李南，陳晨，耿志濤，姜蔥蔥

（1.中信建筑設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014；2.山東恒信建筑設計有限公司，山東 濟南 250100；3.濟南大學，山東 濟南 250022）

0 引 言

赤泥是鋁土礦提取氧化鋁之后產生的固體廢渣。據統(tǒng)計，全世界氧化鋁工業(yè)每年產生的赤泥超過7000 萬t，而我國每年的赤泥排放量就高達3000 多萬t[1]。目前，赤泥的主要處理方式主要是筑壩堆存，不僅侵占大量的土地，而且會嚴重污染周邊的環(huán)境[2-3]，因此，亟待加強對赤泥的大規(guī)模資源化綜合利用技術的研究，以高效消耗大量堆積的赤泥，解決土地侵占和環(huán)境污染等問題。

目前的研究報道中，有效的赤泥利用途徑主要包括從赤泥中回收稀有金屬[4-6]、制備赤泥陶粒及防滲材料等[7-9]。同時利用赤泥為主要原料可生產免蒸燒磚、粉煤灰磚、裝飾磚及陶瓷釉面磚等[10-11]。但很多研究仍停留在實驗室階段，其工業(yè)化生產及大規(guī)模利用仍有很長的一段路要走。本文基于赤泥的組成特點，輔以粉煤灰、粘結劑等原料制備赤泥基發(fā)泡輕質保溫材料，固廢利用率高，生產工藝簡便，利于規(guī)?；a，為赤泥等固廢的大規(guī)模資源化利用提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

赤泥：山東某鋁廠副產品，紅色粉末狀；粉煤灰：山東某電廠副產品。赤泥和粉煤灰的主要化學成分如表1 所示。

表1 赤泥和粉煤灰的主要化學成分 %

粘結劑：自制，其主要組成為膨潤土、高嶺土和鉀長石，經復合配制而成。

水玻璃：天津市化學試劑廠生產，白色塊狀物，模數為1，可溶解于常溫水。

氟硅酸鈉：國藥集團化學試劑有限公司產，白色結晶或結晶性粉末，可溶于常溫水。

發(fā)泡劑：高效混合發(fā)泡劑，自制。

1.2 試驗方法

分別稱取一定量的赤泥、粉煤灰、粘結劑，將其粉磨至過100 目篩；用量筒量取一定量的發(fā)泡劑；將稱量好的原料倒入攪拌鍋中，加入特定量添加劑，攪拌均勻，再加入水玻璃和水，快速攪拌均勻，然后加入發(fā)泡劑，攪拌均勻，迅速倒入40 mm×40 mm×160 mm 的不銹鋼模具中，在自然條件下養(yǎng)護一段時間脫模，獲得標準的試樣坯體；將制備的試樣坯體放入高溫燒結爐中，調節(jié)升溫速率、保溫時間，到達設置的溫度后自然冷卻，即可獲得標準的試樣。對試樣的密度、強度及導熱系數等性能進行測試分析。

2 結果與討論

2.1 最佳原材料配比的確定

以赤泥、粉煤灰為主要原料，經發(fā)泡、燒結等工藝制備赤泥發(fā)泡輕質保溫材料，試驗配比如表2 所示。不同原材料配比對赤泥發(fā)泡輕質保溫材料密度、抗折及抗壓強度的影響如圖1 所示。

圖1 原材料配比對試樣強度和密度的影響

表2 赤泥發(fā)泡輕質保溫材料配合比

由圖1 可見：

（1）試樣的密度隨著赤泥用量的增加而增大。這是由于隨著赤泥用量的增加，粉煤灰用量出現不足，不能與赤泥發(fā)生反應生成莫來石等產物，從而產物間的空隙較少，形成新的產物較少，為物理堆積，從而隨著赤泥用量的增加，密度增大。

