用工業(yè)廢渣與水泥生產(chǎn)免燒免蒸磚的工藝介紹
工業(yè)廢渣免燒免蒸磚(以下簡稱免燒磚)是以工業(yè)廢渣為集科,水泥、石灰等為膠結(jié)料,配以外劑壓制成型后,經(jīng)自然養(yǎng)護而成的。近年來,工業(yè)廢渣免燒磚在我國發(fā)展很快,已成為重要的新型墻體材料之一。
工業(yè)廢渣免燒磚與燒結(jié)磚相比因其利用工業(yè)廢渣,又不需燒結(jié)和蒸養(yǎng),生產(chǎn)成本比燒結(jié)磚低等;吃渣量大,社會、環(huán)境效益突出;棱角整齊,尺寸準確,抗壓強度高于7.5MPa;密實度在,吸水性小,耐久性能好。
1、生產(chǎn)工業(yè)廢渣免燒磚的原材料
生產(chǎn)工業(yè)廢渣免燒磚的原材料一般包括3大部分:工業(yè)廢渣、固化劑(水泥,石膏)和外加劑
1.1 工業(yè)廢渣
工業(yè)廢渣在免燒磚的生產(chǎn)中主要起集料作用。許多工業(yè)廢渣都可以用來生產(chǎn)免燒磚,包括:電廠粉煤灰,鋼廠礦渣,有色金屬治煉廠冶煉渣,各種礦業(yè)尾礦,電解銅潭,化學廢石膏及化學石灰,建筑廢磚,建筑垃圾等。
各種工業(yè)廢渣的化學成分、礦物成分、有害物質(zhì)及在利用時的正副作用都不盡相同,因此利用工業(yè)廢渣生產(chǎn)免燒磚時,應在分析各種廢渣的特性之后,根據(jù)其強度形成機理,制定出合理的配方。有的工業(yè)廢渣,在加入適量的固化劑和外加劑后,可以單獨用來制造免燒磚:如利用粉煤灰,加入河砂和石灰、石膏、水泥及復合的外加劑,生產(chǎn)出28d強度達到31MPa的工業(yè)廢渣免燒磚;又如,在經(jīng)過預處理的鉛鋅尾礦中,加入適量水泥和外加劑,制造出不低于MU10的工業(yè)廢渣免燒磚。而大部分研究是將幾種工業(yè)廢渣相互搭配,優(yōu)劣互補或優(yōu)勢協(xié)同來進行利用:例如現(xiàn)在秦晉之好較多的,是將粉煤灰和鋼渣結(jié)合起來制造免燒磚,粉煤灰和鋼渣中的活性成分在固化劑和外加劑的作用下得以激發(fā),滿足磚的強度要求。粉煤灰料徑比較小,單獨制磚缺少大顆粒的骨料作用。而具有較大粒徑分布的鋼渣,就可以滿足此條件,由此生產(chǎn)的免燒磚性能較優(yōu),如利用包鋼的粉煤灰和鋼渣制造出MU10-MU15的免燒磚。在確定工業(yè)廢渣免燒磚配方時,不但要盡可能地提高廢渣的摻量,同時應盡可能地利用各種廢渣本身有利于生產(chǎn)免燒磚的特性,從而盡可能地降低劑和外加劑的加入量,以有效降低磚的生產(chǎn)成本。
此外,有些工業(yè)廢渣因具有放射性,不宜或不能大量地用于制磚,使用前應先對其進行放射性檢測。有些工業(yè)廢渣如粉煤灰,使用前必須先進行預處理,除去草根及雜物,有的還需要研磨到需要的料徑后才能使用;又如轉(zhuǎn)爐排出的廢鋼渣,需先經(jīng)過磁選,剔除塊狀鋼塊后,再通過濕法球磨磨到需要的粒徑。
廢渣粒徑的大小決定生產(chǎn)工業(yè)廢渣免燒磚時是否需要另外再加入骨料。在工業(yè)廢渣免燒磚的配合料中,摻加適量顆粒級配合適的骨料,可防止磚分層,減少收縮,改善成型時磚坯的排氣性能,增加密實度,從而提高磚的強度和耐久性,并可節(jié)約膠結(jié)料用量,降低成本。
作為骨料的砂有河砂、山砂和海砂3種。因山砂具有銳利的棱角,能和水泥較好地結(jié)合,而使磚具有較高聽強度,所以選用山砂較好。不過一般能用于建材的砂,都可用于工業(yè)廢渣免燒磚的生產(chǎn)。事實上,有的廢渣本身就具有骨料的作用,如鋼廠產(chǎn)生 的鋼渣、煤矸石、礦業(yè)尾渣等。
1.2 固化劑
工業(yè)廢渣免燒磚的固化劑是指能將分散狀的各種原材料在物理、化學的作用下,固結(jié)成具有一定強度的膠結(jié)材料,如水泥、石灰、石膏等。
1.2.1 水泥
水泥在生產(chǎn)工業(yè)廢渣免燒磚時,既是膠結(jié)劑,又是活性激發(fā)劑。其有效硅酸二鈣和硅酸三鈣等成分對磚的初期強度和后期貢獻較大。一般選用高堿性的32.5普通硅酸鹽水泥。
