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收稿日期2019-07-16 基金项目江苏高校优势学科建设工程资助项目 （编号 PAPD） ， 南通市应用研究计划项目 （编号 JC2018115， JCZ18024） 。 作者简介唐伟佳 （1995） ， 男， 硕士研究生。通讯作者倪红军 （1965） ， 男， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 铝工业废渣制备免烧砖的力学性能研究 唐伟佳倪红军许茜吕帅帅汪兴兴 1 （南通大学机械工程学院， 江苏 南通 226019） 摘要在原铝生产、 铝材制备以及再生铝的回收利用过程中， 均会产生大量的废渣。迄今为止， 我国对铝工 业废渣的处置方式仍以堆积填埋为主。为解决铝工业废渣的堆积填埋而导致的环境污染和资源浪费， 开展了铝渣 制备免烧砖的可行性研究。系统研究了不同掺量的石灰、 石膏及水泥对铝渣免烧砖力学性能的影响规律， 对铝渣 免烧砖的微观形貌和矿物组成进行SEM和XRD分析。试验结果表明， 在65铝渣、 10石灰、 15石膏和10水 泥配合比条件下制得的免烧砖， 7 d抗压强度为17.31 MPa， 7 d抗折强度为2.61 MPa， 符合MU15级免烧砖的性能要 求； 免烧砖内部发生了明显的水化反应， 反应生成的CAH、 CSH和Aft是铝渣免烧砖力学性能的主要来源。 关键词铝渣免烧砖力学性能配合比 中图分类号TU522文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -07-211-05 DOI10.19614/ki.jsks.202007031 Study on Mechanical Properties of Non-fired Brick Prepared from Aluminum Industrial Slag Tang WeijiaNi HongjunXu QianL ShuaishuaiWang Xingxing2 （School of Mechanical Engineering， Nantong University， Nantong 226019， China） AbstractIn the process of raw aluminum production，aluminum preparation and recycling of recycled aluminum，a large number of waste slag would be produced，which is called aluminum industrial slag. Up to now，the disposal of aluminum industry slag in China is mainly stacking and landfilling. In order to alleviate the environmental problems caused by the accumulation of landfill slag from the aluminum industry and determine the feasibility of preparing aluminum slag to prepare non-fired brick，the effects of different addition amounts of lime，plaster and cement on the mechanical properties of aluminium slag non-fired brick were systematically studied. The micro-morphology and mineral composition of aluminium slag non-fired brick were analyzed by SEM and XRD. The results showed that the compressive strength of non-fired brick made from 65 aluminium slag，10 lime，15 plaster and 10 cement was up to 17.31 MPa in 7 days， and the flexural strength was up to 2.61 MPa in 7 days，which met the perance requirements of MU15 grade non-fired brick. Significant hydration reaction occurred inside the non-fired brick，CAH，CSH and Aft produced by hydration reaction were the main sources of mechanical properties of aluminium slag non-fired brick. KeywordsAluminium slag， Non-fired brick， Mechanical property， Mix proportion 铝是全球产量最大的有色金属， 是重要的战略 资源。