（材料加工工程专业论文）平果铝赤泥建材资源化研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 赤泥是一种氧化铝工业废渣。大量的赤泥污染环境，消耗很多的堆场 建设和维护费用。赤泥的综合利用是一个世界性的难题。我国的赤泥问题 更加严重，其资源化利用更有意义。本文选择我国六大铝业基地中唯一全 拜耳法生产的广西平果铝业的赤泥废渣进行建材资源化研究。 对平果铝赤泥进行了粒度分布测试，可塑性测试，x r d 和热分析。研 究表明平果铝赤泥平均粒径为4 17i im ，其可塑度为0 2 2 5 ，可用于可塑成 型。平果铝赤泥的化学成分中二氧化硅的含量太低，其平均含量仅为 7 2 5 ；其主要物相为赤铁矿、针铁矿、水化石榴石、水铝石、钛铁矿和方 解石，无粘土类和长石类矿物；10 0 0 煅烧后的赤泥主要物相为氧化铁和 钙黄长石，玻璃相较少，全赤泥制备的建筑材料不能形成较高的强度。用 赤泥制备建筑材料时，需要与粘土、石英砂等原料搭配使用。 选用粘土为辅助原料，模仿传统的烧结砖制备工艺制备了赤泥粘土烧 结砖。根据平果铝赤泥低硅的特点选用石英砂为辅助原料，采用压制成型 制各了赤泥石英砂烧结砖。结果表明：赤泥与粘土和赤泥与石英砂都能制 备出符合国家烧结砖标准g b 5l0 1 2 0 0 3 的烧结砖。赤泥粘土烧结砖的抗压 强度最高可达5 4 8 3 m p a ，吸水率最低可达1 1 。4 1 。赤泥粘土烧结砖的最佳 粘土掺量为4 0 ，最佳烧结温度为1 15 0 ，最佳保温时间为3 小时。赤泥 石英砂烧结砖的抗压强度最高可达8 6 0 0 m p a ，吸水率最低可达2 0 0 。赤 泥石英砂烧结砖的最佳粘土掺量为5 0 ，最佳烧结温度为l l0 0 ，最佳保 温时间为2 小时。当赤泥用量相同时，赤泥粘土烧结砖与赤泥石英砂烧结 砖相比吸水率大，抗压强度小，泛霜更严重。赤泥石英砂烧结砖的性能要 好于赤泥粘土烧结砖。 利用赤泥、高岭土和石英砂为原料采用一次烧成工艺制备了琉璃瓦。 研究表明：利用平果铝赤泥、高岭土和石英砂采用一次烧成工艺可制备出 达到国家建材行业建筑琉璃制品标准j c t 7 6 5 2 0 0 6 的琉璃瓦。当赤泥、高 岭土和石英砂质量比为4 ：3 ：3 时，制备的琉璃瓦性能最佳。该琉璃瓦在 l10 0 一次烧结后，弯曲强度为37 6 m p a ，吸水率为5 9 ，18 0 2 0 急冷 急热循环10 次不裂，2 0 2 0 抗冻循环10 次不裂。 赤泥粘土烧结砖、赤泥石英砂烧结砖和琉璃瓦的x r d 分析和s e m 分 析表明，钙长石和玻璃相对赤泥粘土烧结砖、赤泥石英砂烧结砖和琉璃瓦 的强度提高起到重要作用。所制备的琉璃瓦坯釉结合良好。 关键词：赤泥，烧结砖，琉璃瓦，石英砂，粘土，釉料 i 桂林工学院硕士学位论文 a bs t r a c t r e dm u d ， “b a u x i t er e s i d u e ”，i st h em a i nb y p r o d u c to ft h e a l u m i n a pr o d u c i n gb a y e rc y c l e am a s s0 fr e dm u dh a v cb r o u g h t m a n yp r o b l e m si np o l l u t i o na n ds t o f a g e t h eu t i l i z a t i o no ff e dm u d i sap r o b l e ma l lovert h ew o r l d i nc h i n a ，t h ep r o b i e mo fr e dm u di s m o r es e r i o u s ，a n du t i l i z a t i o no fr e dm u di sm o r ei m p o r t a n t i nt h e s e ， r e dm u d ，w h i c hw a su s e dt op r o d u c eb u i l d i n gm a t e r i a l s ，w a sc o m e f r o mp i n g g u 0a l u m i n u mi n d u s t f i a lc o r p o r a t i o nt h a tw a st h e0 n l y b i gc o r p o r a t i o nw h i c ho n l yu s e db a y e rm e t h o d r e dm u do fp i n g g u oa l u m i n u mi n d u s t r i a l c o r p o r a t i o nw a s s t u d i e db yp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nt e s t ，p l a s t i c i t yt e s t ，x r da n d t h e r m a la n a l y s i s r e s u l t ss h o w e dt h a ta v e