利用工业碱渣制备便道砖的研究

刘大成，刘艳娟，王仲军，葛伟青，李 悦，王亚飞

（唐山学院环境与化学工程系，河北 唐山 063000）

利用工业碱渣制备便道砖的研究

刘大成，刘艳娟，王仲军，葛伟青，李 悦，王亚飞

（唐山学院环境与化学工程系，河北 唐山 063000）

利用氨碱法生产纯碱产生的废弃物-碱渣为主要原料制备便道砖。研究表明：碱渣直接用于制备便道砖方案不可行，需对碱渣进行预处理；由碱渣、粘土和结合剂FM混合经700 ℃预处理，制成碱渣-粘土-FM复合料；复合料再与石粉、石渣、水泥等按复合料80%、石粉15%、石渣5%，水泥外加10%的配比，制得的便道砖7天强度为14.84 MPa，28天强度可达24.36 MPa。

工业废渣；碱渣；便道砖

0 引 言

纯碱是重要的基础化工原材料，广泛应用于建材、冶金、化工等工业。生产纯碱的主要方法有氨碱法、联碱法和天然碱法，我国以氨碱法生产纯碱为主。目前国内氨碱法生产纯碱工艺中，伴随纯碱会产生大量的废渣-碱渣[1]，这些碱渣的排放会对环境产生很大危害，为此需要对其进行处理，综合利用。

目前，工业废渣利用研究较多，其主要应用于建材方面[2,3]，作为工业废渣的碱渣制备水泥[4,5]、复合凝胶材料[6-9]等也取得了一定的成效，但仍存在技术和成本等问题，致使碱渣利用率不高。为扩大碱渣的利用范围、提高碱渣利用率，拟用碱渣为主要原料，制备便道砖，实现固体废弃物的综合利用和可持续发展。

1 实 验

1.1 实验主要原材料

本实验主要原料为碱渣、粘土、石粉、石渣及625普通硅酸盐水泥等。

表1 碱渣的化学组成Tab.1 Chemical composition of soda residue

碱渣为某氨碱法生产纯碱厂所产生的废渣，其组成见表1；粘土为某产地紫木节粘土，其组成见表2；石粉为制备混凝土用石子时产生的细颗粒废弃料。

1.2 实验主要仪器设备

本实验所用主要仪器设备有101-I型电热鼓风干燥箱(江苏南通县实验电器厂)、KSX箱式节能电阻炉(湘潭华丰仪器制造有限公司)、DYE-2000电液式压力试验机(北京路业科宇实验仪器有限公司)、NJ-160B水泥净浆搅拌机(北京市盛世通精密试验仪器厂)及KM-1快速研磨机(湘潭华丰仪器制造有限公司)。

1.3 实验方案

实验采用碱渣细粉为主要原料，经烘干、加入粘土细粉和结合剂对其进行混合包裹并进行预处理，再加入水、石粉等物料及水泥(胶结剂)配合料混合，经压力机加压制成试块，然后对其进行养护，测定养护3天、7天和28天的抗压强度。

2 实验结果与讨论

2.1 碱渣(未预处理)含量对碱渣制备便道砖强度的影响

未经预处理的碱渣、石粉、石渣及水泥等进行配料(参考工程实际取配方见表3)、混合、成型，经养护，测定试块3天、7天及28天强度，实验结果见表3。

因便道砖试块3天和7天强度均比较低，故除配方中没有碱渣的试块测定了28天强度外，其余未测定28天强度。

表2 紫木节粘土的化学组成Tab.2 Chemical composition of Zimujie Clay

表3 碱渣(未预处理)含量对碱渣制备便道砖强度的影响Tab.3 Effects of untreated soda residue content on strength of the prepared pavement brick

由表3可知，各种便道砖配方中，试样7天强度明显高于3天强度；除配方中不含有碱渣的情况外，碱渣含量为40%时3天强度最大，为3.83 MPa，碱渣含量为30%时7天强度最大，为6.23 MPa。就7天强度而言，碱渣含量为30%与40%相比差别不大。总体而言，强度随着碱渣含量增加而降低。

根据表3数据可得，制备便道砖配料中，碱渣的加入会显著降低3天、7天试块强度，即使是加入量不是太多，也会对便道砖强度产生较大影响，这说明碱渣本身没有强度，也不具有赋予制品强度的功能，碱渣的加入只会使便道砖的强度降低。为此，碱渣不经过预处理而直接应用于制备便道砖方案不可行。

2.2 碱渣预处理温度对碱渣制备便道砖强度的影响

碱渣经不同温度进行预处理，配合石粉、石渣和水泥，经混合、成型和养护，制得不同养护时间下的便道砖试块，测试强度。实验结果见表4。

考虑到最大量使用碱渣，实验配方中加大碱渣用量，减少石粉和石渣的用量，配比按不同温度下处理后的碱渣占80%、石粉占15%、石渣占G5%，水泥占10%(水泥加入量以其余物料总量外加计)执行。

由表4可见，不同预处理温度对碱渣制备便道砖的强度影响不同，当碱渣的热处理温度在800 ℃以下从低到高时，预处理温度提高对碱渣便道砖的强度有提高的作用，700 ℃与800 ℃预处理时的强度相差不大。800 ℃时7天强度8.45 MPa，28天强度13.98 MPa；当碱渣的预处理温度超过800 ℃时，碱渣制备便道砖的强度逐渐降低，这可能是由于当预处理温度达到900 ℃及以上时，碱渣中的碳酸钙分解为氧化钙和二氧化碳导致的。由预处理温度为700 ℃和800 ℃的情况可见，碱渣预处理温度在700 ℃至800 ℃为宜，且两温度下强度相差不大。另由表4可见，即使是预处理温度合适，碱渣制备便道砖的强度仍然不高，还需改进便道砖试块配方，提高便道砖的强度。

