工業(yè)廢棄物制備蒸壓磚的工藝研究

工業(yè)廢棄物制備蒸壓磚的工藝研究

碳粉是在火力發(fā)電過程中排放的固體殘渣。據(jù)估計,我國每年堆放的粉煤灰就有數(shù)百萬噸,不僅占用大量土地,而且嚴(yán)重污染環(huán)境。有用粉煤灰作為混凝土原料的部分替代品,可以改善混凝土的部分特性,諸如硬化水平、強(qiáng)度、干收縮等;也有報道粉煤灰制取玻璃陶瓷,但用量較小。目前,以粉煤灰為原料生產(chǎn)蒸壓粉煤灰磚具有成熟的工藝。但是,各生產(chǎn)企業(yè)所排放的粉煤灰中含碳量不同。若粉煤灰中含碳量過高將導(dǎo)致粉煤灰磚強(qiáng)度降低。粉煤灰可采用浮選法進(jìn)行脫碳,但脫碳后產(chǎn)生的殘渣仍采用遺棄堆置的處理方法,對環(huán)境造成二次污染。本文采用工業(yè)廢渣磷石膏替代天然石膏作硫酸鹽激發(fā)劑,利用脫碳粉煤灰為主要原料制備脫碳粉煤灰-磷石膏蒸壓磚。考察含有殘留浮選藥劑的脫碳粉煤灰制備墻磚的可能性,研究原料配比及制備工藝參數(shù)對磚強(qiáng)度性能的影響。1實驗1.1碳后灰石膏、生石灰脫碳粉煤灰(尾灰):貴州鋁廠粉煤灰經(jīng)浮選碳后的尾灰;石膏:貴州某磷肥廠磷石膏;生石灰:市售。有效CaO>80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));骨料:取自貴陽某石廠,粒徑10-15mm.1.2尾灰礦物組成分析按照GB176-1996《水泥化學(xué)分析方法》分析尾灰化學(xué)成分含量。采用KYKV-10008B型掃描電子顯微鏡(SEM)分析尾灰顆粒形貌。采用D/max-2200型X射線衍射分析儀(XRD)分析尾灰礦物組成。脫碳粉煤灰-磷石膏蒸壓磚樣品制備及強(qiáng)度檢測按JC239-2001《粉煤灰磚》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。1.3蒸壓磚的制備尾灰、磷石膏、石子和石灰按設(shè)定配比配料,干混,按水灰比0.23加水濕拌,壓制成為240mm×115mm×53mm的試塊,自然養(yǎng)護(hù)、蒸壓養(yǎng)護(hù)得到樣品。制備工藝流程見圖1.脫碳粉煤灰-磷石膏蒸壓磚的強(qiáng)度貢獻(xiàn)主要來源于蒸壓磚原料中的化學(xué)組分在蒸壓條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物,原料配比、成型壓力和養(yǎng)護(hù)條件是否合適是制得合格樣品的關(guān)鍵。因此,本實驗在單因素實驗基礎(chǔ)上分別就原料配比和成型養(yǎng)護(hù)條件對蒸壓磚強(qiáng)度的影響進(jìn)行正交試驗研究。因素水平表見表1和表2.2結(jié)果與討論2.1si2、s12o3含量脫碳粉煤灰和磷石膏的化學(xué)成分測定結(jié)果見表3.從表3可見,尾灰中SiO2、A12O3含量高,其次是Fe2O3。磷石膏中化學(xué)成分除了含有少量P2O5、F之外,與天然石膏基本相同,經(jīng)過石灰中和后,可以替代天然石膏作硫酸鹽激發(fā)劑加入到粉煤灰蒸壓制品中。2.2尾灰中礦物的性質(zhì)尾灰的SEM和XRD分析結(jié)果見圖2.從圖2(a)中可見,尾灰顆粒多呈規(guī)則圓形,顆粒中的沉珠有實心與空心兩大類?？招某林闅け谳^厚,粒徑較小,實心沉珠微珠表面光滑,粒徑更小。沉珠外形有罐狀、球狀、碗狀、粘聚狀、碎屑狀等?？傮w而言,尾灰中沉珠多為空心顆粒?？招某林橹虚g填充了許多的大小不一的微珠,有的類似于石榴,內(nèi)部分隔為許多的小空間,中間填滿了微珠。有的沉珠則出現(xiàn)空腔的現(xiàn)象。從圖2(b)中可見,尾灰中的晶體礦物主要有石英、莫來石、長石、赤鐵礦、白云石等。