拜耳法赤泥的添加对混凝土性能 影响的研究.doc
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1、拜耳法赤泥的添加对混凝土性能影响的研究 作者: 王志开 学号: 200804030 指导教师: 李绍纯 赤泥对混凝土性能的影响研究摘要赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣,一般平均每生产1t氧化铝,附带产生1.0-2.0t的赤泥。我国作为世界第4大氧化铝生产国,每年排放的赤泥高达数百万吨。另外, 本课题的主要目的是研究混凝土内掺赤泥以及赤泥的掺量对混凝土性能的影响初步掌握赤泥与混凝土之间的相互作用机理,并熟练进行配方设计与实验研究,掌握对混凝土各种性能的测试方法。试验选用赤泥为水洗法脱碱后赤泥,混凝土的水灰比为0.4,经内掺养护处理后,测试混凝土的抗压强度、抗折强度以及其物相结构和微观结
2、构分析,通过试验分析赤泥掺量对混凝土性能的影响。结果表明,最经济可行的水洗脱碱工艺参数为:在室温下,液固比为5:1,浸泡时间1天,洗涤次数5次以上; 三种钙化物的用量在置换赤泥中的Na+中存在最大值,且随着反应时间的延长,钙离子置换法中的反应会持续进行下去,置换出结合碱中的钠。加入赤泥后,促进了水泥基材料的水化进程,使混凝土材料的7d抗压强度提高10MPa13MPa,达到28d强度的90%;7d抗折强度提高2.81MPa,之后不再随养护龄期变化。另外,赤泥的对混凝土微观结构的影响不明显。关键词:赤泥 脱碱 物相结构 微观结构AbstractRed mud is the polluting wa
3、ste residue of extraction of alumina at the aluminum industry, the general average production of 1t of alumina, produced 1.0-2.0t with red mud. China as the worlds fourth-largest alumina producer, its annual emissions of red mud is up to millions of tons. In addition, the red mud contains large amou
4、nts of CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 and other alkaline oxides, but also makes a lot of red mud that can not be fully effective use, rely on a large area of the yard piled up a lot of land, also caused serious environmental pollution. Therefore, it has important significance to research the red mud.The ma
5、in aims of this project are to investigate the study of concrete with red mud and the performance of red mud content on concrete , to preliminary master the concrete mechanism of interaction between each other, And master the formulation design and experimental studies skillfully, master of the conc
6、rete performance test methods. Test selection of red mud was the red mud that off the alkali by washing method. The water-cement ratio of Concrete 0.4 have been selected, After processing of the within-doped conservation, to test the concrete compressive strength, flexural strength, and its phase st
7、ructure and microstructure analysis, to analysis of the properties of concrete contented on red mud through the test.The results showed that The most economical and feasible water elution alkali process parameters was in room temperature, the liquid-solid ratio of 5:1 and immersion time was 1 day, w
