摘要：廢舊鋰電池濕法回收會產(chǎn)生鐵鋁礬渣、碳酸鈣渣等大宗工業(yè)固廢，其處理難度大，危害大，容易污染環(huán)境。本文以鐵鋁礬渣、碳酸鈣渣和頁巖等為原料，制備輕質(zhì)環(huán)保陶粒、陶粉，再以陶粒、陶粉、水泥、脫硫石膏、粉煤灰、鋁粉膏等為原料，制備陶粒發(fā)泡混凝土砌塊，研究不同因素對陶粒發(fā)泡混凝土性能的影響。結(jié)果表明，當陶粒摻量為25%，陶粉摻量為5%，脫硫石膏摻量為5%，水泥用量為25%，粉煤灰用量為40%，鋁粉膏摻量為0.26%，蒸汽養(yǎng)護溫度為80 ℃，蒸汽養(yǎng)護時間為9 h時，制備的陶粒發(fā)泡混凝土砌塊28 d抗壓強度為5.1 MPa，吸水率為17%。本研究為鋰電池回收行業(yè)固廢資源化、高值化利用探索出一條新方法。

關(guān)鍵詞：廢舊鋰電池；固廢；陶粒；陶粒發(fā)泡混凝土

中圖分類號：X789 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）02-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.02.003

Experimental study on preparation of ceramsite foam concrete block

——Taking the solid waste generated from the recycling of waste lithium batteries as the main raw material

YANG Chen， CHEN Huan， ZHANG Yinliang， HE Jiang

（Hunan Zhongbang Renewable Resources Technology Co.， Ltd.， Changsha 410600， China）

Abstract： Wet recovery of waste lithium batteries will produce large quantities of industrial solid wastes such as alum slag and calcium carbonate slag， which are difficult to treat， harmful and easy to pollute the environment. In this paper， light and environment-friendly ceramsite and ceramic powder are prepared with ferroalum slag， calcium carbonate slag and shale as raw materials， and then ceramsite foam concrete blocks are prepared with ceramsite， ceramic powder， cement， desulfurized gypsum， fly ash and aluminum powder paste as raw materials， and the effects of different factors on the properties of ceramsite foam concrete are studied. The results show that when the content of ceramsite is 25%， the content of ceramic powder is 5%， the content of desulfurized gypsum is 5%， the content of cement is 25%， the content of fly ash is 40%， the content of aluminum powder paste is 0.26%， the steam curing temperature is 80 ℃， and the steam curing time is 9 hours， the 28-day compressive strength of the prepared ceramsite foam concrete block is 5.1 MPa， and the water absorption is 17%. This study explores a new method for solid waste recycling and high-value utilization in lithium battery recycling industry.

Keywords： waste lithium battery; solid wastes; ceramsite; ceramsite foam concrete

隨著新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)模急速擴大，新能源汽車保有量逐年攀升，第一批新能源汽車報廢期到來，大量廢舊鋰電池需要進行回收利用[1]。目前，廢舊鋰電池回收工藝以能耗低、裝備簡單的濕法冶煉為主，而濕法回收過程則會產(chǎn)生大宗工業(yè)固廢，其中又以鐵鋁礬渣、碳酸鈣渣為主，這類固廢存在處理難度大、危害大、環(huán)境污染等突出問題，當前急需尋找一條此類固廢資源化、無害化利用的新途徑。隨著國家節(jié)能降耗政策的推廣，高耗能的落后產(chǎn)能逐步被淘汰，加氣混凝土砌塊、陶粒發(fā)泡混凝土砌塊等輕質(zhì)建材產(chǎn)品得到加速發(fā)展[2-5]。與普通混凝土砌塊相比，此類產(chǎn)品具有自重輕、保溫隔熱性能好、環(huán)保節(jié)能等特性，被廣泛應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域[6-8]。本文結(jié)合鋰電池回收產(chǎn)生的固廢鐵鋁礬渣、碳酸鈣渣的物化特性，以鐵鋁礬渣、碳酸鈣渣、頁巖等為原料制備輕質(zhì)環(huán)保陶粒[9]、陶粉，再以陶粒、陶粉、水泥、脫硫石膏、粉煤灰、鋁粉膏等為原料制備陶粒發(fā)泡混凝土砌塊，并確定制備陶粒發(fā)泡混凝土的最優(yōu)配合比。