水泥的加入量越多,對工業(yè)廢渣免燒磚的耐久性越有益;可是隨著水泥加入量的增大,磚的成本會隨著提高。為了降低成本,許多生產(chǎn)廠家試圖采用適當?shù)墓I(yè)廢渣相互配合或是借助外加劑的作用,在保證磚強度的前提下,盡量少加以至于不加水泥。 如在利用赤泥和粉煤灰制造免燒磚時,只加入一些堿性激發(fā)劑和硫酸鹽激發(fā)劑,磚的強度能達到MU15以上。
1.2.2 石灰
石灰熟化生成氫氧化鈣,對水泥的早期強度和后期強度均有重要的作用,它同時是工業(yè)廢渣免燒磚成型的膠結(jié)劑的膠結(jié)劑和堿性激發(fā)劑。但是有些工藝,特別是后期需采用蒸汽養(yǎng)護的工業(yè)廢渣免燒磚,利用熟石灰可以簡化工藝,減少磚在廠里停留的時間,縮短 磚及資金的周轉(zhuǎn)時間。
1.2.3 石膏
石膏是生產(chǎn)工業(yè)廢渣免燒磚的硫酸鹽激發(fā)劑,同時它和石灰能力協(xié)同效應,起著促進劑的作用,對工業(yè)廢渣免燒磚的強度起著直接和間接的作用。一般使用天然石膏效果較好,當然,為了降低成本,也可以使用工業(yè)化學石膏,如工業(yè)磷石膏。
在工業(yè)廢渣免燒磚的生產(chǎn)中,固化劑可以單獨使用,如水泥。而大多數(shù)情況下,視具體情況可將幾種固化劑結(jié)合起來使用,如將石灰和石膏結(jié)合使用,或是石膏、石灰、水泥一起使用,效果都不錯。當然,應用在工業(yè)廢渣免燒磚中的固化劑遠不止上面3種,還有 一些硫酸鹽類等。同時,一些工業(yè)廢渣(如堿渣等)也可以在磚的配合料中,充當激發(fā)劑的作用。
1.3 外加劑
工業(yè)廢渣免燒磚可以借助外劑來提高強度,改善性能,穩(wěn)定質(zhì)量。外加劑有很多種,用于工業(yè)廢渣免燒磚的主要有:塑化劑(即減水劑)、早強劑、抗凍劑等。
工業(yè)廢渣免燒磚配合料混合的均勻性會直接影響磚的最終強度。一般情況下,為了提高配合料的混合均勻度,除了加強攪拌外,加入減水劑能有效地增加配合料的流動性,大幅度減少拌合用水量,從而提高磚的密實度、強度、抗凍、抗?jié)B等性有也因此得到改善;另一方 面,由于減水劑的分散作用,使得各物料接觸的表面積增加,從而有利于提高反應機率。
生產(chǎn)工業(yè)廢渣免燒磚時,摻入的減水劑多是親水性的表面活性物質(zhì),常用的有木質(zhì)素類,如木質(zhì)素磺酸鈣等。早強劑是提高制品早期強度的外加劑,無論是無機鹽類、有機鹽類,還是無機--有機復合早強劑,他們都依靠加速配合料的水化速度來提高磚的早期強度。 使用較多的早強劑有氯化鈉、氯化鈣、三乙醇胺、乙酸胺硫鹽復合早強劑等。
另外,生產(chǎn)工業(yè)廢渣免燒磚時,幾種外加劑復合使用會產(chǎn)生協(xié)同效應,比單獨使用某種外加劑的效果更明顯。
2. 工業(yè)廢渣免燒磚的生產(chǎn)工藝
生產(chǎn)時注意事項如下:
?。?)如果用的是干料,需在輪碾時加入適量的水;如果料中本身已含有水分,視具體情況可不加或少加水。
?。?)陳化與否應視具體情況而定,一般使用生石灰作固化劑就需要陳化,而使用熟石灰則可以免去陳化過程。
?。?)如需要加水和水泥的,應在成型之前加入。
?。?)加水量、成型壓力等工藝參數(shù)對磚強度的影響比較大,相應的參數(shù)均需要通過試驗確定。
3. 強度形成的機理分析
工業(yè)廢渣免燒磚的強度主要來源于以下4個方面:(1)物理機械作用;(2)水化反應; (3)顆粒表面的離子交換和團料化作用;(4)相間的界面作用。
3.1 物理機械作用
生產(chǎn)工業(yè)廢渣免燒磚時,攪拌機和輪碾機對配合料的充分混合,有利外加劑對物料活性的激發(fā)和物料之間的反應,對磚的強度提高起到更要作用。
工業(yè)廢渣免燒磚的初期強度是在磚坯壓力成型過程中獲得的。成型不僅使磚坯具有一定的強度,同時由于原材料顆粒間緊密接觸,保證了物料顆粒之間的物理化學作用能夠高效進行,為后期強度的形成提供了條件。一般工業(yè)廢渣免燒磚成型壓力要求不低于20MPa。實驗結(jié)果表明
