我國(guó)高鋁礬土資源主要用于金屬鋁的工業(yè)生產(chǎn)，耐火材料制備及陶瓷、水泥等工業(yè)。根據(jù)原料處理方法的不同可分為高溫煅燒利用及低溫煅燒利用。

鋁礬土經(jīng)過(guò)低溫煅燒可激發(fā)其水化活性，使其成為很好的膠凝材料摻合料。煅燒溫度是激發(fā)高鋁礬土水化活性的關(guān)鍵，因此，通過(guò)對(duì)不同溫度下煅燒鋁礬土的產(chǎn)物結(jié)晶特性的分析，可以預(yù)測(cè)鋁礬土被熱力激發(fā)后產(chǎn)生的水化活性的相對(duì)大小。

本研究以D-K型高鋁礬土為研究對(duì)象，通過(guò)XRD及SEM等分析，計(jì)算待測(cè)樣品的相對(duì)結(jié)晶度，據(jù)此對(duì)不同溫度下低溫煅燒的高鋁礬土進(jìn)行晶相活性分析，為輕燒高鋁礬土作為膠凝材料摻合料提供理論依據(jù)。

輕燒高鋁礬土的應(yīng)用十分廣泛，戴銀所用鋁礬土與石膏的復(fù)合摻料制備了一種灌漿材料，當(dāng)鋁礬土與石膏中的SO?與Al?O?物質(zhì)的量之比為3，摻量在15%時(shí)，灌漿材料的流動(dòng)度與初凝時(shí)間、膨脹率等全部滿足施工要求。王曉燕開(kāi)展了利用低溫煅燒鋁礬土制備活性氧化鋁摻合料的研究，鋁礬土在500℃煅燒1h，摻加量為30%時(shí)對(duì)堿骨料膨脹反應(yīng)的抑制效果較好，可將膨脹率控制在0.1%以內(nèi)。此外，低溫煅燒鋁礬土的摻加可抑制混凝土中危害耐久性的堿-硅酸反應(yīng)的進(jìn)行。可見(jiàn)，掌握輕燒高鋁礬土煅燒過(guò)程中的結(jié)晶性質(zhì)對(duì)于高鋁礬土的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1.1試驗(yàn)原料的成分

試驗(yàn)用鋁礬土來(lái)自山西陽(yáng)泉，屬一水型(D-K型)高鋁礬土。將試驗(yàn)用礦石碎磨至過(guò)200目篩，其主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，XRD圖譜見(jiàn)圖1。

由表1可看出，高鋁礬土生料的鋁含量高達(dá)86.70%，具有良好的水硬性膠凝潛力，可以通過(guò)恰當(dāng)?shù)臒崃W(xué)激發(fā)方式產(chǎn)生活性鋁。由圖1可看出，高鋁礬土生料的主要成分為一水硬鋁石(Diaspore)，其分子式為AlO(OH)。

1.2試驗(yàn)原料的熱重性能

圖1為高鋁礬土生料的差示掃描量熱法與熱重分析(DSC-TGA)曲線。由圖2可看出：高鋁礬土從480.8℃開(kāi)始脫水，發(fā)生晶型轉(zhuǎn)化;在517.4℃時(shí)脫水速率達(dá)到最大值，同時(shí)質(zhì)量急劇減少;從450℃至600℃，失重量達(dá)到14.47%;在575℃時(shí)基本完成脫水過(guò)程。300℃附近開(kāi)始發(fā)生吸熱的晶型轉(zhuǎn)變，517.4℃時(shí)吸熱量達(dá)到峰值，晶型轉(zhuǎn)變大量吸熱，晶相活性增加，結(jié)晶水脫除后吸熱量降低。

