酸法制備錳礦渣鋁硅磷質(zhì)材料及其性能表征研究

周樹(shù)年　黃連金　王強(qiáng)

【摘 要】以高嶺土和錳礦渣為原料，用85%磷酸作激發(fā)劑在常溫條件下制備鋁硅磷質(zhì)材料；以抗壓強(qiáng)度為性能指標(biāo)，用優(yōu)選法及平行實(shí)驗(yàn)法考察了固液比對(duì)材料性能的影響，并通過(guò)掃描電鏡（SEM）對(duì)材料內(nèi)部形貌與結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

【關(guān)鍵詞】錳礦渣；鋁硅磷質(zhì)材料；制備

中圖分類(lèi)號(hào)： TU528.041 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）06-0030-002

【Abstract】Using kaolin and manganese slag as raw materials，85% phosphoric acid was used as an activator to prepare aluminum-silicon-phosphorous materials under normal temperature conditions.With compressive strength as performance index，the solid-liquid ratio of the materials was investigated using the optimal method and parallel experiment method.The effect of the performance was observed by scanning electron microscope（SEM） on the internal morphology and structure of the material.

【Key words】Manganese slag；Al-Si phosphorous material；Preparation

鋁硅磷質(zhì)材料屬于磷酸鹽類(lèi)材料，該材料可利用磷酸或磷酸鹽跟堿性金屬氧化物之間的酸堿反應(yīng)，也可利用硅酸鹽類(lèi)物質(zhì)與磷酸通過(guò)熱處理工藝來(lái)制備[1]。磷酸或磷酸鹽與金屬氧化物反應(yīng)生成凝膠態(tài)的磷酸鹽，凝膠態(tài)的磷酸鹽沉積在未完全溶解的氧化物顆粒表面上，以氫鍵形式將反應(yīng)漿體聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體。這類(lèi)凝膠材料具有快凝、早強(qiáng)等特性，適用于搶修公路、橋面及機(jī)動(dòng)跑道等設(shè)施，其特有的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)也可用于固封危險(xiǎn)固體廢棄物。如周新濤[2]等用偏高嶺土和磷酸鹽溶液按P2O5與Al2O3摩爾比為0.202制得了膠凝性能和力學(xué)性能均較好的材料；曹德光[3]等也制備出了性能較好的偏高嶺石-磷酸基礦物鍵合材料。本文參照這兩位學(xué)者的制備方法，探索了以高嶺土和錳礦渣為原料制備鋁硅磷質(zhì)材料的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

錳礦渣：取自廣西崇左市廣西埃赫曼康密勞化工有限公司儲(chǔ)存的桶裝原渣；高嶺土：散裝，購(gòu)自廣西崇左市化工產(chǎn)品店；85%磷酸（A.R）：成都市科龍化工試劑廠生產(chǎn)；去離子水：取自實(shí)驗(yàn)室。

馬弗爐：101BS-2型，上海雙彪儀器設(shè)備有限公司；電子天平：BS-210g型，上海友聲衡器有限公司；快速六聯(lián)試模：2.0cm×2.0cm×2.0cm方格，上海雷韻試驗(yàn)儀器制造有限公司；電液式（數(shù)顯）萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)： WES-300D型，濟(jì)南品德試驗(yàn)機(jī)有限公司；掃描電子顯微鏡（SEM）：S-3400N型，日本日立公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）高嶺土和錳礦渣的活化

高嶺土和錳礦渣置于分別馬弗爐中煅燒活化：高嶺土800℃煅燒2h，轉(zhuǎn)化為偏高嶺土；錳礦渣600℃煅燒6h，提高反應(yīng)活性。冷卻后取出密封保存?zhèn)溆谩?/p>

（2）粉體的制備

將煅燒好的高嶺土和錳礦渣按質(zhì)量比為1：1的比例混合均勻，配制成錳礦渣粉體。

（3）鋁硅磷質(zhì)材料的制備

根據(jù)一定固液比稱(chēng)量錳礦渣粉體與85%磷酸于容器內(nèi)攪拌混合均勻，必要時(shí)加入適量的去離子水，調(diào)制成具有低流動(dòng)性漿體，注入2cm×2cm×2cm六聯(lián)試模方格內(nèi)（預(yù)涂凡士林），壓上配套蓋子，在室溫下放置3天后脫模養(yǎng)護(hù)至21d，即得材料試塊，用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定其抗壓強(qiáng)度，用SEM觀察內(nèi)部形貌及結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

（1）抗壓強(qiáng)度結(jié)果

按平行實(shí)驗(yàn)法考察了固液比對(duì)抗壓強(qiáng)度時(shí)影響，結(jié)果如表1。由表1中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)1：1的混合粉體按固液比為1：1進(jìn)行反應(yīng)制備時(shí)，材料的抗壓強(qiáng)度已達(dá)到在21d齡期的峰值，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)最高可達(dá)到8.83Mpa，說(shuō)明此時(shí)磷酸用量已充足，而當(dāng)固液比為1：0.5時(shí)抗壓強(qiáng)度還有提升空間、當(dāng)固液比超過(guò)1：1時(shí)抗壓強(qiáng)度并不再有明顯增加。此外，由于磷酸試劑（85%）本身的水含量較多，材料凝結(jié)和硬化的時(shí)間偏長(zhǎng)，不適合在7d和14d測(cè)定抗壓強(qiáng)度。

（2）SEM分析

用SEM觀察材料試塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖2：

材料試塊密實(shí)、質(zhì)地堅(jiān)硬，由圖2可見(jiàn)到斷面處呈清晰的層狀結(jié)構(gòu)，像陶質(zhì)（斷面無(wú)光澤）或瓷質(zhì)（斷面有光澤）。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，用高嶺土和錳礦渣作為原料制備鋁硅磷質(zhì)材料是可行性的，制備方法與地聚物材料的制備流程相似，不同的是材料凝結(jié)和硬化的時(shí)間偏長(zhǎng)，如在自然狀態(tài)下不適合測(cè)定7d和14d齡期的抗壓強(qiáng)度，21d齡期后基本可以測(cè)定。因此建議在材料凝結(jié)和硬化過(guò)程的適當(dāng)階段對(duì)其進(jìn)行熱處理以縮短制備周期。

【參考文獻(xiàn)】

[1]KINGERY W D.Fundamental study of phosphate bonding in refractories：Ⅱ，cold-setting properties. J Am Ceram Soc， 1950， 33（5） ： 242-250

[2]周新濤，蘇達(dá)根，鐘明峰.鋁硅磷質(zhì)膠凝材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2007，35（1）：105-108.

[3]曹德光，蘇達(dá)根，路波，等.偏高嶺石-磷酸基礦物鍵合材料的制備與結(jié)構(gòu)特征[J].硅酸鹽學(xué)報(bào).2005，（11）：1385-1389.