粉煤灰提铝残渣、脱硫石膏、矿渣制备轻质保温板试验研究*

金 彪，汪 潇，杨留栓，2

（1.河南城建学院材料与化工学院，河南平顶山467036；2.河南科技大学材料科学与工程学院）

粉煤灰提铝残渣是采用酸溶法［1-2］、碱石灰烧结法［3］或酸碱联合法提取Al2O3后的尾渣。提铝工艺使得粉煤灰颗粒表面严重腐蚀，玻璃微珠结构受到严重破坏，导致比表面积大、颗粒细小、疏松多孔［4］，因此该尾渣具有较高的活性。粉煤灰提铝残渣综合利用方式主要有生产水泥［5-7］、制备蒸压砖［8］、生产陶粒［9］、增强沥青混合料［10］等建筑材料方面。 脱硫石膏是对燃煤或者燃油等含硫燃料燃烧产生的硫氧化物进行脱硫净化处理得到的石膏，主要产生于燃煤电厂的烟气脱硫工艺。脱硫石膏的粒径主要集中在20～80 μm［11］，含有质量分数约为 10%的游离水，主要矿物成分是二水硫酸钙晶体（CaSO4·2H2O）。脱硫石膏的综合利用方式主要是作为生产水泥的缓凝剂［12］、生产石膏板［13］和石膏砌块、制备粉刷石膏和高强石膏、改良碱化土壤［14］等。发展以粉煤灰提铝残渣、脱硫石膏或矿渣等工业固体废弃物为原材料制备轻质保温板，不仅能够实现固体废弃物的二次利用，达到保护环境和节约能源的目的，而且对于中国可持续发展战略有着重要意义。

笔者首先对粉煤灰提铝残渣和脱硫石膏的化学成分、颗粒形貌、矿物组成、粒度分布等基本特性进行分析，然后以粉煤灰提铝残渣、脱硫石膏或矿渣为主要原料采用模压成型法制备轻质保温板，固体废弃物得到二次利用，实现了社会、环境与经济效益的和谐统一。同时，研究了粉煤灰提铝残渣掺量对轻质保温板导热系数、强度、密度的影响，得到生产轻质保温板最佳工艺配方。

1 实验部分

1.1 粉煤灰提铝残渣基本特性

实验所用粉煤灰提铝残渣是高铝粉煤灰通过碱石灰石烧结法提取Al2O3后的尾渣。粉煤灰提铝残渣是一种浅黄色粉状固体颗粒，水分质量分数为30%～50%，长期放置容易板结成块状固体，干燥后接近白色。

1）化学成分。利用ZSX PrimusⅡX射线荧光光谱仪对干燥后的粉煤灰提铝残渣的化学组成进行分析，结果见表1。由表1可知，粉煤灰提取Al2O3后的尾渣主要含有Ca、Si元素，Ca来源于粉煤灰本身和碱石灰烧结法提铝工艺；由于碱法提铝技术无法将铝完全提取，因此残渣中仍含有少量Al元素；Fe、Mg等元素则是原粉煤灰中固有的。

表1 粉煤灰提铝残渣化学成分

2）粒度分布。采用LS-900型激光粒度分析仪对粉煤灰提铝残渣的粒度分布进行检测，结果（见图1a）为 D（10）=6.71 μm，D（50）=17.00 μm，D（90）=30.74 μm。采用锥形球磨机球磨 1 h，结果为 D（10）=1.72 μm，D（50）=6.05 μm，D（90）=13.59 μm；球磨2 h 结果为 D（10）=1.65 μm，D（50）=2.20 μm，D（90）=9.72 μm。因此，可以通过球磨的方式对粉煤灰提铝残渣进行活化处理。

3）物相组成。采用X′Pert PRO MPD型X射线衍射仪对粉煤灰提铝残渣进行物相分析，结果见图1b。由图1b可知，粉煤灰提铝残渣主晶相为硅酸二钙、CaCO3、Ca（OH）2等，另有少量其他矿物相。

图1 粉煤灰提铝残渣粒度分布（a）及XRD谱图（b）

4）酸碱性测定。称取1 g粉煤灰提铝残渣放入500 mL烧杯中，加入200 mL蒸馏水，超声波分散5min，搅拌5min，静置30min。取上层清液，用PHS-3C型pH计测得pH为10.61，呈碱性。

5）显微形貌。采用QUANTA 450型扫描电子显微镜对粉煤灰提铝残渣表面形貌进行观察，结果见图2。由图2看出，碱法提取Al2O3过程对粉煤灰颗粒表面造成了严重的腐蚀，颗粒大小不均、表面粗糙不平，玻璃微珠结构遭到破坏，呈疏松多孔状。表面疏松多孔有利于提高残渣的活性。

图2 粉煤灰提铝残渣SEM照片

1.2 脱硫石膏基本特性

1）化学组成。实验所用脱硫石膏为平顶山市某燃煤电厂湿法烟气脱硫技术产生的工业副产石膏，化学成分见表2。使用时在105℃干燥12 h进行脱水处理。由表2可知，脱硫石膏主要组分SO3质量分数为38.73%。假如试样中的硫均以SO3的形式存在，将对应81.12%的二水石膏，CaO的对应量为27.11%。然而实际测得CaO的质量分数为33.23%，说明原料中的钙不都是以二水石膏的形式存在。

