700～900密度等級渣土陶粒的研制及其性能
    摘要：研究了粉煤灰、污泥和秸稈對渣土陶粒密度等級的影響,通過原材料配方和工藝參數(shù)優(yōu)化制備出700～900密度等級的渣土陶粒,并對其進行了宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)分析.結(jié)果表明:當焙燒溫度為1150℃時,渣土陶粒的堆積密度隨著粉煤灰、污泥和秸稈(質(zhì)量分數(shù))的增加而逐漸降低;渣土-粉煤灰最適合制備渣土陶粒,當渣土(質(zhì)量分數(shù))為60%～83%,粉煤灰(質(zhì)量分數(shù))為17%～40%,焙燒溫度為1170～1250℃時,可制備出700～900密度等級且粒徑不同的渣土陶粒;對于同一粒徑渣土陶粒,當密度等級由900降至700時,其筒壓強度由12.6MPa降至4.9MPa;低密度等級渣土陶粒的內(nèi)部孔徑比高密度等級渣土陶粒的大,且連通孔較多;對于同一密度等級的渣土陶粒,小粒徑陶粒內(nèi)部封閉孔的比率較大,孔結(jié)構(gòu)密實程度較高。
    關(guān)鍵詞：陶粒;渣土;粉煤灰;密度等級;孔結(jié)構(gòu)

    近幾年，中國每年產(chǎn)生的建筑垃圾總量約為１５．５～２４．０億ｔ，占城市垃圾總量的３０％～４０％．其中工程渣土占建筑垃圾的７０％以上，是建筑垃圾的主要成分［１］．目前，中國城市建設(shè)工程渣土的堆積量已達到１００億ｔ，并且以每年３億ｔ的速度增長．然而，大量的工程渣土仍采用傳統(tǒng)露天堆放或填埋等方式處理，不僅占用土地資源、污染環(huán)境，而且還存在嚴重的安全隱患［２］．因此，建筑工程渣土的資源化利用可緩解建筑垃圾帶來的土地占用、環(huán)境污染以及安全隱患等生態(tài)、環(huán)保和安全壓力問題．陶粒因具有多孔、輕質(zhì)、保溫及隔聲等優(yōu)點被廣泛研究應(yīng)用［３－７］．然而當前陶粒普遍存在密度等級和強度較低的問題，限制了其在有高強要求的承重結(jié)構(gòu)中的使用［８－１０］．如果利用渣土制備出高強、高密度等級陶粒，不僅能滿足部分承重結(jié)構(gòu)的需求，而且能安全消納渣土，提高其利用率和附加值，減少土地占用和環(huán)境污染．鑒于此，本文研制了不同粒徑（１０～１５ｍｍ和１５～２５ｍｍ）、不同密度等級（７００～９００）的渣土陶粒，并探究了原材料配方和燒制工藝對渣土陶粒性能的影響規(guī)律，進而確定不同密度等級渣土陶粒的最優(yōu)配方和工藝；在此基礎(chǔ)上研究了不同密度等級渣土陶粒的宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)．

    １試驗
    １．１原材料渣土：天津市地鐵６號線盾構(gòu)產(chǎn)生的渣土．粉煤灰：天津火電廠鍋爐燃燒的廢棄物．污泥：天津咸陽路污水處理廠壓濾過的脫水污泥．秸稈：天津薊縣農(nóng)用廢棄物．原材料的化學(xué)組成如表１所示１．２試驗配方試驗共分為２０組．其中１０組以渣土－粉煤灰、渣土－粉煤灰－秸稈為主要原材料，其試驗配方如表２所示；另外１０組以渣土－污泥，渣土－污泥－秸稈為主要原材料，其試驗配方如表３所示．需要說明的是，表中秸稈摻量１０％以占（渣土＋粉煤灰）或（渣土＋污泥）質(zhì)量百分比計．１．