2018年中国原铝产量近 4 000万 t ［1］， 仅 2018 年新产生的铝工业废渣 （简称铝渣） 就多达数百万t。 据统计， 我国每吨铝的电解、 熔铸及废铝再生等会产 生约30～250 kg的工业废渣 ［2-4］。由于资源化利用技 术还不成熟， 堆积和填埋仍是我国处置铝渣的主要 方式， 这不仅给生态环境造成了严重的污染， 也极大 地浪费了资源 ［5］。 目前， 国内外学者对铝渣的资源化利用开展了 大量的研究工作， 包括利用铝渣代替水泥掺入混凝 土 ［6］、 以铝渣为主要原料制备绝缘耐火砖［7］、 采用酸 溶法利用铝渣生产无机絮凝剂 ［8］、 利用铝渣中含有少 量单质铝的特性制备蒸压加气混凝土砌块 ［9］等等。 但是， 现有的资源化利用方法处置量小， 未能有效利 用大量堆存的铝渣。而利用胶凝材料固化/稳定化技 术制备免烧砖， 具有处置量大、 固化材料易得、 成本 低廉等优势， 是一种极佳的固废处置方法 ［10］。因此， 本研究拟以铝工业废渣为主要原材料， 研究添加剂 总第 529 期 2020 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 529 July2020 211 ChaoXing 对免烧砖的重要力学性能指标抗压强度和抗折 强度的影响， 以期获得一种较优的铝渣免烧砖配合 比， 为铝渣制备免烧砖的大规模应用提供理论依据。 1试验原料 （1） 试验所用铝渣取自江苏某再生铝企业， 为再 生铝熔炼过程中经高温炒铝而产生的废渣， 其主要 化学成分和粒径分布分别见表 1、 表 2， XRD图谱和 SEM微观形貌分别见图1、 图2。 由表1和图1可知， 该铝渣主要成分为Al2O3、 AlN 和 Al， 还含有少量的 AlO （OH） 和 SiO2。除上述物相 外， 铝渣中一般还包含一些其他金属 （如Fe、 Cu、 Mn 等） 的氧化物以及少量盐类。由表2及图2可知， 铝 渣颗粒相对独立， 颗粒之间无粘结， 棱角比较明显， 颗粒直径主要分布于75～180 μm， 粒径较小， 有利于 后续水化反应的进行。 （2） 石灰， CaO， 天津市致远化学试剂有限公司， 分析纯。 （3） 石膏， CaSO42H2O， 天津市致远化学试剂有 限公司， 分析纯。 （4） 水泥， 普通硅酸盐水泥， 诸城市杨春水泥有 限公司， P.O42.5。 2试验方法及仪器 2. 1试样制备 首先对铝渣进行初筛， 采用50目标准筛去除铝 渣中的大颗粒物和明显的杂质。然后放入反应釜 中， 按固液比1 ∶10添加超纯水， 100 ℃加热搅拌2～6 h， 进行水解除氮处理， 去除铝渣中大部分AlN， 发生 的化学反应见式 （1） 。将反应后的铝渣烘干并按设 计比例掺入添加剂混合均匀， 采用自制模具在一定 压力条件下压制成型， 砖块尺寸为40 mm40 mm 160 mm， 洒水自然养护。图3为成型模具， 图4为成 型试样。 AlN H2O → AlOH 3 NH3↑. （1） 2. 2表征 抗压和抗折强度测试按照国家标准 水泥胶砂 强度检测方法 （ISO 法） GB/T 176711999 ， 试验仪 器采用济南东方试验仪器有限公司生产的 YAW- 300C 型微机控制抗压抗折试验机。抗压强度试验 的力加载速度为2.4 kN/s， 抗折强度试验的力加载速 度为 0.05 kN/s。SEM 扫描电镜和 XRD 分析分别采 用日本日立公司的 HITACHI S-3400N型扫描电镜、 日本理学株式会社的 Rigaku D/max2550V 型 X 射线 衍射仪。 2. 3配合比设计 免烧砖的力学性能主要来源于以下两个方 面 ［11］ 一方面压制成型使颗粒间产生相对滑移， 小颗 粒填充在大颗粒间的孔隙内； 另一方面胶凝材料自 金属矿山2020年第7期总第529期 212 ChaoXing 唐伟佳等 铝工业废渣制备免烧砖的力学性能研究 身的水化反应以及激发剂与废渣中的活性成分发生 反应， 生成大量水化产物。石灰作为最常见、 最主要 的激发剂之一， 能够激发铝渣中的活性成分， 其掺量 多少会显著影响免烧砖的力学性能。为进一步提高 免烧砖的力学性能， 选择石膏和水泥作为另外2种添 加剂。试验配合比设计见表3， 水固质量比为0.2， 成 型压力15 MPa， 自然养护3 d、 7 d测试不同配合比条 件下免烧砖的力学性能。 3试验结果与讨论 3. 1石灰掺量对免烧砖力学性能的影响 石灰掺量对免烧砖抗压强度、 抗折强度的影响 见图5、 图6。 由图5、 图6可知， 抗压、 抗折强度变化规律基本 一致， 随着石灰掺量的增加均先增大后减小。