r a g es i z eo fr e dm u di s 4 1 7u m ； p l a s t i c i t y r e dm u di s 0 2 2 5 ； r e dm u dcanb eu s e dt o p l a s t i cm o l d i n g s i l i c ac o n t e n to fr e dm u di st o ol a w ，o n l y7 2 5 ， a n dm a i n p h a s eo fr e dm u di sh e m a t i t e ， i r o n h y d r o x i d e o x i d e ， c a l c i u ma l u m i n u mir o ns i l i c a t eh y d r o x i d e ，d i a s p o r e ，p e r o v s k i t ea n d c a l c i t e ，a l l0 ft h e mi sn o tc l a ya n df e l d s p a t h i cm i n e r a l t h em a i n p h a s eo fr e dm u ds i n t e r e da t1 0 0 0 i sh e m a t i t ea n dg e h i e n i t e ，a n d g l a s sp h a s ei sl e s si ni t b u i l d i n gm a t e r i a l sp r o d u c ef r o mo n l yr e d m u dc a nn o th a v eh i g h s t r e n g t h i fr e dm u dw a su s e dt o pr o d u c e b u i l d i n gm a t er i a l s ， i tm u s tm i x e dw “ho t h e rl a wm a t e r i a i so f b u i l d i n gm a t e r i a l s ，s u c ha sc l a y ，q u a f t zs a n d c l a ya n dr e dm u dw e r ep r o d u c e dr e dm u d c l a ys i n t e r e db f i c k s w i t ht r a d i t i o n a lt e c h n i q u e t h e na c c o r d i n gt ol a ws j l i c ac o n t e n to f r e dm u d ， q u a r t zs a n da so t h e rl a wm a t e r i a lw i t hr e dm u dw er e p r o d u c e dr e dm u d q u a r t zs a n ds i n t e r e db r i c k sw i t hc o m p r e s s i o n m o l d i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c h e ss h o w e dt h a t ：f e dm u dm i x e dw “h c l a y 0 rq u a r t zs a n dc a np r o d u c es i n t e r e db r i c k sw h i c hr e a c h e dt h e na t io na l s ta nda r dgb 5101 200 3 a sf or r edmud c laysi n ter ed br i c k s ，t h e0 p t i m u ma m o u n to fc l a yi s 4 0 ，t h eo p t i m u ms i n t er i n g c o n d i t i o ni s115 0 a n dk e e p j n g3h c o m p r e s s j v es t r e n g t ho fr e d m u d - c l a ys i n t e r e dbr i c k sc o u l db ea sh i g ha s5 4 8 3m p a ，a n dw a t e r 桂林工学院硕士学位论文 a b s o r p t i o n o fr e d l l l u d - e l a y s i n t c i r e db r i c k sc o u l db ea s1 a wa s 11 41 a sf o rr edmu d q u a r t zsa nds i n te r edbr i c k s ，t he0 p t imum a m o u i l t0 fq u a r t zs a n di s4 0 ，t h e0 p t i m u ms i n t e r i n gc 0 1 1 d i t i 0 1 1i s 110 0 a l ldk eeping2h c o m pr