進行了深入的研究，認為鋁粉顆粒細度在60μm～75μm、石灰宜采用細度8%～15%間、澆筑溫度在40℃～45℃時能夠節約能源和提升制品孔壁強度[10]。

三、赤泥在加氣混凝土中的應用

燒結法赤泥與聯合法赤泥中鈣硅含量極高，而鈣硅正是托貝莫來石生成的必備條件，所以這兩種赤泥應用于生產蒸壓加氣混凝土是可行的。吳波、張德成等人通過對赤泥進行成分分析并進行實驗，最后成功制備出符合國家標準的赤泥加氣混凝土砌塊，其最佳配比為赤泥：水泥：石灰：硅砂為15:14:37:34[11]。王瑞燕通過對赤泥-粉煤灰加氣混凝土進行研究，認為赤泥的高堿性有利于鋁粉發泡形成氫氣，以及形成赤泥加氣混凝土孔壁的主要物質是C-S-H凝膠和鈣礬石AFt[3]。賈韶輝，劉恒波等利用燒結法赤泥，再通過添加粉煤灰、生石灰、水泥等物料并用鋁粉發泡，制備出容重為592kg/m3，抗壓強度為4.4MPa的赤泥蒸壓加氣磚[12]。竇廣陵通過對赤泥加氣混凝土進行研究，發現通過蒸壓養護后強度有所提升，但在28d后強度發生了大幅度的降低，他認為鈣礬石受環境溫度影響較大，當環境溫度降低時，鈣礬石會發生分解，期內部網狀結構被破壞，強度降低[13]。郭暉、馬小娥等利用赤泥、粉煤灰、砂、水泥、生石灰為主要原料并用鋁粉發泡，利用蒸壓養護制備出容重、抗壓強度符合05級國標的加氣混凝土[14]。

赤泥：水泥：石灰：硅砂為15:14:37:34

四、結論

燒結法與聯合法赤泥中的β-C2S礦物使得赤泥具有一定的膠凝性，并且其中的鈣硅含量較高能夠有效的替代粉煤灰和生石灰充當硅源和鈣源，因此，燒結法赤泥與聯合法赤泥可以作為蒸壓加氣混凝土的主要原料。近年來蒸壓加氣混凝土已經成為社會上大力推廣的新型墻體材料，而赤泥的大量堆積缺無法解決，如果將赤泥應用于加氣混凝土的生產中不僅降低了成本，同時也緩解了環境的壓力，為鋁行業的可持續發展做出了貢獻，社會價值極高，因此研究赤泥作為主要原料生產加氣混凝土對赤泥的合理處理和節能減排有著重大的社會價值。唯一的不足之處是是拜耳法赤泥中的鈣硅成分極少，鐵鋁含量極高，這就限制了其在建筑領域的應用，也限制了赤泥的充分利用。