石英通常為α型,在常溫下少有活性,只有在蒸養(yǎng)或蒸壓條件下,才能與氧化鈣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng);尾灰中的部分A12O3以莫來石和Na2O·Al2O3·2SiO2形式存在,這種A12O3膠凝反應(yīng)活性低。位于2θ為15-35°區(qū)間的饅頭峰表明尾灰中存在含有硅和鋁的玻璃體。這些玻璃體尾灰潛在活性主要來源。2.3工藝條件對磚強(qiáng)度的影響骨料作為配比調(diào)整物料,按照1.3原料配比的正交設(shè)計和制備方法制備樣品,研究原料配比對磚強(qiáng)度的影響,工藝條件為:成型壓力15MPa,自然養(yǎng)護(hù)3d,蒸壓溫度175℃,保溫時間8h,實驗結(jié)果見表4.由表4的實驗數(shù)據(jù)極差分析可知,尾灰極差最大,其次是石灰,磷石膏。這表明尾灰摻入率對磚強(qiáng)度影響最大。由于成型工藝選用壓制成型,固體顆粒之間接觸緊密,有利于脫碳粉煤灰-磷石膏蒸壓磚中各成分在蒸養(yǎng)過程中充分反應(yīng),形成強(qiáng)度礦物。表4中樣品5的強(qiáng)度最高,達(dá)到17.5MPa.選取表4中樣品5的配比,按表3正交實驗設(shè)計條件進(jìn)行實驗,研究工藝條件對磚強(qiáng)度的影響。實驗結(jié)果見表5.由表5實驗數(shù)據(jù)可知,對脫碳粉煤灰-磷石膏蒸壓磚強(qiáng)度影響最大的工藝參數(shù)是蒸養(yǎng)溫度,其次是成型壓力,保溫時間和自然養(yǎng)護(hù)時間。這是由于蒸養(yǎng)溫度越高,越有利于尾灰與石灰、磷石膏之間的化學(xué)反應(yīng),加速水化進(jìn)程,從而生成更多的強(qiáng)度礦物,使脫碳粉煤灰-磷石膏蒸壓磚的強(qiáng)度增大。綜上,適宜原料配比為:尾灰70%,磷石膏3%,石灰10%,骨料17%,適宜的工藝條件為:成型壓力13MPa,蒸養(yǎng)溫度200℃,保溫時間10h,自然養(yǎng)護(hù)3d,在該制備工藝條件,磚的強(qiáng)度為17.5MPa,達(dá)到JC239-2001《粉煤灰磚》中MU15的強(qiáng)度指標(biāo)要求。2.4活性硅系統(tǒng)材料在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下,尾灰潛在活性被激發(fā)形成水化硅酸鈣。由于蒸汽壓力即溫度和濕度的作用,使磚坯發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。尾灰中含有硅和鋁的玻璃體在蒸壓條件下被氧化鈣和磷石膏中的硫酸鹽激發(fā),生成水化硅酸鈣和水化硫鋁酸鈣等強(qiáng)度礦物,使磚具有較高的強(qiáng)度。同時,磷石膏中的硫酸鹽可加速SiO2玻璃體與Ca(OH)2的水化反應(yīng),并促使水化硅酸鈣在蒸壓條件下部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶度較好托勃莫來石。由于托勃莫來石的結(jié)晶度大,收縮較小,所以制品的性能得到提高。托勃莫來石、水化硅酸鈣和水化硫鋁酸鈣等水化產(chǎn)物交互的錯生在制品中,從而提高了制品的強(qiáng)度,降低了制品的干燥收縮、碳化收縮和吸水率。3高聚物蒸壓磚的制備(1)脫碳粉煤灰顆粒多呈規(guī)則圓形,顆粒中的沉珠有實心與空心兩大類。脫碳粉煤灰中的晶體礦物主要有石英、莫來石、長石、赤鐵礦、白云石等。(2)采用含有殘留浮選藥劑的脫碳粉煤灰、以及磷石膏、石灰、骨料為原料,可以制備出強(qiáng)度較高的蒸壓磚。(3)在本實驗條件下,物料配比為脫碳粉煤灰70%,磷石膏