es si ves tr en g t ho fr e dm ud e lay s i i i t e r e db f i c k sc o u l db ea s h i g h 1 1 s8 6 0 0m p a a 1 1 dw a t e r a b s o r p t i 0 1 1o fr e dm i l d c l a ys i l l t e l r c db r i c k sc o u l db ea s1 t l wa s 2 0 0 r e dm u d q u i l r t zs a l l ds i n t e r e db r i e k sw e r eb e t t e rt h a i lr e d m u d - e l a ys i n t e r e db r i c k si nw a t era b s o r p t i o n ，c o m p r e s s i v es tr e n g t h a l l df r o s tm i s t ，i ft h e yw c r ep r o d u c e dw i t hs a m ci r e dm u dc o l l t e l l t r e dm u dw i t hk a o l i na n dq u a r t zs a n dw e f ep r o d u c e d9 1 a z ct i l e s w i t hones t e pf ir i n g t e c h n i q u e r e s u i t ss h o w e dt h a tg l a z et i l e s p r o d u c e df r o mr e dm u d ，k a 0 1 i na n dq u a r t zs a n dw i t l a0 1 1 es t e pf ir i l l g t e c h n i q u el e a c ht h en a t i o n a li n d u s t r ys t a n d a r dj c t 7 6 5 2 0 0 6 t h e o p t i m t i mm a s sr a t i o so fr e dm u d ：k a o l i n ：q u a r t zs a n dis4 ：3 ：3 b e l l d i n gs t i e i i g t h0 fg l a z et i l e sw a s3 7 6 m p a ，a 1 1 dw a t e ra b s 0 r p t i 0 1 1 0 f9 1 a z et i l e sw a s5 9 a f t e r1 0t i m e so ft h er m a ls h o c kr e s i s t a l l c e t es tsa t - 20 - 20 a nd10t imeso ff r os tr esis ti i i ic ec y c lea t 一20 - 2 0 ， t h e9 1 a z et i l e sw er cg o o d 。 x r da 1 1 ds e ms h o w e dt h a ta n o r t h i t ea n d g l a s sp h a s e w c l ! _ e i m p 0 r t a n ti 1 1i 1 1 c r e a s i l l gs t r e n g t h t 0f e dm u d c l a ys i t i t er e db r i c k s ， r e dm u d - q u a r t zs a l l ds i l l t e r e db r i c k sa 1 1 d 9 1 a z et i l e s g 1 a z e b o d y b 0 1 1 d i l l g0 f9 1 a z et i l e si s9 0 0 d k e yw o r d s ：r e dm u d ；s i n t e r e db r i c k ；g l a z et i l e ；q u a r t zs a i l d ；c l a y ； g l a z e i h 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在蒋述兴教授指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工 学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过 帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：垄蝥星复塑 签字e t 期： z 竺查弦么z 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文 的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩 印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可 以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期： 桂林工学院硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 铝元素是地壳中含量最丰富的元素之一，为地壳质量的7 4 5 ，是地 壳中铁含量的1 7 7 倍，仅次于氧和硅，居第三位【i 】。