当石 灰掺量为0时， 免烧砖无法成型， 无强度。这是因 为铝渣中主要活性物质为Al2O3， 在缺乏激发剂的条 件下不能显现出水化活性， 仅仅依靠压制成型的物 理作用使其以颗粒的形式结合在一起， 脱模时有明 显的粉末漏出。随着石灰掺量的增加， 免烧砖的抗 压、 抗折强度逐渐增大， 当石灰掺量为10时， 免烧 砖的抗压、 抗折强度达到了峰值。石灰反应放热的 同时， 在免烧砖内部形成了碱性环境， 在碱性环境 中， 激发了铝渣中的活性 Al2O3， 生成以水化铝酸钙 （CAH）为主的水化产物， 发生的化学反应见式 （2） ［12］。水化产物的生成使原本仅仅依靠物理作用 结合在一起的颗粒间产生胶结， 从而构成了强度。 然而， 随着石灰掺量的进一步增加， 免烧砖的抗压抗 折强度反而降低了， 可能的原因是石灰本身水化活 性有限， 与空气中CO2反应生成CaCO3而失效， 导致 免烧砖力学性能的降低， 发生的化学反应见式 （3） ［13］。 CaOH 2 Al2O3→ CaOAl2O3H2O， （2） CaOH 2 CO2→ CaCO3 H2O. （3） 3. 2石膏掺量对免烧砖力学性能的影响 石膏掺量对免烧砖抗压强度、 抗折强度的影响 见图7、 图8。 由图7、 图8可知， 抗压、 抗折强度变化规律基本 一致， 随着石膏掺量的增加均先增大再减小。当石 膏掺量为 15 时， 免烧砖的抗压、 抗折强度达到峰 值。在铝渣-石灰体系中掺入石膏， 即在 Al2O3-Ca （OH） 2体系中引入了SO 2 - 4 ， 可以加深水化程度， 反应 生成钙矾石 （AFt） ， 见式 （4） 。钙矾石具有良好的膨 胀性， 能够快速填充免烧砖内部空隙， 从而提高其力 学性能。而石膏的过量掺入， 多余的硫酸盐无法与 反应体系中的物质反应， 杂乱地分布于体系中， 一定 程度上降低了非烧结砖的强度 ［14］。 2020年第7期 213 ChaoXing CaOAl2O3H2O CaSO42H2O nH2O → CaOAl2O3CaSO4 n 3H2O. （4） 3. 3水泥掺量对免烧砖力学性能的影响 水泥掺量对免烧砖抗压强度、 抗折强度的影响 见图9、 图10。 硅酸盐水泥是胶凝材料最主要的组分， 由图9、 图10可以明显看出， 水泥对铝渣免烧砖力学性能的 影响程度最大。水泥硬化过程中， 一方面其中的硅 酸三钙 （3CaO SiO2） 等活性成分遇水水化， 生成大量 絮状CSH凝胶从而形成高强度； 另一方面， 水泥水化 后会产生更多的Ca （OH） 2， 为免烧砖中的活性成分提 供了更多的碱性环境， 促进水化反应的继续进行， 使 制品的强度进一步提高 ［15］。从图中可以看出， 随着 水泥掺量的增加， 免烧砖的抗压、 抗折强度均呈上升 的趋势。水泥掺量的不断增加显著提高了免烧砖的 力学性能。但考虑到试验的目的是试验铝渣的大批 量资源化利用， 水泥的大掺量增加固然能够提高免 烧砖的力学性能， 但会导致生产成本大大增加， 同时 也减少了废渣的利用率， 因此， 水泥掺量不宜超过 10。水泥掺量10时， 铝渣免烧砖7 d抗压强度达 到了17.31 MPa， 7 d抗折强度达到2.61 MPa， 满足 JC/ T 4222007 非烧结垃圾尾矿砖 MU15 强度等级的 要求。 3. 4微观形貌与物相组成分析 配合比为65铝渣、 10石灰、 15石膏和10 水泥条件下 （试验编号 T10） 自然养护 7 d 后试样的 SEM微观形貌见图11， X-射线衍射分析见图12。 由图11可以看出， T10配合比试样经过7 d自然 养护， 免烧砖内部发现了明显的水化反应， 生成了大 量的水化产物， 包括凝胶状无定形物和大量相互交 织的长杆状晶体， 结合图12的XRD图谱分析结果， 可以确定铝渣免烧砖的主要水化产物为水化硅酸钙 （CSH） 、 水化铝酸钙 （CAH） 和钙矾石 （AFt） 。这些水 金属矿山2020年第7期总第529期 214 ChaoXing 化产物搭接紧密， 使免烧砖内部结构更加致密。与 此同时， 体系内仍还有部分Al2O3未参与反应， 有待后 续养护继续参与反应， 从而进一步提高免烧砖的力 学性能。 4结论 （1） 配合比为 65 铝渣、 10 石灰、 15 石膏和 10水泥的铝渣免烧砖， 7 d自然养护后抗压强度为 17.31 MPa， 抗折强度为 2.61 MPa， 满足 非烧结垃圾 尾矿砖 （JC/T 4222007） MU15级免烧砖的性能要 求。 （2） 水泥是对铝渣免烧砖力学性能影响最大的 添加剂， 石灰和石膏则对铝渣免烧砖力学性能的影 响相对较小。 （3） 通过SEM和XRD表征， 可以发现免烧砖内部 发生了明显的水化反应， 主要水化产物为CSH、 CAH 和Aft， 这些水化产物增强了铝渣免烧砖的力学性能。 参 考 文 献 陈丁文.中国铝加工产业升级思考 ［J］ .有色金属加工， 2019， 48 （2） 1-3. 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