1.3煅燒試驗(yàn)及活性檢測(cè)方法

將盛裝30g高鋁礬土生料的坩堝放入馬弗爐中，馬弗爐按10℃/min的升溫速度升至一定溫度后保溫300min，煅燒完成后爐內(nèi)緩慢冷卻至室溫，然后對(duì)煅燒熟料進(jìn)行XRD測(cè)試(測(cè)試儀器為日本理學(xué)RigakuD/maxX射線衍射儀，Cu靶，管壓40kV、管流40mA、步寬0.02°)，并分析生成晶相的活性，利用MDIJADE6.5軟件包(USAMaterialsDataInc)對(duì)獲得的XRD圖譜進(jìn)行定性分析，利用XRD全譜擬合法對(duì)定性的物相進(jìn)行半定量相分析;用HitachiS-3400N掃描電子顯微鏡對(duì)煅燒熟料進(jìn)行表面形貌分析。根據(jù)煅燒后的晶型轉(zhuǎn)變程度判斷晶相的活性。

2.1煅燒熟料的XRD物相分析

圖3為不同溫度下煅燒熟料的XRD圖譜

對(duì)比圖1和圖3可以看出，經(jīng)過(guò)450℃及以上的低溫煅燒，高鋁礬土的晶型發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變，生料中的主要成分一水硬鋁石(AlO(OH))經(jīng)過(guò)熱力激發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榱?a href='/news/search/key/%25E5%2588%259A%25E7%258E%2589.html' target='_blank'>剛玉(Corundum，Al?O?)。

生料中的鋁以一水硬鋁石的形式存在，其結(jié)晶程度完好，晶格排列較整齊，晶格缺陷少，因此活性較差。通過(guò)熱力激發(fā)，生料中的主要含鋁礦物晶型發(fā)生了轉(zhuǎn)變，晶格發(fā)生了重排，且晶體失去結(jié)晶水，導(dǎo)致晶格缺陷增多，比表面積增大，晶相活性增大。

為了探索煅燒溫度對(duì)晶型轉(zhuǎn)烴的影響程度，對(duì)不同的煅燒溫度下熟料的XRD圖譜主峰相對(duì)高度及晶面間距進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可看出，煅燒溫度不同，高鋁礬土生料的主要成分一水硬鋁石轉(zhuǎn)變成剛玉晶體的程度也不同，即結(jié)晶形態(tài)不同，因此導(dǎo)致X射線衍射峰高度及半峰寬均出現(xiàn)差異。根據(jù)謝樂(lè)公式，當(dāng)X射線入射到小晶體時(shí)，其衍射線條將變得彌散而寬化;晶粒越小，X射線的衍射譜帶的寬化程度就越大;反之，晶體結(jié)晶程度提高，晶粒尺寸變大，衍射強(qiáng)度相應(yīng)增加，對(duì)應(yīng)晶體的衍射線條將變得細(xì)長(zhǎng)。衍射峰的峰高值即為衍射強(qiáng)度，因此，通過(guò)衍射峰的衍射強(qiáng)度可以推測(cè)煅燒生成的晶體發(fā)育狀況，進(jìn)而根據(jù)海德華定律，得出不同溫度下煅燒熟料晶相活性的相對(duì)強(qiáng)弱。

X射線衍射技術(shù)作為一種典型的晶體性質(zhì)測(cè)試手段，可以定量測(cè)得試樣的結(jié)晶度，而結(jié)晶度又決定了晶體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷、對(duì)稱性及晶體活性等整體性能，從而可以用來(lái)分析析晶機(jī)理。通過(guò)X射線衍射方法測(cè)量結(jié)晶度，是通過(guò)測(cè)定結(jié)晶部分的累積衍射強(qiáng)度Ic和非晶部分的累積衍射強(qiáng)度Ia，以及結(jié)晶部分質(zhì)量分?jǐn)?shù)X(c結(jié)晶度)和非晶部分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Xa，并根據(jù)X射線衍射定量分析的基本公式來(lái)計(jì)算的。

不同溫度下煅燒熟料的XRD衍射強(qiáng)度見(jiàn)表2，結(jié)晶度(Xc)與煅燒溫度的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖5。