地壳中的含铝矿物约 有2 5 0 种，其中约4 0 是各种铝硅酸盐。含铝矿物中最重要的是铝土矿。 铝土矿是目前氧化铝和电解铝生产的主要矿石来源。铝是一种性能优良的 金属，是第二大类金属。氧化铝是一种应用非常广泛的工业原料，不仅用 于冶炼金属，还被广泛应用于制造耐火材料、陶瓷、研磨介质、基板、工 具，填料等。铝工业在国民经济中有着举足轻重的地位。 铝土矿主要含铝矿物为三水铝石、一水软铝石和一水硬铝石。根据铝 土矿中含铝矿物存在的形态不同将铝土矿分为三水铝石型、一水软铝石型、 一水硬铝石型以及混合型四种类型。全世界铝土矿资源主要为三水铝石型 铝土矿。其矿石特点是氧化铁和氧化硅含量低，氧化铝含量高，铝硅比通常 大于10 ，适合适用拜耳法工艺提取氧化铝。我国铝土矿资源丰富，保有储 量为2 2 8 8 lo a t 。但我国铝土矿以一水硬铝石型为主，按铝硅比划分，以 中等品级居多，铝硅比大于10 的储量仅占总储量的3 9 ，铝硅比在7 10 之间的储量占2 6 1 ，铝硅比在4 7 之间的储量占5 9 5 ，铝硅比小于4 的储量占7 5 ；其突出特点是高铝、高硅1 2 】。我国的氧化铝生产主要采用 烧结法和混联法工艺。 铝土矿提取氧化铝以后的残渣被称为赤泥。赤泥是一种碱性废渣，污 染环境。我国是世界第二大氧化铝生产大国，并且我国的铝土矿的品位不 高，多采用烧结法和混联法工艺提取氧化铝，提取单位质量的氧化铝产出 的赤泥废渣量更大。我国赤泥废渣的利用率又很低，导致大量的赤泥被堆 存起来，使我国的赤泥问题更加严重。 1 2 赤泥的物理与化学性质 1 2 1 赤泥的物理性质 赤泥是一种深红色的土状物，粒度比较细，其p h 值一般都大于10 ，其 熔点一般在l2 0 0 至13 0 0 。赤泥的物理性质指标主要包括比重、密度、 孔隙比、含水量、界限含水量( 塑限、液限、塑性指数和液性指数) 、饱和 桂林工学院硕士学位论文 度等。赤泥的物理性质如表1 1 1 3 】所示。 表1 1 赤泥的物理性质 序号 指标指标值评价 1 比重g ，k n m 3 2 8 ( 2 7 8 9 ) 一般土 2 天然密度r ，k n m 31 4 5 ( 1 4 2 1 5 1 ) 一般土 4孔隙比e2 5 3 2 9 5 一般土 5含水量w ，8 0 ( 8 2 3 1 0 5 9 ) 粘土 6 液限w 。， 7 0 ( 7l lo o ) 粘土高塑性 7 界限含塑限w r ， 5 0 ( 4 4 5 81 ) 粘土 8水量 塑性指数i r 2 0 ( 1 7 3 0 ) 粘土 9 液性指数i t 1 3 0 ( o 9 2 3 3 7 ) 很大流塑 1 0饱和度s t ，91 1 9 6 6 完全饱和 1 2 2 赤泥的化学成分 表1 2赤泥化学组成成分分析 赤泥的化学成分主要取决于铝土矿的化学成分、生产工艺和生产过程中 加入的添加剂的成分。根据铝土矿中的二氧化硅含量的不同，我国氧化铝 生产采用了烧结法，混联法和拜耳法三种方法生产。其中用拜耳法处理的 铝土矿二氧化硅含量最低，石灰的添加量比烧结法和联合法的少。铝土矿 的成分也随产地变化而变化，各厂赤泥的成分都不同。表1 2 【3 5 1 是不同铝 2 桂林工学院硕士学位论文 厂赤泥的化学成分。 赤泥的化学成分还会随时间的推移而变化。赤泥在堆积过程中会与水、 空气和自身的一些成分发生化学反应，使其含水率变大，一些成分被水溶 解带走，使其成分发生变化。以山东铝业的赤泥为例，如表i 3 1 6 j 所示，随 着时间的变化各成分的含量都发生了一定的变化。 表1 3 不同时间的山东铝业赤泥化学成分 1 2 3 赤泥的物相 赤泥的物相主要是熟料高温反应形成的不溶性物和溶出过程水化、水解 产生的衍生物、水合物以及二次副反应形成的新生物相【7 1 。其主要的物相 一般有方解石、赤铁矿、针铁矿、硅酸二钙等以及原矿中没反应的物相。 赤泥的物相也随产地和生产工艺的不同而变化。景英仁t 3j 等对山西赤泥 研究表明，山西赤泥的主要矿物为文石和方解石；其次是蛋白石、二水铝 石、针铁矿；还有少量的钛矿物、菱铁矿、天然碱、水玻璃、铝酸钠和烧 碱。杨世杰【8 】等对平果赤泥的研究表明，平果赤泥中含有赤铁矿、针铁矿、 水化石榴石、一水硬铝石、含水硅铝酸钠、钙钛矿、轻钙石、方解石等物 相，其中赤铁矿和水化石榴石含量较高。王梅【7 】对山东赤泥的研究表明， 山东赤泥中的主要矿物有：j b 硅酸二钙、霞石、方解石、口型水化氧化铝、 铝酸三钙、a 1 2 0 3 n h 2 0 、s i 0 2 n h 2 0 、c a ( o h ) 2 、f e s ( 或f e s x ) 等。 1 3 赤泥的利用现状 在我国，每生产1 吨氧化铝会产生l 至2 吨赤泥【7 l 。我国主要有六大 铝业基地( 山西、山东、贵州、郑州、中州和平果) ，它们都源源不断的产 出大量的赤泥。