赤泥的基本性質(zhì)及其在建材工業(yè)中的應(yīng)用
赤泥是鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁過程中排出的工業(yè)廢渣，由于鋁土礦含鐵較高，殘渣外觀往往象紅色的粘土，故名“赤泥”；瘜W(xué)成分極其復(fù)雜。一般每生產(chǎn)一噸氧化鋁約產(chǎn)出1.0-1.3t赤泥。我國年排出的赤泥量已達到400萬噸，累積赤泥堆存量高達5000萬噸。目前能有效使用的約為15%左右。大量的赤泥已對人類從事生產(chǎn)、生活造成直接或間接的影響。隨著赤泥產(chǎn)出量的日益增加和人們對環(huán)境保護意識的不斷提高，最大限度地限制赤泥的危害，多渠道地利用和改善赤泥，已迫在眉睫。
從工程應(yīng)用角度出發(fā)，用工程地質(zhì)的觀點研究認識赤泥，進而利用和改善赤泥，國內(nèi)雖然有一些科研單位做了許多研究工作，但至今尚無較完整的理論。
1 赤泥的物質(zhì)組成
1.1化學(xué)成份
赤泥的化學(xué)成份取決于鋁土礦的成份、生產(chǎn)氧化鋁的方法、生產(chǎn)過程中添加劑的物質(zhì)成份和新生成的化合物的成份等。通常SiO2為20-25%、TiO2為3-5%、Al2O3為6-25%、Fe2O3為5-12%、CaO為40-50%、Na2O為2-4%、K2O為0.2-0.7%、SO3為0.4-0.6%、燒失量為6-14%、MgO為2%左右。
1.2礦物組成
采用偏光顯微鏡、掃描電鏡、差熱分析、X衍射、化學(xué)全分析、紅外吸收光譜和穆斯堡爾譜法等七種方法進行鑒定，結(jié)果表明赤泥的主要礦物為：文石和方解石含量為60-65%，其次是蛋白石、三水鋁石、針鎂礦，還有少量的鈦礦物、菱鐵礦、天然堿、水玻璃、鋁酸鈉和火堿。在這些礦物中，文石、方解石和菱鐵礦，既是骨架，又有一定的膠結(jié)作用；而針鎂礦、三水鋁石、蛋白石、水玻璃起膠結(jié)作用和填充作用。
1.3污染物
赤泥及其附液中的污染物主要有氟化物、堿、氯化物等，其中赤泥的PH值為10.2-11.9，氟化物含量4.8-8.6mg/l；浸出液的PH值為12.1-13，氟化物含量11.5-27mg/l。按《有色金屬工業(yè)固體廢物污染控制標準》（GB5058-85），因赤泥的PH值小于12.5，氟化物含量小于50mg/l，故赤泥屬于一般固體廢渣。但赤泥附液PH值大于12.5，氟化物含量小于50mg/l，污水綜合排放劃分為超標廢水，因此，赤泥（含附液）屬于有害廢渣（強堿性土）。
2 赤泥的物理性質(zhì)
2.1赤泥的顆粒分析
d＞0.75mm的粒組，含量在5%左右；
d=0.075-0.005mm的粒組，含量在90%左右；
d＜0.005 mm的粒組，含量在5%左右。
2.2赤泥的物理性質(zhì)指標
赤泥的物理性質(zhì)指標主要包括比重、密度、孔隙比、含水量、飽和度等。
比重2.8kN/m3(＞一般土)；
密度：天然密度14.5kN/m3(＜一般土)；
干密度7.66 kN/m3(＞一般土)；
孔隙比2.53-2.95 (＞＞一般土)；
含水量60-80% (＞＞粘土)；
飽和度91.5-99.6%(完全飽和)。
比表面積，總體上偏高，其最大值為186.9m2/kg，最小值為64.09m2/kg。
3 赤泥的綜合利用途徑
3.1赤泥中有價物質(zhì)的回收
由于赤泥中含有大量的氧化鐵、氧化鋁、氧化硅、氧化鈣、氧化鋅等，此外還含有微量元素Ti、Ni、Cd、K、Pb、As等，因此對赤泥中有價金屬的回收具有重要的意義。國外的實驗研究表表明，雖能回收了有價金屬，但由于赤泥中含有大量的硫化合物，對后期的熱處理過程有極大的影響，因此脫硫技術(shù)是該工藝的關(guān)鍵。此外，由于該工藝各工段均在高溫下運行，勢必將耗用大量的能源。而我國赤泥含有價金屬的含量相對較低，則回收利用生產(chǎn)效率很低，這種高投入、低產(chǎn)出的生產(chǎn)方法顯然是不經(jīng)濟的。
