利用高鋁粉煤灰制備透水磚的研究

利用高鋁粉煤灰制備透水磚的研究

0氧化鋁的提取高鋁粉是近年來中國西部煤炭開發(fā)和應(yīng)用的一種新類型的粉煤灰。這種碳灰粉每年產(chǎn)生約1000萬噸的煤，嚴(yán)重污染了中國的氣候和水源。作為一種特殊的粉煤灰,高鋁粉煤灰中含鋁量高達(dá)50%左右,對于中國鋁礦日益短缺的狀況來說,從這種粉煤灰中積極提取氧化鋁服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)是節(jié)約資源、物盡其用的典范,氧化鋁提取之后剩余的硅鈣渣成分則是制備透水磚的重要材料,可以說,對高鋁粉煤灰的開發(fā)和使用是當(dāng)前中國工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐可持續(xù)發(fā)展道路的重要成果,也是保護(hù)環(huán)境、維持生態(tài)平衡的有效途徑,對于當(dāng)前中國工業(yè)轉(zhuǎn)型與改革來說起了優(yōu)秀的榜樣與帶頭作用。下面我們結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況對利用高鋁粉煤灰提取氧化鋁產(chǎn)生的硅鈣渣制備透水磚的技術(shù)加以研究。1硅鈣渣的開發(fā)利用高鋁粉煤灰中提取氧化鋁的技術(shù)有著國內(nèi)外眾多研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)積累,方法和技術(shù)都較多,一般主要以酸法、堿法和酸堿聯(lián)合法3種為主。這3種方法各具優(yōu)勢,對設(shè)備、工藝和成本要求不僅相同,在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要根據(jù)具體情況進(jìn)行具體選擇,不過,從工藝改進(jìn)、設(shè)備改進(jìn)、降低成本、降低能耗與污染、保護(hù)環(huán)境的角度分析,這些技術(shù)還有待于更一步的研究與實(shí)踐,更好地實(shí)現(xiàn)中國高鋁粉煤灰的綜合利用,成功發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。目前許多企業(yè)都在加強(qiáng)從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁的技術(shù)研究,比如內(nèi)蒙古地區(qū)呼和高特市的大唐國際托克托發(fā)電公司就根據(jù)高鋁粉煤灰中富含大量化鋁、氧化硅和氧化鈦的特性,選擇堿石灰燒結(jié)法和電熱法等工藝路線生態(tài)硅鈦合金,可以說開辟了粉煤灰循環(huán)利用的新途徑。但是該企業(yè)所使用的工藝將會(huì)產(chǎn)生大量的硅鈣渣,對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。在高鋁粉煤灰提取氧化鋁的過程中,會(huì)出現(xiàn)一種名為硅鈣渣的殘留物,作為提取氧化鋁后的產(chǎn)物,它的主要成分是硅酸二鈣。硅鈣渣顏色為米黃色略帶紅色,是固體粉狀物,具體化學(xué)成分見表1(大唐國際托克托發(fā)電公司樣本),從表中可以看出,硅鈣渣的主要化學(xué)成分為CaO、SiO2、Al2O3,另外還含有少量的Na2O、Fe2O3等。在高鋁粉煤灰提取氧化鋁后,大量的硅鈣渣殘留,平均每一噸粉煤灰至少會(huì)殘留一噸左右的硅鈣渣,這種殘?jiān)鳛楦咪X粉煤灰循環(huán)利用后的主要成分,不僅占用大量空間,造成環(huán)境污染,其中的堿性成分還會(huì)造成土壤堿化,可以說危害極大,如果不尋求合理有效的方式利用硅鈣渣,其造成的危害是極其巨大的,也會(huì)影響高鋁粉煤灰的循環(huán)利用與提鋁工藝的推廣與發(fā)展。