全国现已积累了超过5 0 0 0 万吨等待利用的赤泥，而且我国 每年排放的赤泥还超过8 0 0 万吨，并逐年增加。对于赤泥的处理，在国外， 主要是填海和特殊植被覆盖。在我国赤泥的处理主要是筑坝堆存。大量的 赤泥堆积如山，永久性的占用农田，耗费较多的堆场建设和维护管理费用。 而且赤泥的含碱废液会渗透到地下水中，污染水源，严重污染环境。 3 桂林工学院硕士学位论文 赤泥的综合利用是一个世界性的难题，实验室的研究很多，但应用于 实际生产的较少。在国外赤泥的应用研究主要有利用赤泥进行水处理p j ， 利用赤泥制备水泥【1 0 】和砖【11 】等建筑材料。我国氧化铝工业起步晚，对赤泥 的研究也比较晚，但研究不少。经过5 0 多年的研究，发表的相关的研究论 文逾10 0 0 篇，申请相关专利近2 0 0 项，但真正应用于实际生产的却很少。 在我国赤泥的利用率很低，仅l5 ，即使赤泥利用最好的山东铝业也仅能 处理每年产生的赤泥的三分之一左右。赤泥已成为制约我国铝业发展的一 个重要因素。 纵观国内外赤泥综合利用的研究，大致可分为如下四方面：( 1 ) 回收其 中的有价成分；( 2 ) 利用其特殊的性质制备特殊性质的功能材料；( 3 ) 做高分 子材料或矿山的填充料；( 4 ) 整体利用赤泥来制建筑材料。 1 3 1 从赤泥中回收有价成分 赤泥是一种氧化铝工业的废渣。在氧化铝的提取过程中很多的有价元 素被富集起来，使赤泥变成了一种宝贵的二次资源。我国的人均资源不足， 从二次资源中提取有价元素对我国的发展有重要的意义。从赤泥中回收的 有价成分主要是有价金属，其次是碱。赤泥中回收的有价金属主要有铁、 钛、钪、镓、铌、钽、钒和稀土金属【4 j 。从赤泥中回收有价成分不能彻底 的解决赤泥问题，而且回收重金属时往往还会产生新的污染。 1 3 1 1 从赤泥中回收铁 赤泥之所以是深红色的，主要是其中含有较多的氧化铁。平果铝赤泥 的氧化铁含量是我国所有赤泥中氧化铁含量最高的，其氧化铁的平均含量 高达2 7 0 8 。铁的回收研究较早，回收工艺较成熟，污染较少。赤泥中回 收铁是赤泥中回收金属元素中研究最多的，并且实现了半工业化的回收。 l9 9 9 年赣州有色冶金研究所就已经进行了从平果铝赤泥中回收铁的半工业 化实验并取得了成功。回收铁的方法主要有通过还原焙烧使f e 2 0 3 转变为 f e 3 0 4 ，然后磁选出铁；将赤泥直接通过电炉熔炼产出生铁；将赤泥先还原 成海绵铁，然后用电炉炼成钢。广西冶金研究院以平果铝业的拜耳法赤泥 为原料，以广西煤炭为还原剂，开展了赤泥炼海绵铁磁选分离铁的研究， 使铁的回收率达8 6 3 7 ，海绵铁的品位为8 5 8 6 ，其中金属转化率为8 8 7 4 。这种海绵铁可供炼钢之用，也可供冶金化工过程中作为还原剂使用， 如硫酸法生产钛白每吨原料就需海绵铁2 0 8 0 公斤f 4 】。从赤泥中回收铁只 需要焙烧还原磁选，没有带来新的污染源，有较好的实用价值。但从赤泥 4 桂林工学院硕士学位论文 中回收铁的成本比从铁矿石中提取铁要高，限制了从赤泥中回收铁的工业 化。 1 3 1 2 从赤泥中回收稀有金属 赤泥是一种矿渣，富集了很多的稀有金属元素，是一个宝贵的二次资 源。赤泥中有不少稀有金属的含量已经具有工业开采价值。张元福【1 2 】等通 过研究认定平果赤泥中的稀有金属t i 、g a 、z r 、v 、n b 、t a 和s c 等均有 工业利用价值，并已经达到该种金属作为原矿的开采品位。何小虎【4 j 等还 以年处理赤泥量3o 万吨来估计平果赤泥的金属回收量和回收的经济价值， 并对其回收进行了系统的论述，提出了很多很好的建议。从赤泥中回收稀 有金属的主要方法是酸浸分离和萃取回收。因回收方法相似，可以将赤泥 中回收多种稀有金属进行统筹规划，使之整体回收，有利于降低回收成本， 提高回收效益，减少污染。从赤泥中回收稀有金属会产生大量的废液需要 处理，可能带来更大的污染。 1 3 1 3 从赤泥中回收碱 赤泥中含有一定量的碱，不仅增加的氧化铝工业的碱耗和成本，还对 环境有很大的污染，同时也使得赤泥的综合利用的难度增大，比如利用赤 泥制备水泥就常常需要先对赤泥进行脱碱处理。从赤泥中回收碱有多方面 的意义。从赤泥中回收碱主要是用氧化钙水化法脱除赤泥的碱，并用离子 膜电渗析浓缩，结晶分离后将碱返回氧化铝流程使用，使氧化铝生产的碱 耗大幅度降低。脱碱后的赤泥对环境污染减小，并更适合用于制水泥等材 料。 1 3 2 利用赤泥制备功能材料 利用赤泥制备的功能材料主要有吸附材料和催化剂，其中利用赤泥制备 吸附材料的研究较多。赤泥被活化或制成陶粒后有很好的吸附能力，不仅可 吸附废水中的油污，f 一、p b ”、c r 6 + 和三价砷、五价砷等有害离子，还可以 脱出废气中的硫【1 3 15 1 。利用赤泥制备吸附材料以废治废，工艺简单，价格 便宜，吸附效率高，对环境保护有很好的作用，有较好的经济价值。 赤泥具有很好的吸附性能，同时还含有大量的活性氧化铁，进行改性 处理以后可制备铁系催化剂。在我国赤泥催化剂主要用于对煤的催化加氢 液化。高晋生【9 j 等的研究表明，拜耳法赤泥对煤加氢液化的催化效果很好。 