[科普中国]-钙铝黄长石

简介

钙铝黄长石长是石族矿物的一种，属斜长石。钙长石是长石的一种，为钙铝硅酸盐矿物。它呈白色或灰色玻璃状晶体，比较脆。钙长岩是岩石中重要的矿物成分，这种矿物就被称为造岩矿物。钙长石可以当作陶瓷和玻璃制品的原料。含钙的铝硅酸盐，呈白色或浅灰色，性脆，玻璃状晶体。为主要的造岩矿物，可制造玻璃和陶瓷。产于基性火成岩中，如意大利、瑞典、印度、日本和美国新泽西州1。

镁渣为原料制备钙铝黄长石材料我国镁冶炼工业的快速发展，使镁渣的排放量急剧增加，对环境造成严重污染。如何安全处理镁渣成为一项急需解决的问题。对镁渣的综合利用途径较为单一，仅用于生产水泥，但利用率低; 用于生产镁渣砖，由于其易吸水膨胀而存在安全隐患。国内一些科研机构还发现镁渣可用于制备耐火材料、作为脱硫剂或用于制备胶凝材料等，但均未投入生产。因此，研究镁渣的二次利用将对实现资源的深度开发与充分利用起到重要的指导意义。

镁渣的主要成分及含量分别为: 40～55(wt.%)的氧化钙、20～30(wt.) 的氧化硅、6～10(wt.%)的氧化镁、2～5(wt.) 的氧化铝及约9(wt.) 氧化铁；且其具有较高的活性，可用于制备含钙硅量较高的材料，但由于镁渣中含有大量的氧化钙及氧化镁，致使抗水化性成为镁渣基材料的瓶颈。而钙铝黄长石具有很高的强度及良好的抗水化性能，可以用来改善材料的力学性能及抗水化性能，且其成分中钙硅含量很高，因此利用高温固相烧结法将抗水化能力差、污染严重的镁渣制备成具有良好抗水化能力、环境友好的钙铝黄长石材料，具有重要的应用价值与研究意义2。

物相及形貌分析烧结试样完好无损且呈橄榄绿色，下表面却附着有土黄色的物质。主要晶相为钙铝黄长石，另外伴随少量镁橄榄石 ，这是由于原料镁渣的成分比较复杂，镁渣中的氧化镁与原料中的氧化硅反应而形成的，表面附着物主要是氧化铝与镁铁橄榄石复合物，还含有少量的钙铝黄长石，是由于试样中生成的镁铁橄榄石熔点较低，在1350℃时以液相形式扩散到试样下表面与垫烧的氧化铝反应而生成的。采用Rietveld法对试样进行半定量分析的结果为钙铝黄长石相的质量分数约为92%，镁橄榄石的质量分数约为8%。结合能谱分析可知，致密块体即为钙铝黄长石晶体，钙铝黄长石晶体形貌呈厚板状或短柱状有所不同；结合能谱分析可知，分散在块状钙铝黄长石晶体间隙中的锥形晶体为镁橄榄石3。

物理性能分析材料的气孔率可反映试样的致密度，是决定材料耐压强度的的重要因素。表面比较致密，但断面有很多气孔。采用阿基米德排水法测得试样的显气孔率和体密度分别为2%和2.6 g /cm3，由于理论密度约为3g /cm3，故通过理论计算试样的气孔率约为15%，说明试样中的气孔多以闭气孔形式存在。这是由于有液相存在，致使在烧结完成时固-气界面逐渐消除而发生玻璃化致密。耐压试验测量结果表明试样的耐压强度为185MPa，与理论的耐压强度相比有一定的差距，是由于试样中存在有气孔、微裂纹或缺陷导致晶粒间结合力下降，使其致密度降低，造成有效承载面积降低，因此在受到外力作用时这些微裂纹、缺陷及气孔附近产生应力集中现象，当超过某一临界值时裂纹开始扩张导致断裂2。

抗水化性分析抗水化性是指钙铝黄长石材料在大气中抵抗水化的能力，它是表征材料烧结是否良好的重要指标之一。试样烧结不良时，其中的CaO、MgO在大气中极易吸潮水化，生成氢氧化物，使材料疏松损坏。水化试验后，试样无粉化无裂纹，其质量增加率随水化时间变化，水化开始到水化5h时，试样的质量增加率为负的，是由于水化过程中试样表面附着物溶解到水中而损失的质量大于水化质量增加率造成的，此后随水化时间增加水化质量增加率逐渐增大，且当水化时间为72h，水化质量增加率约为0.7%，已经达到了高耐水性材料的水平(η= 0.2%)。

试样表面有许多片状体组成的球形毛茸茸的水化产物生成，结合能谱分析可知该水化产物为硅铝酸盐，同时还有少量的棒状物CaCo3生成，而试样的断面基本无变化，说明水化反应主要发生在试样表面，在断面未见水化现象，且水也未进入试样里面。由水化质量增加率和水化后SEM照片的分析结果可以说明采用烧结方法使原料中的游离氧化钙和氧化镁与氧化铝或氧化硅反应生成钙铝黄长石抗水相或固溶体可以提高材料的抗水化性，同时说明所制备的钙铝黄长石材料具有很好的抗水化性能1。

总结以53.60wt.% 的镁渣、18.29wt. % 的高岭土和28.11wt.% 的氧化铝为原料，PVA为塑化剂，采用高温固相无压烧结法制备钙铝黄长石材料，结果表明试样的主要晶相为块状的钙铝黄长石，其体密度为2.56g/cm3，气孔率约为15%且气孔多以闭气孔形式存在，耐压强度约为185MPa；抗水化性能结果表明试样水化72h后质量增加率仅为0.07%，且水化反应主要发生在试样表面，说明试样具有良好的抗水化性能2。