（2）隨著赤泥用量的增加，粉煤灰用量的減少，抗折、抗壓強度呈現先提高后降低的趨勢。這是因為試驗中加入粉煤灰，增加了SiO2和Al2O3的含量，生成較多的莫來石，提高了材料的強度。同時，高溫下SiO2與鈣、鈉能夠形成鈣鋁榴石、鈉長石等新的晶相，鈣鋁榴石硬度較高、結構致密、柔韌性良好，鈉長石可以提高強度，從而提高了材料的整體強度[12-14]。當m（赤泥）∶m（粉煤灰）小于10∶8，隨著赤泥用量的增加，粉煤灰的量相對充足，可以與粉煤灰充分反應，內部生成致密的網狀結構，使其承載作用增加，提高了試樣的抗折與抗壓強度，當m（赤泥）∶m（粉煤灰）=10∶8 時，試樣強度達到最高；當m（赤泥）∶m（粉煤灰）大于10∶8 時，隨著赤泥用量的繼續(xù)增加，粉煤灰的量不足，試樣內部不能充分反應，生成的鈣鋁榴石、莫來石、鈉長石減少，在試樣內部不易形成網狀結構，其承載能力降低，相應地會降低試樣的強度，并且隨著赤泥摻量進一步增加，其強度會進一步降低，綜合性能較差。綜合上述試驗，考慮赤泥利用率、試樣各性能等因素，確定了最佳比例為m（赤泥）∶m（粉煤灰）=10∶8。

2.2 發(fā)泡劑用量對赤泥發(fā)泡輕質保溫材料性能的影響

在m（赤泥）∶m（粉煤灰）=10∶8 的基礎上，探究發(fā)泡劑用量對赤泥發(fā)泡輕質保溫材料性能的影響，試驗方案如表3 所示。發(fā)泡劑用量對試樣密度、抗折及抗壓強度影響如圖2 所示。

圖2 發(fā)泡劑用量對試樣強度和密度的影響

表3 不同發(fā)泡劑用量的試驗方案

由圖2 可見，隨著發(fā)泡劑用量的增加，赤泥發(fā)泡輕質保溫材料的密度及抗折、抗壓強度均降低。這是由于發(fā)泡劑用量增加，使料漿內形成的封閉氣孔增加，密度降低。大量氣孔的存在使試樣內部結構變得疏松，致使所制備試樣強度降低。綜合考慮，發(fā)泡劑的適宜用量為6 mL，此時試樣密度相對較小，抗折、抗壓強度較高，符合試驗要求。

2.3 燒結溫度對赤泥發(fā)泡輕質保溫材料性能的影響

在m（赤泥）∶m（粉煤灰）=10∶8，發(fā)泡劑用量為6 mL 的基礎上，探究燒結溫度對赤泥發(fā)泡輕質保溫材料性能的影響，試驗方案如表4 所示。

表4 不同燒結溫度的試驗方案

燒結溫度對試樣的性能有較大的影響。試驗采用的赤泥中SiO2含量高，高溫下容易與CaO、Na2O 和Fe2O3生成玻璃相，在一定的范圍內隨著燒結溫度升高，形成的玻璃相增加，可以粘結顆粒形成網狀結構，在表面張力和毛細管力的作用下填補試樣缺陷。同時，高溫下鈣、鈉、鋁等同SiO2可以形成鈉長石、鈣鋁榴石等新的晶相，鈣鋁榴石硬度高、結構致密、柔韌性好，可提高強度，鈉長石也可增加強度。試驗中燒結溫度在1110 ℃以上，SiO2從α-石英轉轉為α-鱗石英，α-石英的反應活性比α-鱗石英低，較高的活性更易形成硅酸鹽復合物，利于玻璃固化反應。原材料K2O、Na2O 的熔點較低，在燒結初期熔化成液相，在700~900 ℃同SiO2、Al2O3等結合制備出共融化合物，提高試樣強度。在450~600 ℃，CaO 同Fe2O3反應生成鐵酸鈣，從而達到提高強度的目的[15-17]。