在国外的拜耳法赤泥用于催化方面的研究约占赤泥研究的l2 ，赤泥的催 化研究主要有有机物的催化氢化，四氟乙烯的催化氯化以及废水中有机物 5 桂林工学院硕士学位论文 的催化氧化( 16 1 。利用平果铝业的拜尔法赤泥制备吸附材料和铁系催化剂等 功能材料，其附加值比回收金属的附加值更高，工艺也简单，有较好的发 展前景。 1 3 3 利用赤泥做塑料填料和矿山填料 在我国赤泥用于塑料填料的研究始于上世纪8 0 年代，并一度掀起一股利 用赤泥制“红泥塑料的研究热潮。赤泥填于聚乙烯的研究最多，赤泥聚氯 乙烯材料成本低廉、生产工艺简单，易于推广应用，并能消除环境污染，尤 其是耐热老化性能优于普通p v c 塑料制品，比普通p v c 材料长2 3 倍时间。 赤泥的结构特点、化学成分、粒度分布、粒子的表面、粒子间的结合力等使 得赤泥具备了一般常规塑料填料所不具备的特点，以致形成赤泥p v c 具有耐 热老化的优点【17 1 。赤泥还能在塑料的阻燃等方面起到一定的作用。梁华【1 8 】 对赤泥应用于塑料的研究做了总结。他认为赤泥能有效的提高聚乙烯的光热 稳定性和强度，碱性较大的拜耳法赤泥作塑料填料的性能优于其它赤泥的。 但赤泥做塑料填料的安全性研究尚未见报道。赤泥做塑料填料的研究目前已 处于停滞阶段。 赤泥还被用作矿山填料。随着采矿业的发展，大量的矿物被从地下挖 走，留下大量的空洞，导致地面沉降甚至坍塌，严重威胁着矿区居民的生 产和生活，需要大量的回填。回填量很大，成本很高，以尾矿和矿渣回填 是比较理想的解决方法。山东铝业公司所属的湖田矿与长沙矿山研究院合 作，采用赤泥、粉煤灰外加活化剂作为充填料的无水泥填充取得了良好的 效果【1 9 】。赤泥中的碱在回填过程中可能对地下水产生一定的污染，需要预 处理，并慎重对待。 1 3 4 赤泥在建筑方面的应用 赤泥在建筑方面的应用研究较多，如利用赤泥建坝、修路、制砖、制 建筑陶瓷和水泥等建筑材料。利用赤泥制造各种建筑材料，可把赤泥转化 为无害的建筑材料，不会带来附加的污染，对环境友好，而且吃渣量极大， 能有效的缓解赤泥堆存带来的问题。在此过程中赤泥替代了部分其它资源， 这同时保护和节约了很多其它资源。 1 3 4 1 利用赤泥建坝 我国赤泥的处理主要是筑坝堆存。为减少堆场建设费用，常采用赤泥 为主要原材料来建坝。赤泥含有一定量的p 硅酸二钙等水硬性成分。赤泥 6 桂林工学院硕士学位论文 中的无定形态物相能胶凝和晶化，具有潜在的凝固性能。赤泥在自身干燥 和固化过程中在以上的一系列的物理化学作用下形成一定机械强度和抗渗 能力。赤泥符合建坝的基本要求。乔英卉【2o 】对拜耳法赤泥和烧结法赤泥混 合堆坝的研究表明，混合赤泥坝有较好的抗渗性，有比粘土坝更高的抗剪 切强度，建坝高度能比粘土坝更高。张华英【2 l 】对建坝赤泥的促凝和固化进 行了一系列的研究。她不仅研究了石膏、无水氯化钙、六偏磷酸钠、铁氰 化钾和硫氰酸钾对赤泥的促凝机理，还分别对石灰、粉煤灰、石膏和碳酸 钙对赤泥的固化进行了研究。这些研究都表明赤泥本身或者在一定的促凝 剂和胶凝剂的作用下能用于建坝。 1 3 4 2 利用赤泥修路 由于赤泥具有一定的固化性质和价格优势，可将其用于修路。同时赤 泥的碱性，对粉煤灰有一定的激活能力，常与粉煤灰混合使用。齐建召【2 2 l 对山东铝业赤泥外加少量的粉煤灰和石灰做路基材料进行了试验研究，赤 泥道路基层材料强度可满足高等级公路的要求，而且赤泥路基材料比传统 的半刚性基层材料具有更高的强度、更大的回弹值。谭华【2 3 】从平果铝赤泥 的化学性质、物理性质、水理性质和工程性质着手，对赤泥能否用作公路 路堤填料、如何使用以及使用后对环境的影响和长期使用效果等方面进行 了全面的深入研究，提出了包心法方案，使平果铝赤泥达到了高速公路路 堤填料的要求。赤泥修路以后，对环境的影响很大，其长期的安全性还有 待进一步的研究。 1 。3 4 3 利用赤泥制水泥 利用赤泥制水泥是赤泥应用研究中开展较早的，并已经应用于实际生 产。早在l9 6 3 年，山东铝业就已经把赤泥应用于水泥生产。赤泥的化学成 分与水泥相似，还有j b 硅酸二钙等有水硬性的成分，适合制备水泥。赤泥 应用于水泥的情况有两种，一是利用赤泥的主要成分和普通硅酸盐水泥相 同，把赤泥作为生产普通硅酸盐水泥的生料配入水泥原料里。由于赤泥中 碱含量较高，影响水泥的性能，用量常常不大，也可以用一些添加剂或者 对赤泥进行脱碱处理来增大赤泥的用量，提高利用赤泥制备的水泥的性能： 二是直接利用赤泥的p 硅酸二钙和其它无定形态的铝硅酸盐的凝固性能以 及其碱性能激发矿渣活性的性能来制备碱矿渣赤泥水泥【2 4 】和赤泥硫酸盐 水泥【25 1 。赤泥在水泥生产中的用量不大。 赤泥还能代替部分水泥用于混凝土中，调节其性能。齐建召【2 2 】对赤泥 7 桂林工学院硕士学位论文 混凝土路面材料的研究表明：磨细赤泥代替部分水泥形成的水泥赤泥混凝 土具有较好的物理力学性能，可用于水泥混凝土路面。张彦娜【2 6 】等的研究 表明赤泥能降低水泥砂浆的需水量，改善砂浆的流动性，显著提高后期强 度。 1 3 4 4 利用赤泥制墙体材料 利用赤泥制备的墙体材料主要有免烧砖和烧结砖。赤泥有一定的固化 能力和激发粉煤灰、矿渣等材料的活性的能力，具备制备免烧砖的条件。 邢国1 27 】于19 9 3 年首次报道了利用山东铝厂烧结法赤泥和粉煤灰，制备了 抗折抗压强度己达到国家标准中m u 7 5 级的免烧免蒸砖。