所以,當(dāng)前尋找到一條有效的途徑去開發(fā)利用硅鈣渣,無論是從環(huán)境角度還是經(jīng)濟(jì)角度都十分迫切。關(guān)于硅鈣渣的應(yīng)用研究近年來一直持續(xù)深入,不少企業(yè)都在加強(qiáng)技術(shù)探索。比如安徽省冶金科學(xué)研究所使用硅鈣渣制造水泥,通過煅燒成功得到了性能合格的625號(hào)硅酸鹽水泥。這種應(yīng)用不僅合理控制了污染,而且?guī)砹丝陀^的經(jīng)濟(jì)效益,將環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展和諧統(tǒng)一,可以說是當(dāng)前硅鈣渣應(yīng)用和開發(fā)的成功嘗試。內(nèi)蒙古科技大學(xué)的李俠、張金山等人也使用粉煤灰添加硅鈣渣生產(chǎn)出了高強(qiáng)度的陶粒,并且發(fā)明了硅鈣渣增強(qiáng)瀝青混合料,極大地延長了瀝青路面的使用壽命。鄂爾多斯市陶爾斯陶瓷有限公司的祁慧軍等人利用硅鈣渣制造釉面磚,減弱了礦物原料緊缺性危機(jī),減少了硅鈣渣的排放,生產(chǎn)出節(jié)能型陶瓷產(chǎn)品,可以說,這些都是硅鈣渣應(yīng)用的成功嘗試。2硅鈣渣透水磚的制備工藝當(dāng)前關(guān)于硅鈣渣的應(yīng)用和技術(shù)開發(fā)已經(jīng)涌現(xiàn)出了眾多優(yōu)秀成果。這次研究的是應(yīng)用硅鈣渣制備透水磚的技術(shù)。所謂透水磚是一種具有較強(qiáng)滲透性能的鋪地磚,主要以無機(jī)非金屬材料制成,根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同,主要以燒結(jié)透水磚和免燒結(jié)透水磚兩種為主,這次應(yīng)用硅鈣渣制備的主要是免燒結(jié)透水磚。透水磚這種產(chǎn)品生態(tài)環(huán)保,它所具有的獨(dú)特滲透性能夠使得地面雨水快速滲透到地下,補(bǔ)充地下水,提升地表透氣性,對于改善城市地表植被生態(tài)平衡有很好的效果,具有降噪的作用,對于降低城市噪音污染有很好的作用,它憑借自身所擁有的透水性能能夠合理調(diào)節(jié)城市熱島效應(yīng),有利于城市內(nèi)部溫度和濕度的調(diào)節(jié)控制,變得更適宜人類居住?？傊?從這些優(yōu)勢性能來看,透水磚是一款前景非常好的產(chǎn)品,應(yīng)用硅鈣渣開發(fā)這種產(chǎn)品,無疑擁有非常廣闊的市場前景,經(jīng)濟(jì)收益也非常理想。免燒透水磚根據(jù)其膠凝材料不同,分為水泥型透水磚、樹脂型透水磚。其中,水泥型透水磚是以硅酸鹽水泥為膠凝材料、采用單一粒徑的骨料,不用或少用細(xì)骨料等配制而成,是本次研究中我們所嘗試的種類。硅鈣渣制備透水磚的技術(shù)工藝建立在對硅鈣渣物質(zhì)組成和礦物結(jié)構(gòu)充分了解的基礎(chǔ)上,在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行嘗試,具體步驟為硅鈣渣成分分析、設(shè)計(jì)配合比、制備透水磚并測試性能以及配合比優(yōu)化等,我們主要對制備過程加以分析探究。透水磚的組成材料主要為粗集料、膠凝材料和拌合水,根據(jù)不同性能要求,還需要添加少量的強(qiáng)劑、粘結(jié)劑、減水劑以及礦物質(zhì)摻合料等外加劑材料,硅鈣渣作為礦物摻合料制備透水磚,加入硅鈣渣能夠顯著提升透水性混凝土的強(qiáng)度,改善其耐久性。