赤泥-粉煤灰烧结砖抗压强度影响因素分析研究

于巧娣，李灿华，徐文珍，查雨虹

（安徽工业大学 冶金工程学院，安徽 马鞍山 243000）

我国是铝制造大国，氧化铝和电解铝产量均占世界50%以上，每年产生大宗危废赤泥约1 亿t，而赤泥综合利用率仅为4%[1]，大部分赤泥处于堆存状态。赤泥含大量的氧化钙等金属氧化物，堆存既占用了大量土地，且随污染物的迁移，易造成地下水污染和土壤盐碱化，特别是赤泥库溃坝对周边土壤、水体、大气和人体健康存在巨大的环境危害[2]。由于赤泥有与黏土、页岩相似的化学成分和矿物组成，是制作烧结砖的好材料。

本文采用赤泥和粉煤灰制备烧结砖，不需单独使用黏土，制备工艺简单，废物利用率高，利用量大，烧结砖性能好[3]。

1 实 验

1.1 原材料

本实验主要采用广西华银的拜耳法赤泥和马钢某厂的粉煤灰，其主要化学成分见表1。赤泥中SiO2的含量低不能单独制砖，加入粉煤灰提高其SiO2的含量。粉煤灰在赤泥的激发作用下，可以提高烧结砖的强度[4]。赤泥由于其粒度细、质软，有一定的塑性，其物理性质与黏土相似，可替代黏土用于烧结砖生产[5]。

表1 赤泥、粉煤灰的主要化学成分 %

1.2 样品的制备

本实验采用的试样为柱形，直径20 mm，高20 mm，由千斤顶液压机压制成型。将赤泥在烘干箱中干燥24 h，粉磨1 h，过0.125 mm 筛，与干燥24 h 后的粉煤灰混合，加入15%的水，进行充分混合，装入塑封袋密封陈化1～2 d。将陈化后的粉料在液压机上压制成型，干燥24 h 后在电阻炉内焙烧。

1.3 性能测试

用浸泡法测试烧结砖的吸水率[6]；用水泥压力试验机测试烧结砖的抗压强度；用X 射线衍射仪分析烧结砖的物相。

2 结果与讨论

2.1 烧成温度曲线

本实验采用的烧成温度是加热到260 ℃保温30 min，继续加热到600 ℃保温30 min，继续加热到相应的烧结温度保温，其烧成温度曲线见图1。在260～350 ℃时，赤泥中的结合水和有机物开始蒸发。在600～700 ℃，赤泥中的碳酸盐开始分解，碳素和有机物开始氧化，铁的硫化物和硫酸盐被分解氧化，产生CO2、SO2和SO3等气体[7]。因此，烧结过程中在260 ℃和600 ℃时需要有一段时间的保温，以便气体挥发，降低气孔率，增加强度和密度。

图1 烧成温度曲线

2.2 赤泥掺量对抗压强度的影响

按照不同配比称量经过预处理的赤泥和粉煤灰，加入赤泥和粉煤灰粉料总量10%的水，在18 MPa 的压力下成型，按照图1 的升温曲线进行加热，最高温度加热到1050 ℃保温2 h 后取出。测试不同赤泥掺量时的赤泥-粉煤灰烧结砖的抗压强度，结果见图2。

由图2 可知，随着赤泥掺量增加，赤泥-粉煤灰烧结砖的抗压强度呈先增加后下降的趋势。当赤泥掺量为70%时，赤泥-粉煤灰烧结砖抗压强度达到最高，为24 MPa；当赤泥掺量为50%时，抗压强度仅为18.3 MPa，且泛霜十分严重。

2.3 成型压力对抗压强度的影响

不同成型压力下的烧结砖的抗压强度见图3，该试样采用相同成型工艺，保持赤泥掺量为70%，加入粉料总量10%的水，加热到1050 ℃保温2 h，改变成型压力。

由图3 可知，随着成型压力的增加，烧结砖的抗压强度不断增加，当成型压力达到19 MPa 时，抗压强度达到24 MPa，当成型压力继续增加时，抗压强度开始减小，是因为随着成型压力增加，砖的内部致密度增加，压强增大，随着成型压力继续增大，可能会破坏内部结构。

2.4 烧结温度对抗压强度的影响

不同烧结温度的烧结砖的抗压强度见图4，该试样采用相同成型工艺，保持赤泥掺量为70%，加入粉料总量10%的水，在成型压力19 MPa 下压制成型，保温相同时间，改变烧结温度。

由图4 可知，随着烧结温度的增加，烧结砖的抗压强度不断增大，当烧结温度达到1050 ℃时，抗压强度达到24 MPa；但当温度继续升高时，烧结砖的颜色略有变黑，且有少量的裂痕，因此为了防止出现砖过烧的现象，烧结砖烧结过程中，其烧结温度不可过高。

2.5 保温时间对抗压强度的影响

不同保温时间烧制的烧结砖的抗压强度见图5，该试样采用单因素实验，采取相同成型工艺，赤泥掺量为70%，加入粉料总量10%的水，在成型压力19 MPa 下压制成型，加热到1050 ℃，改变保温时间。

由图5 可知，随着保温时间的不断增加，其抗压强度先下降再升高然后下降，且当保温时间过长时，坯体颜色发黑且产生裂纹，为节约能源，保温时间2 h 为宜，其抗压强度可达到24 MPa。

图5 保温时间对烧结砖抗压强度的影响

3 物相及性能分析

由以上结果可以得出赤泥烧结砖采用赤泥掺量为70%，加入10%的水，采用19 MPa 的成型压力压制成型，烧结温度1050 ℃保温2 h，可以得到抗压强度为24 MPa 的砖，检测其吸水率和泛霜现象均满足GB/T 5101—2017《普通烧结砖》，其XRD 和SEM 图谱如图6 和图7 所示。

由图6 可知，赤泥烧结砖的主要成分有：铝硅酸钙[Ca2Al2（SiO3）5]、赤铁矿（Fe2O3）、透辉 石[CaMg（SiO3）2]、霞 石（NaAlSiO4）、太阳石[（Na，Ca）Al（Si，Al）3O8]、钙钛矿[（Fe，Mg）SiO3]、氧化铝。砖中有玻璃相生成，且生成的玻璃相含量相当，玻璃相能形成网状结构，使砖被粘结得更致密，增大砖的强度[8]。

图7 赤泥-粉煤灰烧结砖的SEM 照片

由图7 可知，赤泥-粉煤灰烧结砖的内部结构比较紧密，呈现絮状凝胶结构，晶界也没有明显裂纹，微观结构表明具有一定的宏观强度[9]。

4 结 论

采用赤泥和粉煤灰制备的烧结砖符合GB/T 5101—2017的要求。

（1）改变成型压力，对赤泥烧结砖的抗压强度影响较小，当成型压力为19 MPa 时，其烧结砖抗压强度最高，为24 MPa。

（2）采取不同赤泥掺量，其抗压强度在不断变化，当赤泥掺量为70%时，其烧结砖的抗压强度最高，为24 MPa。

（3）采取不同加热温度，其抗压强度在不断变化，当加热温度为1050 ℃时，其烧结砖的抗压强度最高，为24 MPa。

（4）采取不同保温时间，其抗压强度在不断变化，保温时间为2 h 时，其烧结砖的抗压强度最高，为24 MPa。