３試驗方法１．３．１渣土陶粒制備過程將渣土、粉煤灰、污泥和秸稈等原材料均加工成細度小于１４９μｍ（１００目）的粉末試樣．按照試驗配方對原材料混合攪拌，并加入適量水，揉成２種粒徑（１０～１５ｍｍ和１５～２５ｍｍ）的生料球；然后將其放入電熱恒溫鼓風干燥箱，在１０５℃下烘干６～８ｈ；再將烘干好的生料球放入快速升溫箱式電爐中進行焙燒（以８～１０℃／ｍｉｎ的加熱速率升至５００℃，并保持２０ｍｉｎ，再以８～１０℃／ｍｉｎ的加熱速率升溫至１１５０～１２５０℃，焙燒１５ｍｉｎ）；最后將焙燒結(jié)束后的渣土陶粒冷卻、稱量、分類保存．１．３．２分析測試渣土陶粒的宏觀性能（堆積密度、表觀密度、筒壓強度、吸水率和燒失量）測試方法按ＧＢ／Ｔ１７４３１．２—２０１０《輕集料及試驗方法第２部分：輕集料試驗方法》進行．渣土陶粒的微觀結(jié)構(gòu)采用日本電子場發(fā)射掃描電鏡（型號ＪＳＭ－７８００Ｆ）觀察分析．２結(jié)果分析與討論
    ２．１初步配方對渣土陶粒堆積密度的影響
    根據(jù)前述試驗配方和渣土陶粒制備方法進行初步試驗，對２０組生料球進行焙燒，焙燒溫度為１１５０℃，渣土陶粒堆積密度變化結(jié)果如圖１所示．需要說明的是，因ＭＳ３，ＭＳ４，ＭＳ５，ＭＳ９和ＭＳ１０在１１５０℃下燒熔，無法測量其堆積密度，故圖１中沒有它們的數(shù)據(jù)．圖１渣土陶粒堆積密度的初步試驗結(jié)果Ｆｉｇ．１Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｏｆｍｕｃｋｃｅｒａｍｓｉｔｅｓ由圖１可知：（１）對于渣土－粉煤灰體系，渣土陶粒的堆積密度隨粉煤灰摻量的增加而逐漸降低，當粉煤灰摻量由１０％增加到５０％時，陶粒的堆積密度由９７０ｋｇ／ｍ３降低至８５９ｋｇ／ｍ３；隨著粉煤灰摻量的增加，陶粒的密度等級降低并不明顯，只由初始的１０００降低至９００．這是因為粉煤灰摻量的增加一方面提高了體系中的產(chǎn)氣成分（有機質(zhì)（包括碳粒）、鐵及鐵的氧化物之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生了膨脹氣體ＣＯ和ＣＯ２，同時粉煤灰中硫主要以硫酸鹽和有機硫的形式存在［１１］，形成了少量的ＳＯ２和Ｏ２［１２］）；另一方面體系中陶粒骨架成分增加，造成陶粒產(chǎn)生液相的燒結(jié)溫度升高，影響膨脹效果．正是由于上述雙重因素，使得摻入粉煤灰后的渣土陶粒密度等級降低效果不明顯．（２）對于渣土－污泥體系，渣土陶粒的堆積密度隨著污泥摻量的增加而降低，但降低幅度很小，當污泥摻量由１０％增加到２０％時，渣土陶粒的堆積密度由１０８７ｋｇ／ｍ３降低至１０５３ｋｇ／ｍ３，特別是當污泥摻量提高到３０％以上時出現(xiàn)了燒熔現(xiàn)象，渣土陶粒表面產(chǎn)生了大量釉層，顆粒塌陷．這是因為污泥摻量增加顯著提高了體系中的助熔成分，有效降低了陶粒產(chǎn)生液相的燒結(jié)溫度，另外加入污泥使陶粒對溫度過于敏感，燒結(jié)區(qū)間變窄，焙燒機制不易控制．（３）在上述雙組分體系的基礎(chǔ)上，加入定量秸稈構(gòu)成三組分體系，與雙組分體系相比，隨著秸稈的加入，三組分體系渣土陶粒的堆積密度進一步降低．這是因為秸稈中可燃碳和產(chǎn)氣成分較多，在渣土陶粒燒制過程中能夠產(chǎn)生大量氣體，從而引起陶粒膨脹，堆積密度降低．