8、ashing number above 5 times; Three kinds of calcification were joined in red mud to displace the Na+ that exist in maximum, and with the reaction the extension of time, the calciumion replacement method of the reaction will continue to carry on, the replacement of the alkali combined with sodium. Af
9、ter joining the red mud, the hydration process of cement-based materials was promoted, and the 7 d compressive strength of concrete increased 10MPa 13MPa, to 90% of 28d intensity. The 7d flexural strength was improved 2.81MPa, no longer change with the age change. In addition, the effects of red mud
10、 addition to the microstructure of concrete are not obvious.Key words: red mud ;Off alkali ;phase structure;Microstructure目录摘要IAbstractII前言1第1章 绪论21.1 赤泥的物化性质21.1.1物理性质21.1.2 化学性质21.1.3 矿物组成21.2 赤泥的脱碱21.2.1石灰法21.2.2常压悬浮碳化法231.2.3酸洗法31.2.4 水洗法31.3 赤泥的综合利用41.3.1生产水泥41.3.2 利用赤泥生产砖和陶粒41.3.3 利用赤泥生产加气混凝土砌
11、块51.3.4 赤泥路面基层材料51.3.5 制备新型功能性材料51.3.6 利用赤泥生产硅钙复合肥61.3.7 铁的回收61.3.8 钠、铝的回收61.3.9 钪、钛的回收71.4 赤泥回收利用工艺71.4.1 赤泥还原炼铁炉渣浸出工艺71.4.2 焙烧还原-磁选-浸出工艺81.4.3 赤泥直接浸出提取工艺91.5 本课题研究目的和内容10第2章 混凝土试件的制备与试验方法112.1 混凝土试件的制备112.1.1 基本原材料112.1.2 混凝土配合比122.1.3 试件成型及养护122.2 试验方法132.2.1 水洗法脱碱132.2.2钙离子置换脱碱142.2.3 砂石的清洗142.2
12、.4 赤泥的准备152.2.5 坍落度试验152.2.6 抗压强度试验152.2.7 抗折强度试验162.2.8 物相组成(XRD)试验172.2.9 微观结构18第3章 实验结果与分析193.1水洗法脱碱193.1.1液固比的影响193.1.2 温度的影响193.1.3浸泡时间的影响203.1.4洗涤次数的影响213.2 钙离子置换脱碱研究213.3 坍落度试验223.4 抗压强度233.5 抗折强度243.6 物相组成(XRD)试验253.7 微观结构29第4章 结论31第5章 翻译325.1 外文原文325.2 中文翻译45参考文献58致 谢60前言赤泥是氧化铝生产中的废弃物,因含有大量
13、氧化铁而呈红色,因此被称为赤泥。赤泥是一种不溶性残渣,可分为烧结法、拜尔法和联合法赤泥。全世界每年产生的赤泥约7000万吨,而我国作为世界第四大氧化铝生产国,每年所产生的赤泥保守估为3000万吨以上,累积堆存量达到2亿吨。随着我国氧化铝产量的逐年增长和铝土矿品位的逐渐降低,赤泥的年产生量还将不断增加,预计到2015年,赤泥累计堆存量将达到3.5亿吨。大量的赤泥不能充分有效的利用,只能依靠大面积的堆场进行堆放。氧化铝厂大都将赤泥输到堆场,筑坝湿法堆存,靠自然沉降分离。另一种方法是将赤泥干燥脱水后堆存。赤泥的堆存不但需要一定的基建费用,而且使赤泥中的许多可利用成分得不到合理利用,造成了资源二次浪费
14、,严重的阻碍了铝工业的可持续发展。而在堆放过程中除了占用大量土地之外,还由于赤泥中的化学成分入渗到土地易造成土地碱化、地下水污染,人们长期摄取这些物质,必然会影响到身体健康。赤泥的主要污染物为碱、氟化物、钠及铝等,其含量较高,超过了国家规定的排放标准(有色金属工业固体废物污染控制标准GB5058-85)。由于赤泥中含有大量的强碱性化学物质,稀释10倍后其pH值仍为11.25-11.50,极高的pH值决定了赤泥对生物和金属、硅质材料的强烈腐蚀性。高碱度的污水渗入地下或进入地表水,使水体pH值升高,以致超过国家规定的相应标准,同时由于pH值的高低常常影响水中化合物的毒性,因此还会造成更为严重的水污
15、染。一般认为碱含量为30-400mg/L是公共水源的适合范围,而赤泥附液的碱度高达26348mg/L,因此高碱度的赤泥附液进入水体,其污染不言而语,赤泥对生态环境的不良影响必须给予高度的重视和认真的研究,随着铝工业的发展,生产氧化铝排出的赤泥量也日益增加,所造成的环境污染也随之越来越严重,已使赤泥综合利用成为炼铝工业一项急需解决的难题。五十年代以来,国内外相继开展了对赤泥的研究开发利用。日本和美国用赤泥制造人工轻骨料混凝土,比天然卵石混凝土强度还要高,已获国际专利。美国利用赤泥生产砖,英国把赤泥应用于陶瓷工业和工业砖,均获专利。前东德用赤泥生产混凝土轻型构件已获专利。西德掺赤泥于沥青混凝土中,