3.2赤泥在建材工業(yè)中的應(yīng)用
3.2.1以赤泥為原料生產(chǎn)水泥
⑴利用赤泥作原料生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥
國內(nèi)外實踐表明，用赤泥作原料可生產(chǎn)出多種型號的水泥。如以燒結(jié)法赤泥為原料生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥，生產(chǎn)該水泥工藝流程和技術(shù)條件與一般普通水泥廠相同，只是用赤泥代替了粘土。從生產(chǎn)氧化鋁工藝中排出的赤泥，經(jīng)過濾、脫水后，與砂巖、石灰石和鐵等共同磨制生料漿，使之達到技術(shù)指標后，用流入法在蒸發(fā)機中除去大部分水份，而后在回轉(zhuǎn)窯中煅燒成熟料，加入適量的石膏和礦渣等活性物質(zhì)，磨至一定細度即成水泥。每生產(chǎn)一噸水泥可利用赤泥400kg。根據(jù)長期實踐，采用濕法工藝生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥的質(zhì)量能達到普通硅酸鹽水泥的國家標準，并具有早強、抗硫酸鹽侵蝕等優(yōu)越性能。20世紀90年代初，山東鋁廠就已形成水泥生產(chǎn)能力110萬噸，年處理赤泥量達35萬噸。
⑵赤泥作原料用于水泥生產(chǎn)時存在的問題
由于赤泥本身所具有的特點，不僅使以其為原料的水泥生產(chǎn)方式受到了一定的限制，并且其產(chǎn)品的應(yīng)用也有一定的限制。從生產(chǎn)方式及產(chǎn)品應(yīng)用兩方面看，主要存在以下問題。
①赤泥堿含量偏高，難以生產(chǎn)低堿水泥。
②受氧化鋁生產(chǎn)的影響，赤泥質(zhì)量（成分）易產(chǎn)生波動，從而給水泥生產(chǎn)帶來被動，甚至影響到水泥的實物質(zhì)量。尤其是赤泥的堿含量若過高，不僅使以赤泥為原料的水泥生產(chǎn)失去優(yōu)越性，而且還會造成負面影響。
③由于赤泥含堿量較高且含有60%以上的水份，因此較適合于能耗高的濕法工藝生產(chǎn)。
⑶采用赤泥配料的水泥生產(chǎn)技術(shù)改造方案的探討
為了克服濕法生產(chǎn)存在的能耗高、設(shè)備自動化程度低、勞動生產(chǎn)率低、設(shè)備多、環(huán)保狀況差等不足，利用赤泥濕法生產(chǎn)水泥的廠家，如山東鋁廠曾致力于老系統(tǒng)的技術(shù)改造，力求通過嫁接先進的新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)及裝備來改善現(xiàn)有的生產(chǎn)方式，實現(xiàn)向優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗的生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變。但在試驗過程中曾發(fā)現(xiàn)：
①靠近窯尾的煙塵室內(nèi)結(jié)皮比較嚴重。結(jié)皮中SO42-、R2O、Cl-的含量很高，礦物主要為硬石膏、鈣鋁黃長石（2CaO•Al2O3•SiO2）、鋁酸三鈣和白榴石（K2O•Al2O3•4SiO2）等。
②打散破碎出口煙道極易結(jié)料堵塞。
③預(yù)熱器進出口及錐體部位結(jié)皮堵塞頻繁。
④圓盤過濾機的真空泵因水封用水達不到要求而出現(xiàn)經(jīng)常性故障。