由圖１還可見：（１）對于渣土－粉煤灰－秸稈體系，渣土陶粒的堆積密度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)線性變化，當粉煤灰摻量由１０％增加到５０％時，渣土陶粒的堆積密度由９２０ｋｇ／ｍ３降低至６９０ｋｇ／ｍ３，密度等級降低明顯．這是因為秸稈的加入提高了體系產(chǎn)氣量，同時可燃碳燃燒帶來的熱量使內(nèi)部氣體更易膨脹．（２）對于渣土－污泥－秸稈體系，渣土陶粒的堆積密度隨污泥摻量的增加先降后升，未呈線性變化，在渣土－污泥－秸稈質(zhì)量比為８∶２∶１時，渣土陶粒的堆積密度出現(xiàn)拐點，且當污泥摻量提高到４０％時，陶粒融化，無法得到成型良好的陶粒．這是因為污泥和秸稈均會提高體系的產(chǎn)氣成分和助熔成分，兩者過多導(dǎo)致高溫階段的液相滲進陶粒內(nèi)部，使其燒脹效果變差．
    ２．２溫度對渣土陶粒堆積密度的影響
    綜合分析上述２０組配方制得的渣土陶粒性能后，選用渣土－粉煤灰雙組分體系來制備渣土陶粒．試驗發(fā)現(xiàn)：對于渣土－粉煤灰雙組分體系，當ｍ（渣土）∶ｍ（粉煤灰）＝９０∶１０時，燒制的陶粒表面呈深棕色，出現(xiàn)釉層；當ｍ（渣土）∶ｍ（粉煤灰）＝６０∶４０時，燒制的陶粒表面出現(xiàn)麻面且無釉色．這是因為隨著粉煤灰摻量的增加，體系骨架成分增加，尤其是體系中氧化鋁含量增加，使陶粒產(chǎn)生液相所需的溫度升高，從而影響陶粒表面釉層的產(chǎn)生．同時，相關(guān)文獻［１３－１４］也表明焙燒溫度是影響陶粒性能的主要因素之一．因此，需要通過優(yōu)化溫度試驗，來探究使陶粒產(chǎn)生良好膨脹效果的最佳燒結(jié)溫度．優(yōu)化溫度試驗選擇粒徑為１５～２５ｍｍ的生料球，具體試驗方案和結(jié)果如表４所示．由表４可知：隨著粉煤灰摻量的增加，渣土陶粒的最佳焙燒溫度逐漸提高．這是因為粉煤灰的加入使得體系中難熔骨架成分增多，同時含有的助熔成分（ＭｇＯ，Ｎａ２Ｏ，Ｋ２Ｏ）相對減少所致．通過上述試驗，可以確定５組配方（ＭＦ１～ＭＦ５）下渣土陶粒的最佳焙燒溫度．依此焙燒溫度，對上述５組配方下粒徑為１０～１５ｍｍ的生料球也進行燒制，冷卻后測其堆積密度，結(jié)果如圖２所示．圖２最佳焙燒溫度下不同粒徑渣土陶粒的堆積密度Ｆｉｇ．２Ｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｏｆｍｕｃｋｃｅｒａｍｓｉｔｅｕｎｄｅｒｏｐｔｉｍｕｍｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｓ由圖２可以看出，在相同工藝和相同最佳焙燒溫度條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，不論陶粒粒徑大小，渣土陶粒的堆積密度均逐漸降低，且大粒徑（１５～２５ｍｍ）渣土陶粒的堆積密度下降趨勢較小粒徑（１０～１５ｍｍ）渣土陶粒明顯，當粉煤灰摻量由１０％增加到５０％時，大粒徑（１５～２５ｍｍ）和小粒徑（１０～１５ｍｍ）渣土陶粒的密度等級由１０００分別降至５００和６００．這是因為，一方面顆粒與顆粒堆積過程中大顆粒產(chǎn)生的顆粒間隙較大，致使渣土陶粒堆積密度偏小；另一方面，在相同配方下，粒徑大的生料球產(chǎn)氣量更多，更易產(chǎn)生膨脹．