16、改善了沥青混凝土路面的使用性能。前苏联把赤泥用作道路基层材料。我国赤泥每年排放量相当大,在国内还没有得到广泛的开发利用。本课题的研究,对于工业废渣的综合利用,开发新的筑路材料,改善混凝土的路用性能,保护环境,及降低工程造价,都有重要的意义。第1章 绪论1.1 赤泥的物化性质1.1.1物理性质赤泥是呈灰色和暗红色粉状物,颜色会随含铁量的不同发生变化,它是一种具有较大内表面积多孔结构,其比重2840,-2870 gm3,赤泥的含水量8601-89.97,饱和度94.4-99.1,持水量79.03-93.23;塑性指 数17.030.0;粒径d=O.0750.005 mill的粒组,含量在90左右:
17、比表面积64.09-186.9 m2g,孔隙比2.532.95。1.1.2 化学性质赤泥的化学成分及矿物组成取决于含铝矿物的成分、生产氧化铝的方法和生产过程中添加剂的物质成 分,以及新生成的化合物的成分等其主要化学成分见表。表 1-1 赤泥的主要组成成分与含量成分SiO2Al2O3CaOFe2O3含量(%)20.8-23.562.56-8.2140.5-49.54.0-9.12Na2OK2OMgOTiO2其他0.76-2.10.5-1.00.89-1.381.34-2.910-13.21.1.3 矿物组成 采用偏光显微镜、扫描电镜、差热分析、X衍射、化学全分析、红外吸收光谱和穆斯堡尔谱法等七种
18、方法进行鉴定,结果表明赤泥的主要矿物为:文石和方解石含量为60-65%,其次是蛋白石、三水铝石、针镁矿,还有少量的钛矿物、菱铁矿、天然碱、水玻璃、铝酸钠和火碱。在这些矿物中,文石、方解石和菱铁矿,既是骨架,又有一定的胶结作用;而针镁矿、三水铝石、蛋白石、水玻璃起胶结作用和填充作用。1.2 赤泥的脱碱1.2.1石灰法石灰法脱碱就是在水热条件下把赤泥中的的钠硅渣变成钙硅渣,使钠硅渣中的Na2O进入液体,达到脱碱的目的1。主要反应为:Na2O-Al2O3-nSiO2-mH2O+3Ca(OH)2+aq=3CaO-Al2O3-nSiO2-(6-2n)H2O+2NaOH+aq (1)2NaAlO2+3Ca
19、(OH)2+aq=3CaO-Al2O3-6H2O+2NaOH+aq (2) 由反应(1)可以看出钙的加入量至少满足CaO/Na2O分子比为3.0的要求,当钙加入量较少时,脱碱反应主要为(1)反应,但若加钙量大于上述范围,就会发生反应(2),即加入钙与溶液中铝氧、碱反应,造成氧化铝从溶液中消失,以铝酸钙的形式进入赤泥中,这就使脱碱赤泥的物相中较原赤泥多存在了铝酸钙物相。除此之外,赤泥中其他含碱成分如Na2CO3,NaSO4,Na2SiO3也可与Ca(OH)2反应生成不溶性物质进入赤泥,进一步降低赤泥中的碱含量。 另外,相同条件下,脱碱率随着温度的升高而提高,以往文章中的脱碱温度都很高,并需要加压
20、。但利用赤泥生产的本身温度,适当的延长加热时间可以在低温下达到同样的效果,与以往加热加压脱碱相比更节约了成本。 相关研究表明:低温拜耳赤泥脱碱的优化工艺条件为:温度70。C-90。C,钙钠比3.0左右,时间4-7小时,在此条件下的脱碱率可达到80%以上,赤泥脱碱渣中氧化钠含量低于1%。1.2.2常压悬浮碳化法2将烧结法赤泥在马弗炉中于600-700。C下焙烧5h,然后粉碎研磨过筛,置于脱碱反应器中,按一定的液固比定量加入去离子水,充分搅拌合成泥浆状,并在设定温度下,按一定的气体速率通入CO2进行气液固三相脱碱反应。结束后,将澄清液与固渣进行离心分离。 赤泥本身附带一定的结晶水,经600-700
21、。C 焙烧后,结晶水被完全去除3。在水热反应条件下,赤泥的附着碱溶解于反应溶液中,并在赤泥颗粒表面与水相溶液之间形成一种亚稳动态碱溶液平衡。当CO2进入反应体系中,与溶液中的碱发生反应后,这种平衡被打破,造成了液固界面与溶液中碱含量的浓度差,迫使赤泥的附着碱不断进入反应体系中进行脱碱反应,最终完成脱碱过程。 赤泥的悬浮碳化法脱碱工艺属于气、液、固三相反应,在整个脱碱过程中,CO2气体主要与溶液中的碱性化合物发生碳化反应,以达到脱碱的目的。1.2.3酸洗法该方法包括稀硫酸脱碱阶段和加压氧化钙脱碱阶段,即先将赤泥配制成料浆导入研磨机进行研磨,根据赤泥中碱的含量将所需稀硫酸缓慢加入料浆中进行研磨,研
22、磨后将其过滤、洗涤得到滤饼,分析其中碱的含量;根据分析所得滤饼中碱的含量加入所需氧化钙,混合均匀,然后导入高压反应釜加热反应,反应后冷却、过滤、洗涤,将得到的滤饼干燥,最后分析干燥后滤饼中碱的含量。1.2.4 水洗法纯水脱碱法即采用不同温度的水对赤泥进行多次洗涤脱碱,但不同的温度下纯水脱碱洗涤效果存在相似性,差异性不大,因此冷水洗涤条件下回收的碱质量最多,平均质量浓度最高。1.3 赤泥的综合利用1.3.1生产水泥 国内外实践表明,赤泥可生产出多种型号水泥4-5任冬梅等6综合评述了利用赤泥生产水泥的研究进展俄罗斯第聂伯铝厂利用拜耳法赤泥生产水泥,生料中赤泥配比可达14日本三井氧化铝公司与水泥厂合
23、作,以赤泥为铁质原料配入水泥生料,水泥熟料可利用赤泥5-20 kgt俄罗斯沃尔霍夫、阿钦和卡列夫氧化铝厂以霞石为原料,利用产生的赤泥生产水泥,进行石灰石、赤泥两组分配料试验,可利用赤泥629795 kgt水泥,为烧结法赤泥的综合利用开辟了有效途径我国山东铝厂早在建厂初期就对赤泥综合利用进行了研究,在上世纪60年代初建成了综合利用赤泥的大型水泥厂,利用烧结法赤泥生产普通硅酸盐水泥,水泥生料中赤泥配比年平均为20.0%-385,水泥的赤泥利用量为210.0-420kgt,产出赤泥的综合利用率30-55 由于赤泥含碱量高,赤泥配比受水泥含碱指标制约为更加有效地利用赤泥生产水泥,山东铝业公司已完成 国
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