⑤濾餅入烘干破碎機的立式螺旋運轉(zhuǎn)容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。
⑥濾餅通過皮帶輸送入烘干機經(jīng)常出現(xiàn)壓住皮帶、濺料和粘料等問題。
⑷利用赤泥作原料生產(chǎn)硫鋁酸鹽水泥
已有人在實驗室以赤泥、石灰石、礬土為主要原料（赤泥的使用比率為40%）制備硫鋁酸鹽水泥，在1300℃條件下表現(xiàn)出了良好的易燒性，主要礦物（硫鋁酸鈣、硅酸二鈣和鐵鋁酸鈣）發(fā)育良好。當赤泥配料在40%左右時，設(shè)計礦物組成硫鋁酸鈣56%、硅酸二鈣30%和鐵鋁酸鈣14%時，水泥水化早期強度發(fā)展較好，而且增進穩(wěn)定，水化漿體結(jié)構(gòu)密實。對比試驗表明，制備的硫鋁酸鹽水泥力學(xué)性能優(yōu)于市售的425標號快硬硫鋁酸鹽水泥。
3.2.2制備無熟料水泥—堿礦渣赤泥水泥
堿激發(fā)膠凝材料是堿性激發(fā)劑與鋁硅酸鹽物質(zhì)以適當?shù)呐浜媳然旌现瞥傻囊环N無熟料水硬性膠凝材料。其中研究得最早也比較成功的堿礦渣水泥，是由烏克蘭水泥科學(xué)家Glukhovsky VD為首的研究小組于上世紀50年代后期研究發(fā)明的。80年代又成功地將堿礦渣水泥應(yīng)用于實際建筑工程之中。法國人Davidovits J在上世紀70年代利用堿激發(fā)燒粘土成功地研制出土壤聚合水泥（Geopolymer cement）。80年代美國相繼利用類似的方法研制出具有快硬高強特性的派拉蒙特（Pyrament）水泥，用于軍事工程。我國大約從上世紀80年代初期開始這方面的研究。迄今為止，堿激發(fā)膠凝材料以其早強、快硬、高強及耐化學(xué)侵蝕等優(yōu)越的特性而受到水泥界的關(guān)注。
在中國，由于礦渣和各類堿的價格較高，且礦渣作為水泥的混合材供不應(yīng)求，從而堿激發(fā)膠凝材料的研究和應(yīng)用推廣受到了一定的限制，利用礦渣以外的工業(yè)廢渣替代部分礦渣將是一條有效的途徑。
根據(jù)分析，赤泥中含有一定量的β-C2S的水硬活性和無定形鋁硅酸鹽物質(zhì)的潛在水硬活性，又可能利用其中的游離堿充當部分堿性激發(fā)劑。國內(nèi)已有利用復(fù)合高效固體堿性激發(fā)劑激發(fā)礦渣和赤泥，成功地研制出具有優(yōu)良性能的堿礦渣赤泥水泥。當水泥中礦渣與赤泥之比為70:30，固體堿性激發(fā)劑的摻加量為14%時，該水泥具有正常的凝結(jié)時間、良好的體積安定性和高的強度。具體性能如下：
⑴堿礦渣赤泥水泥具有正常的凝結(jié)性能，初凝和終凝時間分別為65min和95min，能滿足建筑工程的施工。
⑵堿礦渣赤泥水泥具有早期強度發(fā)揮快，后期強度持續(xù)增長的特點。砂漿1d抗壓和抗折強度（強度測試方法均為1999年標準）分別達20MPa和3.3MPa；28d分別達56.0MPa和 8.4MPa。
⑶堿礦渣赤泥水泥硬化漿體具有良好的體積穩(wěn)定性和耐久性。干縮小，28d 以后的干縮率只有同標號普通硅酸鹽水泥的2/3左右；抗碳化能力強，強制碳化28d后的碳化深度小于同標號普通硅酸鹽水泥。
⑷堿礦渣赤泥水泥具有良好的耐化學(xué)侵蝕性。對Na2SO4、MgSO4、MgCl2、NaCl溶液、稀鹽酸溶液和模擬海水的耐蝕性均優(yōu)于同標號普通硅酸鹽水泥。
⑸堿礦渣赤泥水泥具有良好的抗凍性。經(jīng)過13次、25次和50次凍融循環(huán)后，試塊的質(zhì)量和強度損失率均低于同標號普通硅酸鹽水泥。
3.2.3利用赤泥生產(chǎn)磚
利用赤泥作主要原料可生產(chǎn)多種磚，如免蒸燒磚、粉煤灰磚、黑色顆粒料裝飾磚、陶瓷釉面磚等。其中以燒結(jié)法赤泥制釉面磚為例，采用的原料組份較少，除赤泥作為基本原料外，僅輔以粘土質(zhì)和硅質(zhì)材料。其主要工藝過程為：