    ２．３優(yōu)化配方對陶粒堆積密度的影響
    由上述溫度優(yōu)化得出的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增大粒徑或者增加粉煤灰的摻量均可以達到降低渣土陶粒堆積密度的效果．為了獲得高強且輕質(zhì)的渣土陶粒，需將渣土陶粒的密度等級控制在７００～９００．對于粒徑１０～１５ｍｍ的陶粒，符合條件的粉煤灰摻量為２０％～４０％；對于粒徑１５～２５ｍｍ的陶粒，符合條件的粉煤灰摻量為２０％～３０％．但初始配比經(jīng)過溫度優(yōu)化后，渣土陶粒的堆積密度并未達到理想數(shù)值，如粒徑１０～１５ｍｍ的陶粒在配方ＭＦ３下堆積密度為７１０ｋｇ／ｍ３，粒徑１５～２５ｍｍ的陶粒在配方ＭＦ２下堆積密度為８１９ｋｇ／ｍ３，兩者均處在密度等級的邊界處．因此，需進一步優(yōu)化配方，使陶粒膨脹效果良好、強度更高．表５為在渣土－粉煤灰雙組分體系下密度等級７００～９００不同粒徑陶粒配方優(yōu)化試驗結(jié)果．由表５可以看出，在保持溫度不變的條件下，通過適當增加或者減少粉煤灰的摻量來調(diào)節(jié)產(chǎn)氣成分，可以實現(xiàn)渣土陶粒堆積密度的降低或者升高．由此可以確定，制備密度等級為７００～９００不同粒徑的渣土陶粒，渣土－粉煤灰雙組分體系的渣土最佳摻量為６０％～８３％，粉煤灰最佳摻量為１７％～４０％．
    ２．４渣土陶粒的性能
    ２．４．１宏觀性能對密度等級為７００～９００渣土陶粒的宏觀性能（筒壓強度、堆積密度、表觀密度、１ｈ吸水率和燒失量）進行測試，具體結(jié)果如表６所示．由表６可以看出，所列性能指標均符合ＧＢ／Ｔ１７４３１．２—２０１０相關(guān)規(guī)定，并且隨著渣土陶粒密度等級的升高，其表觀密度、筒壓強度、１ｈ吸水率和燒失量均呈現(xiàn)出較為規(guī)律的變化趨勢．由表６還可知：（１）對于同一粒徑陶粒，隨著密度等級的增大，其表觀密度和筒壓強度呈升高趨勢，而１ｈ吸水率呈下降趨勢．這是因為相比低密度等級渣土陶粒，密度等級較高的渣土陶粒內(nèi)部孔隙更小，連通孔更少，相同條件下表觀密度和筒壓強度會相應(yīng)提高；同時，較小的孔隙、較少的連通孔使得陶粒對水分的吸收作用較弱．（２）對于同一密度等級陶粒，隨著粒徑增大，渣土陶粒的表觀密度和筒壓強度呈降低趨勢，而１ｈ吸水率呈升高趨勢，原因是粒徑較大的陶粒內(nèi)部連通孔的比率較大，而且在堆積過程中顆粒間空隙較大，其堆積密度會隨之變小，導(dǎo)致筒壓強度也隨之變??；同時，粒徑較大的陶粒暴露在水中的單個比表面積較大，使其對水分的吸收作用較小粒徑陶粒強．２．４．２微觀性能采用掃描電鏡觀察制備好的渣土陶粒微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖３所示．由圖３可以看出：燒制的渣土陶粒內(nèi)部疏松多孔，呈蜂窩狀，微孔居多，且絕大多數(shù)孔徑在１００μｍ以下；氣孔多數(shù)為封閉孔，有少量的連通孔，最大孔徑（５００μｍ左右）分布在７００密度等級陶粒內(nèi)部．孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的原因是在高溫作用下原材料組分之間發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)生成氣體，隨著產(chǎn)氣量的增多和氣體在高溫下的膨脹作用形成了膨脹氣壓．