不同燒結溫度下試樣表面形貌如圖3 所示。

圖3 燒結溫度對試樣表面形貌的影響

由圖3（a）、（b）可見，燒結溫度較低時，試樣內部不能充分發(fā)生化學反應，表面出現少量孔洞，燒制的試樣出現欠燒現象，相應地試樣強度較低；燒結溫度繼續(xù)升高，試樣內部發(fā)生充分反應，試樣表面平整度較高、質量較輕、表觀密度較小，燒出的試樣性能較好，如圖3（c）所示；當燒結溫度進一步升高時，試樣顏色變黑，表面出現少量裂紋及大量凹陷，此時燒結溫度過高，試樣出現過燒現象，如圖3（d）所示。由上述試驗可知，最佳燒結溫度為1150 ℃。

2.4 保溫時間對赤泥發(fā)泡輕質保溫材料性能的影響

探究保溫時間對赤泥發(fā)泡輕質保溫材料性能的影響，試驗方案及性能測試結果如表5 所示。

表5 不同保溫時間的試驗方案及性能測試結果

保溫時間對試樣性能有一定的影響。當保溫時間過短，試樣出現欠燒的現象，試樣表面的瓷質不均勻或不能完全生成，不能生成表面的玻璃態(tài)。由表5 可見，保溫時間越長，試樣強度越高，密度相對增大。這是因為保溫時間較短時，試樣內部的液相還沒有完全生成，瓷質不均勻，試樣強度不高，而且表面玻璃化也不明顯，表面粗糙。保溫時間過長時，雖然液相生產量較多，表面的玻璃態(tài)過多，密度有較大增加，成品出現少量的凹孔，試樣變形。由于赤泥中SiO2的量較大，對表面玻璃態(tài)的形成以及瓷質的產生有較大的阻礙作用，保溫時間應稍延長一些。綜上所述，試驗保溫時間以120 min為宜。

2.5 微觀形貌分析

圖4 為最佳工藝條件下赤泥發(fā)泡輕質保溫材料的SEM照片。

圖4 赤泥輕質保溫材料的微觀形貌

由圖4 可見，赤泥發(fā)泡輕質保溫材料內部由氣孔和孔間壁2 部分組成，材料內部孔結構比較復雜，既有封閉氣孔，又有開放氣孔。赤泥發(fā)泡輕質保溫材料是由泡沫分散在赤泥漿體中，通過膠凝作用固泡形成。試驗采用化學發(fā)泡的方法，其發(fā)泡機理是：發(fā)泡劑與已配好的料漿在攪拌及澆筑過程中發(fā)生化學反應，釋放出氣體。隨著化學反應的進行，氣泡的數量不斷增加，氣泡周圍的氣壓隨著氣泡的增加而增大，氣壓作用在料漿上，當料漿的極限切應力小于氣壓產生的切應力時，隨著氣泡尺寸的增大，料漿膨脹，試塊體積增加。在最佳的試驗配比和最優(yōu)的工藝條件下，料漿中氣泡均勻地分散，料漿膨脹及其凝結速率與發(fā)泡劑的發(fā)泡速率相同，隨著發(fā)泡反應的結束，料漿的膨脹從而停止[18-19]。綜上所述，料漿膨脹、凝結過程的本質就是氣泡產生和長大的過程。

3 結 論

以赤泥、粉煤灰及粘結劑為原料，經發(fā)泡、燒結等工藝制備了赤泥發(fā)泡輕質保溫材料。試驗最終確定赤泥發(fā)泡輕質保溫材料的配比為：m（赤泥）∶m（粉煤灰）=10∶8，粘結劑10%，發(fā)泡劑6 mL。最佳工藝條件為：燒結溫度為1150 ℃，保溫時間為120 min。制備的赤泥發(fā)泡輕質保溫材料的密度為479 kg/m3，抗折強度為0.41 MPa，抗壓強度為1.15 MPa，導熱系數為0.09 W（/m·K）。本研究赤泥利用率高，制備的輕質保溫材料具有廣闊的應用前景。