通常情況下,粗集料的粒徑不大于25mm,這樣既可保證所要求的孔隙率,又不會(huì)導(dǎo)致透水磚內(nèi)孔隙的孔徑過大;同時(shí)應(yīng)采用粒徑較小的單一粒級,常用的有5mm~10mm和2.5mm~5mm,此外粗集料還應(yīng)滿足強(qiáng)度和壓碎值等指標(biāo)要求。根據(jù)國內(nèi)外同類研究結(jié)果顯示,影響透水磚的主要因素是集料粒徑、水灰比、集膠比、礦物摻合料摻率等。以集料孔徑來說,單一粒徑的粗集料構(gòu)成了混凝土的骨架,水泥膠結(jié)漿體薄層包裹在粗集料顆粒的表面,作為集料顆粒之間的膠結(jié)層,從而形成骨架—孔隙結(jié)構(gòu)。當(dāng)對透水磚施加壓力時(shí),壓力在水泥漿薄層與粗集料之間傳遞。粗集料強(qiáng)度相對較高,水泥漿的強(qiáng)度較小并且水泥漿與粗集料之間的接觸面積較小,因此在施加壓力時(shí),透水磚往往在粗集料之間的粘結(jié)層處首先發(fā)生破裂。在粗集料強(qiáng)度、水泥強(qiáng)度一定的條件下,集料粒徑對于透水磚的抗壓強(qiáng)度有明顯的影響。選用粒徑較小的粗集料可以增加單位體積內(nèi)粗集料的數(shù)目,集料的比表面積和集料顆粒之間的膠結(jié)點(diǎn)的數(shù)目也會(huì)相應(yīng)增加,這實(shí)際上等于增加了有效承載面積,因而透水磚的抗壓強(qiáng)度得以提升。水灰比。透水性混凝土的水灰比決定著漿體的流動(dòng)性。水灰比大則漿體的流動(dòng)性大,被包裹的集料表面光滑,但漿體易流淌,堆積在試件的底部不利于形成連通孔隙。對于特定集料級配而言,如果加入了減水劑,水灰比范圍在0.20~0.35之間。集膠比。集膠比是指集料用量與膠凝材料用量的比例。基于對透水磚結(jié)構(gòu)模型的分析,選擇合適的集膠比,是保證透水磚具有相互連通孔隙的關(guān)鍵。當(dāng)膠凝材料用量一定時(shí),增大集膠比,集料顆粒周圍包裹的水泥漿厚度變薄,此時(shí)透水磚的孔隙率增加,但其抗壓強(qiáng)度會(huì)減小;減小集膠比,集料顆粒周圍包裹的水泥漿厚度增加,這樣透水磚的抗壓強(qiáng)度提高,但其孔隙率減小,透水能力降低。一般情況下,透水磚的集膠比應(yīng)控制在3~6之間。硅鈣渣摻率。由于目前國內(nèi)并沒有利用硅鈣渣制作透水磚的相關(guān)報(bào)道,因此硅鈣渣摻率并沒有硬性規(guī)定,此時(shí)可以借鑒粉煤灰、硅灰、礦渣微粉在透水性混凝土中的用量規(guī)定。在相關(guān)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)中,第一次實(shí)驗(yàn)我們選擇集料粒徑為2.5mm~5mm和5mm~10mm,水灰比為0.3、0.325、0.35、0.375四種水平,集膠比為3、4、5,根據(jù)第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果和操作過程中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),我們在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中逐步調(diào)整各因素的水平因子,通過控制變量的方法找到合適的水平范圍,從而獲得實(shí)驗(yàn)室制備硅鈣渣透水磚的合理配方。透水系數(shù)是透水磚最重要的指標(biāo)之一,根據(jù)JC/T945-2005透水磚標(biāo)準(zhǔn),通過一定時(shí)間內(nèi)透過試件的水量來計(jì)算出透水系數(shù)。結(jié)合國內(nèi)研究情況來看,在透水磚制備過程中,摻入硅鈣渣的同時(shí)添加一定量的減水劑,能使透水磚的抗壓強(qiáng)度提升,但是具體數(shù)值還需進(jìn)一步加強(qiáng)研究。硅鈣渣