拜耳法赤泥基輕質保溫陶瓷的製備

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拜耳法赤泥基輕質保溫陶瓷的製備

摘要

：以拜耳法赤泥、玻璃粉和鉀長石為原料，採用可燃物燃盡發泡法制備了輕質保溫陶瓷。研究了不同煅燒溫度對試樣物理效能的影響，並對燒結試樣的微觀結構、物相以及鹼溶出進行了分析。結果表明：試樣最佳煅燒溫度為1070℃；試樣氣孔為閉口孔，呈密排六方分佈；主要物相是霞石，鹼溶出量很少。

關鍵詞

：拜耳法赤泥；輕質陶瓷；保溫

1 引言

赤泥是鋁土礦經一系列物理化學反應生產氧化鋁後剩餘的固體廢料。根據生產工藝的不同分為燒結法赤泥、拜耳法赤泥和聯合法赤泥。目前，每生產1t氧化鋁，赤泥排放量分別為：拜耳法0。9～1。3t，燒結法1。3～1。7t。我國80%左右的氧化鋁廠家排放的都是拜耳法赤泥，大多采用露天築壩堆存。拜耳法赤泥浸出液的pH值高，鹼性成分隨雨水滲透會造成周圍土地鹽鹼化和地下水汙染。另外，赤泥築壩堆存會形成庫面揚塵，汙染空氣，築壩高度的增加還會造成潰壩事故。同時，堆存造成赤泥中的有用資源得不到有效利用，造成了資源的二次浪費。因此，規模化、多渠道處理赤泥已經迫在眉睫。

輕質保溫陶瓷相對於有機保溫材料，具有使用壽命長，耐火安全係數高以及化學穩定性好等優點。

拜耳法赤泥Al2O3、SiO2等成分含量高，具備了生產陶瓷材料的基本條件。為了大規模利用拜耳法赤泥，本文以拜耳法赤泥為主要原料，摻加廢棄玻璃以及鉀長石，經過混料攪拌、澆注振搗、乾燥、燒成製備了輕質保溫陶瓷。該保溫材料拜耳法赤泥摻量高達70%，遠高於以往陶瓷類產品赤泥摻量，拓寬了赤泥利用的途徑，增加了輕質保溫建材的種類，具有經濟效益和環保效益。

2 實驗

2。1 原料與試樣製備

赤泥：焦作中州鋁業排放的拜耳法赤泥磨細，d50=5。855μm，d90=30。584μm；玻璃粉：焦作巡返玻璃廠廢料磨細，d50=34。799μm，d90=77。854μm；鉀長石粉：本地區市售，d50=26。028μm，d90=85。452μm。原料化學成分分析結果見表1。

表1 原料化學成分分析 /%

將拜耳法赤泥、玻璃粉、鉀長石按照重量比70%，20%和10%稱量，固體可燃物顆粒用量為3%，水料比為0。45，混合均勻，澆注振搗成型為40mm×40mm×160mm標準試件。在空氣中養護，脫模後放在恆溫乾燥箱中乾燥，完全乾燥後放入高溫爐，按照預先設定的升溫程式進行煅燒。

2。2 測試方法

Mastersizer 3000型鐳射粒度分析儀用於分析原料粒度，KSF-10-17高溫爐用於煅燒試塊，WDW-2C萬能試驗機用於測試煅燒後試塊抗壓強度，DSX510奧林巴斯顯微鏡觀察煅燒後試塊氣孔形貌及分佈，D8ADVANCE型X射線衍射儀分析試樣煅燒後的礦物組成，利用DRH-III導熱係數測試儀（平板法）測定試樣的導熱係數。

3 結果與討論

3。1 主要物理學效能

合適的煅燒溫度是試樣燒成與否的決定因素。在前期經驗的基礎上，選取了1040～1100℃為煅燒溫度範圍，梯度為30℃煅燒。輕質保溫陶瓷的主要物理學效能測試結果見表2，不同煅燒溫度的試樣形貌如圖1所示。