1 試驗

1.1 原材料

制備陶粒發(fā)泡混凝土的原材料包括水泥、發(fā)泡劑、陶粒、陶粉、粉煤灰、脫硫石膏和水。其中，水泥選用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，發(fā)泡劑為鋁粉膏，陶粒、陶粉由湖南中邦再生資源科技有限公司自產(chǎn)，脫硫石膏為陶粒和陶粉生產(chǎn)過程的副產(chǎn)品，粉煤灰的具體成分如表1所示。

1.2 陶粒、陶粉的制備配方及性能

1.2.1 制備陶粒與陶粉的原材料

鐵鋁礬渣為長沙市某廢舊鋰電池回收企業(yè)濕法冶煉過程中產(chǎn)生的廢渣，化學成分如表2所示。頁巖來源于益陽市某礦山，化學成分如表3所示。膨脹劑碳酸鈣渣為該廢舊鋰電池回收企業(yè)濕法冶煉過程中產(chǎn)生的廢渣，化學成分如表4所示。

1.2.2 陶粒與陶粉的技術(shù)性能

各原料配方均取前期試驗較優(yōu)條件，通過燒制得到合格陶粒產(chǎn)品。根據(jù)《輕集料及其試驗方法 第2部分：輕集料試驗方法》（GB/T 17431.2—2010），測得輕質(zhì)陶粒等級為400級，即堆積密度小于400 kg/m3、筒壓強度大于1.0 MPa，吸水率小于10%。

陶粉為鐵鋁礬渣和碳酸鈣渣經(jīng)配料混勻，然后高溫燒制并研磨的產(chǎn)物。根據(jù)《輕集料及其試驗方法 第2部分：輕集料試驗方法》（GB/T 17431.2—2010），測得陶粉體積密度為1 100～1 200 kg/m3，吸水率為5%～8%。

1.3 陶粒發(fā)泡混凝土砌塊制備試驗配合比及技術(shù)性能

1.3.1 陶粒發(fā)泡混凝土砌塊制備

先按照配合比將稱量后的水泥、陶粒、陶粉、粉煤灰、脫硫石膏、水混合，制得漿料，再將鋁粉膏加入漿料內(nèi)，快速攪拌30 s，然后將吸水飽和的陶粒加入漿料中攪拌15 s，再將其注入平面尺寸100 mm×100 mm的試驗?zāi)＞咧校?0 ℃溫度下蒸養(yǎng)9 h，最后脫模切割。將粉煤灰作為主要原料，確定脫硫石膏5%、陶粒25%的摻量不變，通過調(diào)節(jié)水泥、陶粉的用量，利用鋁粉膏發(fā)泡，制備低容重、低成本、高強度的砌塊，并分析上述三種物料變化對砌塊性能的影響。具體配合比如表5所示。

1.3.2 陶粒發(fā)泡混凝土的技術(shù)性能

依據(jù)《陶粒發(fā)泡混凝土砌塊》（GB/T 36534—2018），開展陶粒發(fā)泡混凝土測試，測試指標包括干密度、抗壓強度、吸水率等。

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥用量對陶粒發(fā)泡混凝土砌塊干密度及吸水率的影響

經(jīng)自然養(yǎng)護28 d后，不同配合比砌塊的干密度與吸水率檢測數(shù)據(jù)如表6所示。由表6可知，水泥用量從20%增加到30%時，砌塊的干密度變化較小，且密度等級均屬于800級，推定水泥用量對砌塊干密度的影響較??；吸水率隨著水泥用量的增加而逐漸降低，因為隨著水泥用量增加，水化產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)越多，其與填充的粉煤灰結(jié)合越致密。