表2 脱硫石膏化学成分

2）物相组成和显微结构分析。图3为脱硫石膏XRD谱图（a）和SEM照片（b）。将图3a中脱硫石膏XRD谱图与标准谱图PDF-72-1937、PDF-21-0816、PDF-02-0458对比可知，脱硫石膏中除含有CaSO4·2H2O 外，还含有一定量 SiO2和 CaCO3。

由图3b可知，脱硫石膏颗粒大小不均、形貌多样，主要有圆饼状、板状、不规则颗粒状和球状。

3）粒度分布。图4为脱硫石膏粒度分布图。由图4看出，脱硫石膏颗粒尺寸主要分布在10～100 μm，颗粒整体较粗，且分布较宽。

图4 脱硫石膏粒度分布图

1.3 矿渣性能

实验所用矿渣为市售矿粉，主要性能见表3。

表3 矿渣的性能

1.4 轻质保温板的制备

将原料干燥处理，按表4进行配料，在强制式搅拌机中搅拌混合5 min，加入外加剂和水之后再搅拌2 min。外加剂为水玻璃，添加量为5%（质量分数）。

表4 轻质保温板配方

将原料混合均匀后倒入模具中在压力机上压制成型，成型压力为 20 MPa，成型尺寸为 240 mm×120 mm×25 mm，保压1 min。以矿渣为掺合料的保温板在湿度为90%的环境下养护7 d，然后在自然条件下养护7 d；以脱硫石膏为掺合料的保温板在自然条件下养护14 d。

2 实验结果分析

2.1 轻质保温板的密度

图5为不同掺量粉煤灰提铝残渣制备轻质保温板的密度。由图5看出，随着粉煤灰提铝残渣用量的增加，保温板的密度整体呈现下降趋势，这是因为粉煤灰提铝残渣表观密度小、疏松多孔，导致保温板的密度降低。掺合料为脱硫石膏时保温板的密度由1.29 g/cm3降至1.02 g/cm3，掺合料为矿渣时保温板的密度由1.33 g/cm3降至1.09 g/cm3。掺脱硫石膏的试样密度较掺矿渣的试样密度低，这是由于矿渣和脱硫石膏的表观密度不同引起的。当粉煤灰提铝残渣掺量由35%增加到40%时，为保证顺利成型，水的加入量由25%增加至30%，体系的固体物质含量降低，且粉煤灰提铝残渣的活性较低，加入的水有一部分以自由水的状态存在，自然养护过程中水分蒸发导致气孔率增加，最终使得保温板的密度降低。

图5 不同掺量粉煤灰提铝残渣制备轻质保温板密度

2.2 轻质保温板的强度

不同掺量粉煤灰提铝残渣制备轻质保温板抗压强度和抗折强度见图6。随着粉煤灰提铝残渣用量增加，保温板的强度整体呈现下降趋势，掺合料为脱硫石膏时抗折强度由1.1 MPa降至0.6 MPa，抗压强度由12.2 MPa降至 9.4 MPa；掺合料为矿渣时抗折强度由 1.7 MPa降至 1.0 MPa，抗压强度由14.1 MPa降至9.8 MPa。粉煤灰提铝残渣的活性相对于矿渣和脱硫石膏是很低的，随着粉煤灰提铝残渣用量增加，胶凝作用物质相对减少；同时，粉煤灰提铝残渣比表面积大、多孔疏松、吸水量大，会相对减少脱硫石膏水化时的可用水量，这都不利于板强度的增强。掺矿渣试样的强度均比掺脱硫石膏试样的强度高，这是因为水玻璃除了起到黏结作用外，还作为一种化学激发剂提高矿渣的活性，生成具有胶凝性的物质，从而提高试样的强度。

图6 不同掺量粉煤灰提铝残渣制备轻质保温板强度

2.3 轻质保温板的导热系数

图7 不同掺量粉煤灰提铝残渣制备轻质保温板导热系数

3 结论

1）粉煤灰提取Al2O3后的尾渣呈碱性，主要含Ca、Si元素，另有少量的 Al、Fe、Mg 等元素；粒度分布为 D（10）=6.71 μm，D（50）=17.00 μm，D（90）=30.74 μm；主晶相为硅酸二钙、CaCO3、Ca（OH）2；提铝过程对粉煤灰颗粒表面造成了严重腐蚀，玻璃微珠结构遭到破坏，呈疏松多孔状。

2）脱硫石膏颗粒大小不均、形貌多样，尺寸主要分布在10～100μm，颗粒整体较粗，且分布较宽；原料中除CaSO4·2H2O外，还含有一定量的SiO2和CaCO3。

3）以粉煤灰提铝残渣、脱硫石膏或矿渣为主要原料制备轻质保温板，随着粉煤灰提铝残渣掺量的增加，保温板的密度、导热系数、强度均呈下降趋势。掺矿渣试样的密度、导热系数、强度均比掺脱硫石膏试样的高。最佳配方：脱硫石膏为15%，粉煤灰提铝残渣为40%，水为30%，河砂为15%。以此配方制备出了密度为1.06 g/cm3、抗压强度为11.6 MPa、抗折强度为 0.7 MPa、导热系数为 0.22 W/（m·K）的轻质保温板。

参考文献：