700～900密度等級渣土陶粒的研制及其性能

張 磊， 張鴻飛， 榮 輝,3,4， 楊久俊,3

(1.天津城建大學 材料科學與工程學院， 天津 300384； 2.天津城建大學 天津市軟土特性與工程環境重點實驗室， 天津 300384； 3.天津城建大學 天津市建筑垃圾與燃煤廢棄物利用技術工程中心， 天津 300384； 4.江蘇省建筑科學研究院有限公司 高性能土木工程材料國家重點實驗室， 江蘇 南京 210008)

近幾年，中國每年產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露天堆放或填埋等方式處理，不僅占用土地資源、污染環境，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、環境污染以及安全隱患等生態、環保和安全壓力問題.

陶粒因具有多孔、輕質、保溫及隔聲等優點被廣泛研究應用[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構中的使用[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構的需求，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律，進而確定不同密度等級渣土陶粒的最優配方和工藝；在此基礎上研究了不同密度等級渣土陶粒的宏觀性能和微觀結構.

1 試驗

1.1 原材料

渣土：天津市地鐵6號線盾構產生的渣土.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：天津薊縣農用廢棄物.原材料的化學組成如表1所示.

表1 原材料的化學組成

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)質量百分比計.

表2 渣土-粉煤灰和渣土-粉煤灰-秸稈配方

表3 渣土-污泥和渣土-污泥-秸稈配方

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/T 17431.2—2010《輕集料及試驗方法 第2部分：輕集料試驗方法》進行.

渣土陶粒的微觀結構采用日本電子場發射掃描電鏡(型號JSM-7800F)觀察分析.

2 結果分析與討論

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果如圖1所示.需要說明的是，因MS3，MS4，MS5，MS9和MS10在1 150℃下燒熔，無法測量其堆積密度，故圖1中沒有它們的數據.

圖1 渣土陶粒堆積密度的初步試驗結果Fig.1 Preliminary experimental results of bulk density of muck ceramsites

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氣成分(有機質(包括碳粒)、鐵及鐵的氧化物之間發生氧化還原反應，產生了膨脹氣體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，造成陶粒產生液相的燒結溫度升高，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%以上時出現了燒熔現象，渣土陶粒表面產生了大量釉層，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，有效降低了陶粒產生液相的燒結溫度，另外加入污泥使陶粒對溫度過于敏感，燒結區間變窄，焙燒機制不易控制.(3)在上述雙組分體系的基礎上，加入定量秸稈構成三組分體系，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氣成分較多，在渣土陶粒燒制過程中能夠產生大量氣體，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氣量，同時可燃碳燃燒帶來的熱量使內部氣體更易膨脹.(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-秸稈質量比為8∶2∶1時，渣土陶粒的堆積密度出現拐點，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氣成分和助熔成分，兩者過多導致高溫階段的液相滲進陶粒內部，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.

試驗發現：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，出現釉層；當m(渣土)∶m(粉煤灰)=60∶40時，燒制的陶粒表面出現麻面且無釉色.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，使陶粒產生液相所需的溫度升高，從而影響陶粒表面釉層的產生.同時，相關文獻[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，需要通過優化溫度試驗，來探究使陶粒產生良好膨脹效果的最佳燒結溫度.優化溫度試驗選擇粒徑為15～25mm的生料球，具體試驗方案和結果如表4所示.

表4 優化溫度試驗方案和結果

Note：↑—— The sintering temperature is not high enough, should be raised continuously；√—— The temperature is the best sintering temperature；×—— Ceramsite is deformed at this temperature.

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.2 Bulk density of muck ceramsite under optimum sintering temperature at different particle sizes

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1 000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，粒徑大的生料球產氣量更多，更易產生膨脹.

2.3 優化配方對陶粒堆積密度的影響

由上述溫度優化得出的試驗結果發現，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%.但初始配比經過溫度優化后，渣土陶粒的堆積密度并未達到理想數值，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化試驗結果.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節產氣成分，可以實現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、1 h吸水率和燒失量)進行測試，具體結果如表6所示.由表6可以看出，所列性能指標均符合GB/T 17431.2—2010相關規定，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出較為規律的變化趨勢.

表5 700～900密度等級不同粒徑渣土-粉煤灰陶粒配方優化試驗結果

表6 700～900密度等級渣土陶粒宏觀性能

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1 h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1 h吸水率呈升高趨勢，原因是粒徑

較大的陶粒內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，導致筒壓強度也隨之變小；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構，結果如圖3所示.由圖3可以看出：燒制的渣土陶粒內部疏松多孔，呈蜂窩狀，微孔居多，且絕大多數孔徑在100μm以下；氣孔多數為封閉孔，有少量的連通孔，最大孔徑(500μm左右)分布在700密度等級陶粒內部.孔結構產生的原因是在高溫作用下原材料組分之間發生一系列化學反應生成氣體，隨著產氣量的增多和氣體在高溫下的膨脹作用形成了膨脹氣壓.若內部膨脹氣壓較小，則氣孔存在于陶粒內部，形成封閉孔；若內部膨脹氣壓大于表面液相的約束力，內部產生的膨脹氣體未被充分包裹，則會產生氣體逸出通道，形成連通孔.另外，燒制的渣土陶粒均為淺棕色，表面呈現光滑的釉質層，說明陶粒骨架成分和助熔成分含量在合理范圍內，燒結過程中能形成具有足夠黏度的液相，焙燒完成后經自然冷卻形成的玻璃體包裹在陶粒表面構成釉質層.

圖3 700～900密度等級不同粒徑的渣土陶粒照片Fig.3 Photos of 700-900 density grade of muck ceramists at different particle sizes

由圖3還可發現：(1)隨著密度等級的升高，渣土陶粒內部產生的大孔越來越少，連通孔也逐漸減少.產生這種現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時內部氣體的膨脹力和表層液體的約束力有關，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，陶粒內部產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，陶粒內部單位體積的氣孔數量和尺寸接近，但小粒徑陶粒內部封閉孔的比例更大.產生這種現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，在高溫階段出現液相時小粒徑陶粒產氣量較少，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，孔結構密實程度較高.

3 結論

(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1 170～1 250℃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/T 17431.2—2010相關規定.

(4)對于同一粒徑渣土陶粒，低密度等級的陶粒內部孔徑比高密度等級的大；對于同一密度等級渣土陶粒，小粒徑陶粒內部封閉孔的比例較大，孔結構密實程度較高.