由圖5可看出，在450℃至550℃開(kāi)始發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間內(nèi)，煅燒產(chǎn)物的結(jié)晶度先降低后升高，500℃下煅燒的產(chǎn)物結(jié)晶度最低，根據(jù)海德華定律，此時(shí)晶相活性最高，因此，500℃下煅燒熟料作為礦物填料的膠凝反應(yīng)活性最高，這與文獻(xiàn)的結(jié)論一致。在煅燒溫度小于500℃時(shí)，由于熟料中原有晶型脫水轉(zhuǎn)變?yōu)閯傆窬w的比例較小，原有晶型仍占有一定比例，因此總結(jié)晶度高于500℃;煅燒溫度為500℃時(shí)，剛玉晶體結(jié)晶狀態(tài)最差，活性Al?O?所占比例最多;煅燒溫度大于500℃時(shí)，熟料晶型轉(zhuǎn)變比例持續(xù)升高，結(jié)晶度隨煅燒溫度的升高而增大，晶相的膠凝反應(yīng)活性逐步降低，結(jié)晶度的增長(zhǎng)速率在700℃及850℃時(shí)放緩，說(shuō)明在這2個(gè)溫度附近，剛玉晶體因進(jìn)一步發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變而吸熱。因此，通過(guò)熱力激發(fā)的方式提高高鋁礬土的膠凝反應(yīng)活性的最佳煅燒溫度為500℃。

2.2煅燒熟料的SEM形貌分析

高鋁礬土生料的主要成分為一水硬鋁石，礦物解理平行，板面完全，屬于典型的層狀結(jié)構(gòu)。而經(jīng)過(guò)低溫煅燒后的高鋁礬土主要成分變?yōu)閯傆瘢瑢儆谌骄担纬３释旰玫牧街鶢罨蛲盃睿嫔铣０l(fā)育斜條紋或橫紋，其集合體呈粒狀。因此，高鋁礬土低溫煅燒前后的形貌應(yīng)有明顯轉(zhuǎn)變，即從層狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱睢D6為高鋁礬土生料及不同煅燒溫度下熟料的SEM形貌見(jiàn)圖6。

由圖6可看出，高鋁礬土生料解理平行，層狀結(jié)構(gòu)非常明顯，且顆粒表面沒(méi)有任何顯著紋路;500℃煅燒熟料的層狀結(jié)構(gòu)淡化，層與層間發(fā)生了部分融合，這是由于煅燒溫度升高，一水硬鋁石失去結(jié)構(gòu)水，導(dǎo)致晶型發(fā)生改變，空腔結(jié)構(gòu)坍塌，由層狀結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱罨蛑鶢罱Y(jié)構(gòu)的剛玉晶體;繼續(xù)提高煅燒溫度，煅燒熟料的層狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)加劇，持續(xù)淡化直至消失，柱狀或粒狀結(jié)構(gòu)不斷增多，結(jié)晶度不斷增大，比表面積持續(xù)減小，顆粒表面開(kāi)始呈現(xiàn)橫紋，符合剛玉晶體的形貌特征;850℃煅燒熟料的層狀結(jié)構(gòu)幾乎完全消失，粒狀結(jié)構(gòu)發(fā)育完善，表面紋理顯著，說(shuō)明此時(shí)產(chǎn)物的結(jié)晶度最大，顆粒內(nèi)部最密實(shí)，比表面積最小。可見(jiàn)，SEM分析的結(jié)論與XRD分析的結(jié)論一致。

結(jié) 論

(1)試驗(yàn)用高鋁礬土在500℃左右煅燒時(shí)的脫水速率最快，煅燒熟料的結(jié)晶度最差，其晶相的膠凝反應(yīng)活性最大，此溫度下煅燒的高鋁礬土更適合作為膠凝材料摻合料制造礬土水泥和灌漿材料等。

(2)高鋁礬土在煅燒升溫過(guò)程中，一水硬鋁石的層狀結(jié)構(gòu)逐漸粘合，形成剛玉的粒狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)顆粒表面的橫紋逐漸清晰，說(shuō)明晶體結(jié)晶程度逐步增加，反應(yīng)活性逐步降低。