原料→預(yù)加工→配料→料漿制備（加稀釋劑）→噴霧干燥→壓型→干燥→施釉→煅燒→成品。
該法生產(chǎn)的陶瓷釉面磚，以工業(yè)廢渣和劣質(zhì)原料取代了傳統(tǒng)的陶瓷原料。且配料組份少，價格低，利于降低生產(chǎn)成本費用，可用于生產(chǎn)黃色素面磚以節(jié)省化工原料和顏料。
對于利用赤泥與粉煤灰作原料生產(chǎn)免燒磚，由于人們使用習(xí)慣的影響和免燒磚自身在建筑施工中的某些不足，目前市場上對免燒磚的認可度還不夠高，而利用赤泥燒結(jié)磚則較有前途。這主要因為赤泥由于粒度細、質(zhì)軟、有較強的塑性及其物理性質(zhì)與粘土相似，可替代粘土用于燒結(jié)磚生產(chǎn)，坯料具有良好的成型性能。同時，由于其堿性氧化物含量高，融點較低，在高溫時其微粒表面形成部分熔融狀態(tài)，互相粘連并促成各礦物成分的反應(yīng)，使新的礦物與生成物迅速結(jié)晶長大，在坯體內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而具有較高的產(chǎn)品強度。根據(jù)赤泥的成份與物理性質(zhì)，可以斷定：赤泥既有成型塑性，又有良好的高溫?zé)Y(jié)性，能與粉煤灰配料（粉煤灰：赤泥=70:30），生產(chǎn)出質(zhì)量優(yōu)良的燒結(jié)磚。需要指出的是，赤泥的塑性指數(shù)與其堆放的時間及風(fēng)化程度有關(guān)。新鮮赤泥的塑性指數(shù)為16，但暴露于空氣中的風(fēng)化赤泥則基本沒有塑性，而堆存的未暴露于空氣中的赤泥的塑性指數(shù)則在10左右。因而，在赤泥的利用中必須注意赤泥的新鮮程度。對于堆存赤泥用來制磚時，由于其塑性較低，無法滿足成型性能的要求，必須考慮增強坯料塑性的其它措施，如在配料中增加煤矸石或無機添加劑。
3.2.4赤泥在新型干法水泥生產(chǎn)線利用存在無法解決的難題
⑴由于赤泥含有60%以上的水分，無法烘干并且收塵也難于解決。
⑵赤泥水分大，在堆料場地?zé)o法存放，也不便于均化。
⑶因堿含量高對輸送設(shè)備腐蝕嚴重，維修費用高，不經(jīng)濟。
⑷赤泥水分大、堿含量高，因而在輸送和儲存時粘結(jié)、堵塞現(xiàn)象頻繁，很難保證配料的準確和生產(chǎn)的通暢。
⑸從新型干法生產(chǎn)工藝來說，原燃料中的堿、硫、氯等揮發(fā)性組分的循環(huán)富集是目前在其生產(chǎn)工藝上還沒有得到很好解決，因此，工廠常？刂祁A(yù)分解窯物料的硫堿摩爾數(shù)比（不超過0.80）。由于硫酸鹽在回轉(zhuǎn)窯的燒成帶又氣化分解，造成了硫和堿在窯系統(tǒng)中的循環(huán)、富集。硫堿比過高，從而導(dǎo)致分解爐和預(yù)熱器結(jié)皮，引起塌料和堵塞，使生產(chǎn)工藝操作易發(fā)生事故。
4 結(jié)語
氧化鋁廠赤泥綜合利用問題是一個世界性的難題。目前對赤泥利用僅研究其用途，而不探索其中有用組份的綜合回收。其次，對赤泥的某種用途有無開發(fā)價值，很大程度上取決于其產(chǎn)品附加值的高低，若開發(fā)的產(chǎn)品與被替代的同類產(chǎn)品相比無價格上的優(yōu)勢，則難于產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。近年來，許多國家致力于赤泥中有用物質(zhì)的回收技術(shù)的開發(fā)，有用物質(zhì)的回收，同時也去除了大量有害物質(zhì)。相信，赤泥的綜合利用在不久的將來會具有廣闊的前景。
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