杨家宽【2 8 】等用山 东铝厂的烧结法赤泥和电厂粉煤灰为主要原料，矿山石渣为骨料，石灰、 石膏和水泥等为固化剂，采用了自然养护和蒸压养护两种生产工艺，在国 内第一条赤泥砖生产线上进行了中试生产。自然养护的赤泥免烧砖达到了 非烧结普通粘土砖标准( j c t 4 2 2 19 9 1 ) ( 19 9 6 ) 中15 级要求，蒸压养护的赤 泥免烧砖达到了国家标准( g b1 19 4 5 19 9 9 ) 中优等品m ul5 级的要求，并 对赤泥免烧砖进行了成本核算。2 0 0 4 年10 月，我国第一条年产2 0 0 0 万块 的赤泥一粉煤灰免烧砖生产线在山东建成，试产后各项指标均达到设计要 求，且经济价值可观。但免烧砖存在反卤，掉边角，性能不稳定等缺点， 其推广受到一定的限制。用于制备免烧砖的赤泥多为山东铝业的烧结法赤 泥，拜耳法赤泥制备免烧砖的研究尚未见报道。 与免烧砖相比，烧结砖的历史悠久，性能更加稳定。利用赤泥制备烧 结砖的研究目前还没有应用于实际生产。赤泥一般不单独用于制烧结砖， 常与矿渣、粉煤灰、页岩、煤矸石和粘土等混合制砖。黄平辉f 2 9 】于l9 9 9 年首次报道了利用赤泥制备烧结砖，但其赤泥掺量很低，低于15 。董风 芝f 3 0 】等还利用赤泥、粉煤灰为原料，用煤矸石或其它无机添加剂调节可塑 性，采用挤出成型和半干压成型两种工艺制备了达到m u10 级标准的烧结 砖。该烧结砖的赤泥用量也不高，低于3 0 。赤泥烧结砖中赤泥的掺量较 低，强度不高，其强度多为m ulo 级。提高赤泥的用量和烧结砖的强度是 赤泥用于烧结砖研究的主要方向。 1 3 4 5 利用赤泥制备建筑陶瓷 随着入们生活水平的不断提高，对建筑装饰的要求越来越高，建筑陶 瓷的应用越来越广泛，需求量也越来越大。利用赤泥制备建筑陶瓷，有较 好的经济价值，但赤泥成分复杂，含铁量很高很难制备档次较高的建筑陶 8 桂林工学院硕士学位论文 瓷，常需要添加一些助剂来改善其加工性能和产品的性能。助剂的选择和 复合是决定赤泥能否制备性能优良的陶瓷的关键【3 。目前报道的利用赤泥 制备的建筑陶瓷有清水砖、墙地砖、琉璃瓦等。吴建锋【3 1 】等以山东铝厂的 赤泥( 6 0 8 0 w t ) 和页岩( 1o 3 0 w t ) 为基料，透辉石或硅辉石( 2 - - - 10 w t ) 为助溶添加剂，10 2 0 w t 的由基料和色料混合配置而成的着色坯料， 烧成了环保型赤泥清水砖。汪文菱【32 j 就利用赤泥和粘土为原料通过一次快 烧工艺成功制备了琉璃瓦。他制备的琉璃瓦的吸水率、抗冻性、热稳定性、 抗折强度和光泽度都超过了国家标准g b t6 9 5 2 19 9 9 的要求。利用赤泥制 备建筑陶瓷的研究较少，尚未应用于工业化生产，有较好的发展空间。 1 3 4 6 利用赤泥制备微晶玻璃 微晶玻璃是由特定组成的基础玻璃在一定的温度下控制结晶而制得的 晶粒细小并均匀分布于玻璃体中的多晶复合材料。它与玻璃、陶瓷相比较， 其结构和性质均不相同。它集中了玻璃、陶瓷两者的特点，又称为玻璃陶 瓷或结晶化玻璃。微晶玻璃有较高的机械强度及耐风化性、耐磨性和抗腐 蚀性，独特的抗冻性、抗渗透性，色差小且不容易变色等特点，被应用于 建筑中起装饰和承重作用。杨家宽等人利用赤泥和粉煤灰两种工业废渣制 备了抗折、抗压强度高，化学稳定性好的微晶玻璃。在微晶玻璃的制取中 赤泥的掺量很高，可达5 0 以上，赤泥和粉煤灰两种废渣的总掺量可以达 到9 0 以上，利用赤泥和粉煤灰制取微晶玻璃具有显著的经济效益和环境 效益【3 3 】。利用赤泥制备微晶玻璃也尚未应用于实际生产。 1 4 烧结砖的历史与现状 在我国烧结砖最早出现在战国时期，到秦汉时期有了很大的发展，有 “秦砖汉瓦 的美誉。在漫长的封建社会里，烧结砖的制备并没有取得很 大的进展。解放以后，烧结砖的生产才有了突破性的进展，烧结砖的产量 飞速增加，以北京为例，19 4 8 年全市只有私营窑厂2 0 家，年产砖2 6 0 0 万 块，1 9 5 2 年产砖量上升到7 9 亿块，1 9 5 8 年猛增到1 3 4 8 9 亿块 3 4 1 。十一 届三中全会以后，我国的制砖业迎来了新一轮的飞速发展。随着生产和生 活需要的日益扩大，出现了全民办建材的局面，出现了十几万家砖厂，19 9 7 年全国烧结砖的产量就达到了7 0 0 0 亿块。 解放后烧结砖的制备工艺也有很大的进展。建国初期我国就先后引进 了苏联、德国等国家的技术，有了人工干燥，制空心砖，内燃烧砖，轮窑 隧道窑快烧等新技术，使制砖工艺一度跨入了先进行列。但在后来的生产 9 桂林工学院硕士学位论文 中，以小砖厂为主的现状使我国烧结砖制备工艺发展比较缓慢，与发达国 家的差距再次拉开。 烧结砖的砖型也有很大的变化，有向空心砖发展的趋势。空心砖不仅 根据其孔洞率的大小可以节约2 0 5 0 的原料，而且其生产能耗也只有 实心砖的1 3 l 4 。除其生产节能外，其建筑能耗及建筑使用能耗均比同 等墙体厚度的实心砖建筑节约3 3 3 ( k p l 型承重空心砖) ，并且旌工工效 提高3 0 ，砂浆节约4 0 左右【3 5 l 。但目前我国空心砖产量仅占砖总产量的 1o 3 0 。