表2 輕質保溫陶瓷的物理學效能

圖1 不同煅燒溫度的試樣

（a）1040℃；（b）1070℃；（c）1100℃

結合表2和圖1可以看出，隨著煅燒溫度的升高，試樣的體積密度不斷增加，抗壓強度逐漸增大；且經觀察可知，試樣外觀的玻璃化程度增大。本實驗採用可燃物燃盡發泡法進行發泡，在固相反應進行之前，可燃物已經完全燃燒，試樣成為多孔狀。1040℃煅燒的輕質保溫陶瓷材料，雖然體積密度與熱導率低，但是吸水率過高，且抗壓強度低，可能是煅燒溫度低，孔壁未能形成連續燒結體；而1100℃煅燒試塊氣孔被熔融物填充，是因為煅燒溫度過高，遠超了原料的低共熔點，孔壁熔化，填充了氣孔。1070℃為最佳燒成溫度，該溫度下，孔壁形成了緻密連續的燒結體，且保持氣孔形態良好。1070℃煅燒樣品容重341。7kg/m3，抗壓強度0。40MPa，熱導率0。090W/（m·℃），物理學效能良好，達到了同類產品Ⅱ型建築保溫砂漿的物理效能要求。

3。2 燒結試塊形貌

多孔材料氣孔主要分為開口孔、閉口孔和連通孔，試樣氣孔的分佈與狀態對試塊力學效能和保溫效能有直接影響。試樣氣孔肉眼可見，因此選用超景深顯微鏡對1070℃燒結試樣進行氣孔分佈與狀態的觀察，其微觀及3D微觀影象如圖2所示。

從圖2a與b中可以看出輕質試塊中的氣孔主要為閉口孔，分佈均勻，氣孔平均直徑約為800μm，相鄰兩個氣孔之間的孔壁厚約150μm，相鄰四個氣孔交點處孔壁厚約350μm。本試驗採用的是可燃物燃盡發泡法，可燃物是直徑約1mm的微球，澆注振搗成型的過程中球狀發泡劑會形成穩定的排布，即後來的氣孔形成的排布情況，再根據2a與b觀察，試塊氣孔分佈與密排六方晶胞類似，堆積模型如圖2c所示，這種氣孔堆積密集，排布穩定，不僅可以增加試塊氣孔率，而且使試塊質量分佈均勻，力學效能穩定。

圖2 燒結試塊微觀形貌（a）微觀景深圖；（b）微觀3D圖；（c）氣孔堆積模型

3。3 燒結試塊鹼溶出及物相分析

赤泥基建材通常存在泛鹼問題，本實驗透過測量試樣煅燒前後去離子水浸出液的pH值表徵試塊的鹼溶出情況。將煅燒前後的試樣分別放入盛有500mL去離子水的燒杯中，用pH計測量去離子水的pH值隨時間的變化，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，煅燒前試樣的去離子水浸出液pH值迅速上升，在116min達到最高值，640min後pH值穩定在10。2，原因是未煅燒試樣中的鹼金屬氧化物以遊離態或者易溶出狀態存在，可以迅速溶出，與水反應生成強鹼，使去離子水溶液呈強鹼性。煅燒後試樣的去離子水pH值增長緩慢，浸泡3600min後pH值穩定在7。6，溶液接近於中性，可能是因為煅燒後生成新的物質，鹼金屬氧化物被固化在新生成的物質中，很難溶出，即使浸泡很長時間，也只有很少一部分溶出，因而可以判斷試樣在後期不會有泛鹼現象。

圖3 燒結前後試塊浸出液pH值圖4燒結試塊XRD圖譜

為進一步驗證固鹼效果，將1070℃煅燒樣塊磨細，進行了X射線衍射分析，測試結果如圖4所示。從圖4可以看出，燒結試樣主要物相有NaAlSiO4、Fe2O3、TiCaO3和C3A。NaAlSiO4是原料中的Na2O、Al2O3與SiO2在高溫反應生成的化合物，是強度的主要來源。另外，NaAlSiO4是架狀矽酸鹽礦物，結構穩定，結合鹼溶出試驗，可以判斷遊離Na2O被固化在NaAlSiO4中，該礦物可以抑制鹼溶出，有效解決泛鹼問題。

4 結論

（1）以拜耳法赤泥、玻璃粉和鉀長石為原料採用可燃物燃盡發泡法制備了輕質保溫陶瓷，拜耳法赤泥摻量為70%，最佳燒成溫度1070℃。燒成試樣容重341。7kg/m3，抗壓強度0。40MPa，熱導率0。090W/m·℃，物理學效能基本達到Ⅱ型建築保溫砂漿物理效能。

（2）試樣氣孔主要為閉口孔，直徑約800μm，呈密排六方分佈。

（3）煅燒後主要物相為NaAlSiO4，是強度的主要來源；原料中的遊離鹼經過煅燒後，固化在NaAlSiO4中，無泛鹼現象。

魏紅姍1，馬小娥1，管學茂1，張偉國1，黃昂2，李世華2

（1。河南理工大學材料科學與工程學院，焦作 454003；2。中國鋁業股份有限公司中州分公司，焦作 454000）

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