表4 碱渣预处理温度对碱渣制备便道砖强度的影响Tab.4 Effects of preheating temperature of soda residue on strength of the prepared pavement brick

表5 碱渣-粘土质量比对制备便道砖强度的影响Tab.5 Effects of mass ratio of soda residue to clay on strength of the prepared pavement brick

2.3 碱渣-粘土质量比对制备便道砖强度的影响

碱渣经干燥，与粘土细粉按一定的比例配合，于700 ℃预处理，制成碱渣复合料，按碱渣复合料占80%、石粉15%、石渣5%，水泥10%(水泥加入量以其余物料总量外加计)进行配合，经混合、成型和养护后测定试块强度，实验结果见表5。

由表5可见，当粘土与碱渣配合经700 ℃预处理后制得碱渣-粘土复合料，再与其他物料配比混合、成型养护后，所得便道砖强度较单纯碱渣经预处理后用于制得便道砖强度有较大提高，碱渣与粘土的配合比(质量比)为95∶5较为合理，用其制得的便道砖7天强度为10.30 MPa，28天强度可达18.16 MPa。

表6 碱渣-粘土-FM复合料对制备便道砖强度的影响Tab.6 Effects of composite material of soda residue, clay and FM on strength of the prepared pavement brick

2.4 结合剂含量对碱渣制备便道砖强度的影响

为了进一步提高以碱渣为主要原料制备的便道砖的强度，在上节研究的基础上，考虑加入其他结合剂来提高碱渣制备便道砖的强度。

碱渣经干燥，与粘土细粉及结合剂FM按一定的比例配料混合，于700 ℃预处理，制成碱渣-粘土-FM复合料，按碱渣-粘土-FM复合料占80%、石粉15%、石渣5%，水泥10%(水泥加入量以其余物料总量外加计)进行配合，经混合、成型和养护后测定试块强度，实验结果见表6。

由表6可见，随着结合剂FM加入量的增加，制得的便道砖试样7天和28天强度越来越高，当结合剂FM加入量在碱渣-粘土-FM复合料中占5%时，试样7天强度达14.84 MPa，28天强度可达24.36 MPa，具有较高的强度，考虑到结合剂用量及成本等问题，选取结合剂FM为5%。

可见，用碱渣为主要原料，制备便道砖较为合理的工艺方案为，碱渣-粘土-FM复合料配方为：碱渣90%、粘土5%和结合剂FM5%，此复合料经700 ℃预处理后按质量比占80%、石粉15%、石渣5%，水泥10%(水泥加入量以其余物料总量外加计)进行配合，经混合、压制成型和养护后制得的便道砖具有较高的强度，7天强度14.84 MPa，28天强度可达24.36 MPa。

随着结合剂FM加入量的提高，便道砖试块7天和28天强度都逐渐提高，其原因可能是由于随着结合剂FM加入量的提高，包裹在碱渣颗粒的表面，可以使碱渣颗粒之间直接接触面减少，因为碱渣本身不具有强度(前面的研究已经得到证实)，故结合剂FM的加入会使试块强度提高。此外，结合剂FM加入量提高可以更多地包裹在碱渣颗粒的表面，从颗粒的结合结构上，可实现在一定温度下结合剂同高强度的其它物料结合，从而提高了碱渣为主要原料的便道砖试块的强度。

3 结 论

碱渣直接用于制备便道砖方案不可行，需对碱渣进行预处理，较为合理的方案为碱渣、粘土和结合剂FM混合经700 ℃预处理，制成碱渣-粘土-FM复合料(配方为：碱渣90%、粘土5%和结合剂FM5%)，此复合料再与石粉、石渣、水泥等配合，经混合、压制成型和养护，得到强度较高的便道砖。配方为：按质量比经700 ℃预处理的碱渣-粘土-FM复合料占80%、石粉15%、石渣5%，水泥10%(水泥加入量以其余物料总量外加计)，所得便道砖7天强度为14.84 MPa，28天强度达24.36 MPa。

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Preparation of Pavement Brick from Soda Residue

LIU Dacheng, LIU Yanjuan, WANG Zhongjun, GE Weiqing, LI Yue, WANG Yafei
(Department of Environmental ＆ Chemical Engineering, Tangshan College, Tangshan 063000, Hebei, China)

Pavement bricks were prepared using soda residue from soda ash production by ammonia-soda process. The results showed that the idea of preparing pavement bricks with untreated soda residue directly was impracticable. A composite material could be prepared after pre-heating soda residue, clay and FM binder at 700 °C. pavement brick The 7 d and 28 d strength of the prepared could reach 14.84 MPa and 24.36 MPa respectively when it was made from the mixture of 80% composite material, 15% rock powder, 5% stone ballast, and 10% cement.

industrial solid waste; soda residue; pavement brick

TQ174.76

A

1000-2278(2014)06-0629-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.06.013

2014-06-28。

2014-07-21。

唐山市科技局项目(编号：13130222A)。

刘大成(1962-)，男，硕士，教授。

Received date: 2014-06-28. Revised date: 2014-07-21.

Correspondent author:LIU Dacheng(1962-), male, Master, Professor.

E-mail:hbtsldc@163.com