2.2 陶粉摻量對陶粒發(fā)泡混凝土砌塊干密度及吸水率的影響

由表6可知，當水泥用量固定時，砌塊的平均干密度隨陶粉摻量的增加呈先增大后減小的趨勢，陶粉摻量為5%時，干密度達到最大。適當加入陶粉替換部分粉煤灰，有利于增加物料的流動性，減少顆粒間的阻力，使得砌塊干密度增加。砌塊吸水率隨著陶粉摻量的增加而逐漸升高，主要原因是陶粉本身吸水率較高，摻入越多，砌塊吸水率越高。

2.3 水泥用量對陶粒發(fā)泡混凝土砌塊抗壓強度的影響

經(jīng)自然養(yǎng)護28 d后，不同配合比砌塊的抗壓強度檢測數(shù)據(jù)如表7所示。由表7可知，陶粉摻量相同時，砌塊的抗壓強度隨水泥用量的增加而提高。經(jīng)分析，在一定范圍內(nèi)，水泥用量增加，物料中的水化產(chǎn)物增多，膠凝材料增加，提高了砌塊的抗壓強度。根據(jù)砌塊的干密度等級，抗壓強度應(yīng)符合MU5.0等級要求。水泥用量為20%時，砌塊強度不符合要求；水泥用量為20%時，僅摻入5%陶粉的一組符合要求；水泥用量為30%時，砌塊強度均符合要求。

2.4 陶粉用量對陶粒發(fā)泡混凝土砌塊抗壓強度的影響

由表7可見，水泥用量固定時，砌塊抗壓強度隨陶粉用量的增加先增大后降低，陶粉用量為5%時，砌塊抗壓強度達到最大。研究表明，Na--2SO4可作為粉煤灰激發(fā)劑，促進砌塊水化反應(yīng)，提高粉煤灰活性，提高砌塊的抗壓強度，Na--2SO4摻量為2.5%時，激發(fā)效果達到最大[10]。Na--2SO4摻量超過2.5%時，超出部分會與水泥中的Ca（OH）2、水化產(chǎn)物等反應(yīng)，最終形成鈣礬石，降低砌塊抗壓強度。陶粉中含有部分Na--2SO4，砌塊中陶粉摻量為5%時，Na--2SO4含量最接近2.5%，砌塊強度達到最大。

2.5 發(fā)泡劑摻量對陶粒發(fā)泡混凝土砌塊性能的影響

取B2砌塊試樣繼續(xù)試驗，將砌塊中鋁粉膏摻量從0.13%分別提高到0.26%和0.39%。由表8可知，砌塊的干密度與抗壓強度隨著發(fā)泡劑摻量增加而降低。經(jīng)分析，發(fā)泡劑摻量的增加會引起氣泡數(shù)量的增加，砌塊體積增大，干密度減小，抗壓強度相應(yīng)降低。

3 結(jié)論

經(jīng)試驗驗證，將鐵鋁礬渣、碳酸鈣渣等工業(yè)固廢制備成陶粒和陶粉并應(yīng)用于陶粒發(fā)泡混凝土砌塊中的思路切實可行。試驗結(jié)果表明，當水泥用量一定時，隨著陶粉摻量逐漸增加，陶粒發(fā)泡混凝土砌塊抗壓強度先提高后降低。當陶粉摻量為5%時，砌塊抗壓強度達到最大。隨著水泥用量的增加，砌塊抗壓強度不斷增加，但制備成本也相應(yīng)增加，綜合考慮，水泥用量取25%較為適宜。當發(fā)泡劑摻量為0.13%～0.26%時，可制備出低容重、低成本、高強度的砌塊，抗壓強度達到MU5.0等級要求。

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