若內(nèi)部膨脹氣壓較小，則氣孔存在于陶粒內(nèi)部，形成封閉孔；若內(nèi)部膨脹氣壓大于表面液相的約束力，內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹氣體未被充分包裹，則會產(chǎn)生氣體逸出通道，形成連通孔．另外，燒制的渣土陶粒均為淺棕色，表面呈現(xiàn)光滑的釉質(zhì)層，說明陶粒骨架成分和助熔成分含量在合理范圍內(nèi)，燒結(jié)過程中能形成具有足夠黏度的液相，焙燒完成后經(jīng)自然冷卻形成的玻璃體包裹在陶粒表面構(gòu)成釉質(zhì)層．由圖３還可發(fā)現(xiàn)：（１）隨著密度等級的升高，渣土陶粒內(nèi)部產(chǎn)生的大孔越來越少，連通孔也逐漸減少．產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是孔徑的大小和連通孔的多少與陶粒在高溫狀態(tài)時內(nèi)部氣體的膨脹力和表層液體的約束力有關(guān)，而溫度的高低會直接決定膨脹力和約束力的強弱．前面提到焙燒溫度是影響陶粒性能的主要因素之一，對于不同配方渣土陶粒的最佳焙燒溫度取決于其配方的組合情況．渣土基陶粒的最佳焙燒溫度由體系中難熔組分粉煤灰的摻量決定．在一定范圍內(nèi)粉煤灰摻量越多，焙燒溫度越高，越利于燒脹；煤粉灰摻量越少，焙燒溫度越低，越不利于燒脹．隨著粉煤灰摻量的增加，陶粒的最佳焙燒溫度升高，陶粒內(nèi)部產(chǎn)生的氣體在最佳焙燒溫度下向外逸出的力變大，會使氣孔變大膨脹，同時有少部分孔與周圍氣孔交叉形成連通孔．（２）密度等級相同時，陶粒內(nèi)部單位體積的氣孔數(shù)量和尺寸接近，但小粒徑陶粒內(nèi)部封閉孔的比例更大．產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是同一密度等級不同粒徑陶粒的配方和焙燒溫度非常接近，在高溫階段出現(xiàn)液相時小粒徑陶粒產(chǎn)氣量較少，孔與孔之間交叉形成連通孔的概率較低，從而使其封閉孔的比例更大，孔結(jié)構(gòu)密實程度較高．
    ３結(jié)論

    （１）渣土陶粒的堆積密度隨粉煤灰、污泥和秸稈摻量的增加而逐漸降低．當污泥和秸稈的摻量達到一定量時，系統(tǒng)骨架組分（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３）含量較低，很難燒制成陶粒．（２）當渣土摻量為６０％～８３％，粉煤灰摻量為１７％～４０％，焙燒溫度為１１７０～１２５０℃時，可制備出７００～９００密度等級且粒徑不同的渣土陶粒．（３）對于同一粒徑渣土陶粒，隨著密度等級的降低，其筒壓強度逐漸降低，由９００密度等級下的１２．６ＭＰａ降低至７００密度等級下的４．９ＭＰａ；渣土陶粒的筒壓強度、１ｈ吸水率、燒失量等性能均符合ＧＢ／Ｔ１７４３１．２—２０１０相關(guān)規(guī)定．（４）對于同一粒徑渣土陶粒，低密度等級的陶粒內(nèi)部孔徑比高密度等級的大；對于同一密度等級渣土陶粒，小粒徑陶粒內(nèi)部封閉孔的比例較大，孔結(jié)構(gòu)密實程度較高．

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