在其它條件相同時,工業(yè)廢渣免燒磚試件的強度隨成型壓力增加而提高;如果沒有高壓成型作用,即使加入水泥和石灰,也無法形成高強度。
3.2 水化反應
水泥、石灰等膠凝材料的水化產(chǎn)物提供工業(yè)廢渣免燒磚的早期強度,主要的水化反應如下:
3Ca0.SiO2+mH2O->xCaO.SiO2.yH2O+(3-x)CA(OH)2
2Ca0.SiO2+mH2O->xCaO.SiO2.yH2O+(2-x)CA(OH)2
4CaO.Al2O3.Fe2O3+7H2O->3CaO.Al2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.H2O
Ca0+H2O->Ca(OH)2
生產(chǎn)工業(yè)廢渣免燒磚的原料(如粉煤灰、粘土、爐渣)中,含有的大量活性氧化硅和活件氧化鋁等,在外加劑的作用下與氫化鈣發(fā)生水化反應,生成類似于水泥水化產(chǎn)物的水硬性膠凝物質(zhì):水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等,從而不斷提高磚的強度。反應式如下:
xCa(OH)2+SiO2+mH2O->xCaO.SiO2.nH2O(水化硅酸鈣)
xCa(OH)2+Al2O3+mH2O->xCaO.Al2O3.nH2O(水化鋁酸鈣)
另外,Ca(OH)2吸收空氣中的CO2生成CaCO3晶體結(jié)構(gòu),即:
Ca(OH)2+CO2->CaCo3+H2O
原料中如有石膏存在時,還有如下反應:
xCaO.AlO3.nH2O+CaSO2.2H2O->xCaO.Al2O3.(n+2)H2O(鈣礬石)
3.3 顆粒表面的交換和團料化作用
工業(yè)廢渣免燒磚顆粒物料在水分子的作用下,表面形成1層薄薄的水化膜,2個帶有水化膜作用下,一部分化學鍵開始斷裂、電離,形成膠體顆粒體系。膠體顆粒大多數(shù)表面帶有負電荷,可以吸附陽離子。而不同價、不同離子半徑的陽離子可以與反應生成的Ca(OH)2中的Ca2+等當量吸附交換。
由于這些膠體顆粒表面的離子吸附與交換作用,改變了顆粒表面的帶電狀態(tài),使顆粒形成了一個個小的聚集體,從而在后期反應中產(chǎn)生強度。
3.4 相間的界面反應
界面科學家認為一切化學都是從界面開始的。在工業(yè)廢渣免燒磚的強度形成過程中,有著液相與固相及氣相與固相之間的反應。比如加水后,水泥等發(fā)生的水化反應,就是液相和固相之間的反應;而配合料中的Ac(OH)2被空氣中的CO2碳化生成CaCO3的反應,就是氣相與固相間的反應。這些反應都
是從兩相的界面開始,不斷地深入,使磚的強度不斷增強。
綜上所述,配合料的充分混合和成型過程中的加壓,為磚的后期強度奠定了堅實的基礎;通過顆粒表面的離子交換和團料化作用、水泥和石灰的水解和原料間的水化反應及各相間的界面作用,生成的各種晶體交叉搭接在一起,形成空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu),使工業(yè)廢渣免燒磚的強度逐步增強。
4. 結(jié)語
據(jù)統(tǒng)計,日前利用工業(yè)廢渣生產(chǎn)免燒磚年產(chǎn)量正在以15%的速度增長。但是,在生產(chǎn)和使用中仍然存在不少問題。首先,一部分人的觀念中,始終不能真正地接受免燒磚,覺得磚需要經(jīng)過燒結(jié)其性能才可靠。其實不然,無數(shù)的實驗,如利用礦渣、粉煤灰制成的免燒磚,養(yǎng)護28d后性能到GB11945要求的MU25。
其次,現(xiàn)在許多生產(chǎn)工業(yè)廢渣免燒磚的廠家停產(chǎn)或倒閉,其大多是因為采用蒸養(yǎng)或者是沒有合適地利用廢渣,過多在加入外加劑,造成成本太高。為此,廣大的科研工作者應該幫助企業(yè)選擇合適的原料配比、工藝和設備,以提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。
編輯:姜立東
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