使烧结砖空心化是当前烧结砖改革的一个重要方向。 烧结砖的原料也有很大的变化。传统的烧结砖原料为粘土，由于取土 容易，价格低廉等优势，粘土一直都是烧结砖的主要原料。为了制备大量 的烧结砖来满足生活和生产的需要，大量的取土毁田。我国的耕地面积本 来就不足，与制砖毁地的矛盾日益加剧。随着人们耕地保护意识和资源充 分利用意识的不断提高，制砖原料也有了很大的扩展。我国制砖的非粘土 原料丰富。我国有丰富的与粘土性质很相似的页岩资源：我国还是产煤大 国，挖煤产出大量的粘土含量很高的煤矸石；烧煤还会产生大量的粉煤灰。 页岩、粉煤灰、煤矸石制砖早已工业化。其它原料，如石英砂、赤泥、矿 山尾矿、黄河淤泥、生活垃圾等用来制砖的研究也有不少被报道。为了保 护耕地，充分利用资源实现可持续发展，制砖原料已出现多元化，并向原 料废渣化的方向发展。 我国烧结砖的制造业也存在一些不足和问题。目前，我国年产墙材总 量为8 0 0 0 亿块( 折合为标准砖) 左右，其中烧结粘土实心砖4 8 0 0 亿块左右； 烧结多孔砖、空心砖、空心砌块和掺3 0 以上的煤矸石、粉煤灰等烧结废 渣砖2 2 0 0 亿块左右，非烧结墙材建筑砌块、加气混凝上、空心条板和各种 非烧结砖等合标砖10 0 0 亿块左右。烧结砖占墙材总量的8 7 5 ，仍是我国 墙材的主体材料。这些烧结砖以粘土砖为主，大量的取土烧砖，导致每年 约有lo 万亩的耕地被毁【34 1 。以废渣等非粘土为主要原料的烧结砖占的份 额还比较少，由于在价格上没有优势，推广困难。烧结砖的生产主体是小 砖厂，其工艺还停留在五六十年代，机械化程度低，生产效率低，产品单 一，档次低，质量不高且不稳定，导致不少产品达不到国家烧结砖标准。 大型的烧结砖企业太少，使得整个烧结砖行业生产效率低，技术更新慢， 废渣制砖和空心砖的推广慢，产品质量没保障，产品档次不高，产品品种 少。 1 5 琉璃瓦的历史与现状 1 0 桂林工学院硕士学位论文 在我国琉璃瓦的制造历史悠久，早在公元五世纪北魏都城一平城( 今大 同) 所建宫殿就使用琉璃瓦件装饰。隋唐时期是古代建筑琉璃技术发展的成 熟时期。“唐三彩”的发明，更丰富了琉璃瓦的色彩。琉璃瓦发展至宋代， 烧造技术更趋成熟；琉璃瓦的规格开始标准化，应用范围也明显扩大，出 现了雕刻精细、色彩斑斓的琉璃贴面瓦，并大量应用于建筑。明、清两代 琉璃瓦的生产，无论质量、数量、种类、规格都超过过去任何朝代。琉璃 釉色种类也在“唐三彩”的基础上，发展到翡翠绿、孔雀兰、葡萄紫、牙 白等数十种之多。琉璃瓦是用于建筑构件及艺术装饰的有强光泽色釉的陶 器，经过历代发展完善，形成了品种繁多、型制讲究、装配性强的系列产 品。琉璃瓦不但是我国古代传统建筑材料，也是我国陶瓷宝库中的古老珍 品之一。它吸水率低，降雨后屋面的荷重增加不大，保证了屋面重量的稳 定性。瓦面十分光洁，雨水流动畅通，解决了漏雨问题。琉璃制品耐风雨 侵蚀，不易褪色剥釉，又具有色彩绚丽、造型古朴、结构合理，富有我国 传统的民族特点l 拍】。 新中国成立以后，随着生产技术的不断进步以及人民生活水平的日益 提高，琉璃瓦这一历史上仅用于帝王将相府第和寺庙的建筑材料，已经进 入寻常百姓家。旅游事业的蓬勃发展，古典建筑、高档别墅的大量修建， 以及美化城市、工厂和家庭居室等的需要，使琉璃瓦行业得到了很大的发 展，琉璃瓦的质量也日益提高。 传统的琉璃瓦使用铅釉。铅釉有光泽好，烧结温度低等突出优点，但 铅的毒性较大，多需要两次烧成能耗高。铅釉在使用过程中还有铅的不断 溶出污染环境，铅釉已经被限制使用了。琉璃瓦用釉向低铅和无铅的方向 发展。琉璃瓦的烧成还有向能耗低，成本低的一次烧成的方向发展。唐纯 翼【3 7 】就研究了琉璃瓦的低温一次快烧。琉璃瓦还出现了原料的多样化。近 年来出现了利用页岩、粉煤灰、煤矸石、赤泥等劣质原料或废渣制备琉璃 瓦的研究 3 8 - 4 0 】。琉璃瓦原料的多样化和琉璃瓦的一次烧成能有效的降低琉 璃瓦的成本，有利于琉璃瓦的推广使用。 1 6 选题的目的和意义 在我国每年都产出超过8 0 0 万吨的赤泥，为了堆存赤泥，已建了数个 耗资数千万的赤泥堆场，每年还要消耗大量的堆场管理和维护费用，仍不 能避免对环境的污染。赤泥成为了一个制约我国铝业发展的重要因素。 为了生产高速发展需要的建筑用砖，我国每年都要消耗大量的粘土， 桂林工学院硕士学位论文 导致每年有大约l0 万亩的良田被毁。我国耕地面积严重不足，仅为世界人 均占有量的1 3 。为了保护赖以生存的粘土和耕地，我国政府已经在19 7 8 年和l9 91 年先后两次提出禁止生产和使用粘土实心烧结砖。但烧结砖的用 量极大，生产粘土烧结砖制造工艺简单，成本低廉，有一定的经济效益。 不少人在经济利益的驱使下，继续生产粘土实心砖，导致粘土实心砖的生 产屡禁不止。 本选题研究利用平果铝业的拜耳法赤泥制备烧结砖。烧结砖制备工艺 简单，容易实现工业化，而且烧结砖的原料需求量大，能消耗大量的赤泥， 能有效的缓解赤泥带来的各种问题。本选题从提高赤泥利用的经济价值考 虑，同时还对利用赤泥制备琉璃瓦进行研究。 本课题的意义有如下几点。 ( 1 ) 利用赤泥为主要原料制备烧结砖和琉璃瓦，与大量的赤泥堆存消 耗很多的堆场建设费用和管理费用，永久占用农田，污染环境等诸多方面 相比有很好的经济价值和环境意义。