影響燒結陶粒性能的因素分析

張其勇,徐 郡,趙蔚琳

(1.山東華材工程檢測鑒定有限公司，山東 濟南 250022;.濟南大學材料科學與工程學院，山東 濟南 250022)

陶粒是一種球形顆粒，是一種加熱燒結制成的人造輕骨料，屬于一種蜂窩狀結構的新型建筑材料，具有、強度高、吸水率低等優點，應用于建材與化工等領域。當前，為解決工業廢料的問題，許多學者研究以工業廢料為原料燒制陶粒。孫文慧[1]利用尾泥、污泥和石灰石燒制了高強陶粒。費欣宇[2]用赤泥、糖蜜酒精廢液等制備了赤泥基陶粒。王德民[3]以低硅鐵尾礦為原料制備了建筑陶粒。李楊[4]以黃金尾礦分選長石后的剩余尾礦，添加膨潤土、煤粉制備了燒結高強陶粒。劉晨[5]以東湖淤泥為主體原料，添加鐵尾礦砂和活性炭燒結制備了燒結淤泥陶粒。林慧[6]采用贊比亞銅尾礦為原料燒制高強陶粒。本文作者的研究團隊也分別利用火山灰和金尾礦制備了燒結陶粒[7-9]。這些實驗結果都證明了工業廢料制備陶粒的可行性，本文擬進一步以金尾礦、粉煤灰、煤粉為原料制備燒結陶粒，探討金尾礦和粉煤灰的摻入質量、金尾礦的粒度和加熱升溫速率對燒結陶粒的筒壓強度、堆積密度和吸水率的影響。目的是為工業廢料進一步加工成陶粒提供實驗依據。

1 原料的化學成分

本實驗所用的原料與文獻[8-9]相同，表1給出金尾礦和粉煤灰的化學組成。從組成成分中可以看出兩種原料滿足于陶粒制品對原料的要求。

表1 金尾礦和粉煤灰的化學組成 %

2 陶粒的制備過程

陶粒制備需經原料破碎，配料與混合、成球、煅燒燒結以及冷卻等過程。具體過程如下：分別將金尾礦、粉煤灰、煤粉通過球磨機進行研磨，將粉末狀的金尾礦、粉煤灰、煤粉按一定比例混合并加入一定量的水攪拌，再制成直徑約為10mm球形顆粒；再將其放置在干燥箱內干燥，干燥后再放入電阻爐中進行預熱與焙燒，焙燒后冷卻至室溫制得陶粒產品。

3 陶粒性能測試方法

陶粒性能測試依照《輕集料及其試驗方法》(GB/T17431.2-1998)[11-12]方法進行。

4 結果與討論

本實驗對陶粒進行初試燒，確定了煅燒制度為：在450℃溫度下預熱60min；在1130℃溫度下焙燒，且保溫120min。再通過改變金尾礦的摻入量、粉煤灰的摻入量、金尾礦的粒度和升溫速率的變化，分析燒結陶粒性能的變化規律。

4.1 金尾礦的摻入量比對陶粒性能的影響

為探討金尾礦的摻入量對陶粒性能的影響，在保證粉煤灰、煤粉和水的質量比為35∶5∶30的情況下，依次在質量比為45～75情況下改變金尾礦摻入量，制成陶粒后檢測陶粒的各項性能。其結果如圖1所示。

圖1 金尾礦摻入量比對陶粒性能的影響

圖1表明隨金尾礦摻入量的增加，陶粒的筒壓強度從4.99MPa增加到6.13MPa后又降低到5.52MPa。在金尾礦摻入量比為65時，筒壓強度最強。堆積密度越來越大，在金尾礦摻入量比為65時，堆積密度隨著金尾礦摻入量的增加而下降。吸水率隨金尾礦摻入量比的增加而逐漸下降。分析其原因為金尾礦摻入量比的增加，SiO2含量增高，內部結構越來越致密，陶粒強度增強，堆積密度增大；但是過高的SiO2含量，會引起陶粒燒結困難，陶粒燒結會發生膨脹，導致強度下降，堆積密度降低。陶粒內部氣孔越來越少，導致了吸水率降低。

4.2 粉煤灰摻入量比對陶粒性能的影響

圖2給出了在金尾礦、煤粉、水的一定質量比為65∶5∶30的情況下，當粉煤灰摻入比從25～55之間變化時，筒壓強度在6.88MPa和7.72MPa之間范圍內波動，堆積密度在766kg/m3與779kg/m3之間變化，這表明粉煤灰摻入量的增加對陶粒的筒壓強度和堆積密度的影響不大。而吸水率從6.3%增加到8.2%，說明隨粉煤灰摻入量比值的增加而吸水率略有增加。

圖2 粉煤灰摻入量比對陶粒性能的影響

4.3 金尾礦粒度變化對陶粒性能的影響

為探討原料粒度對陶粒性能的影響，本試驗通過控制球磨機研磨時間分別獲得180μm、150μm、125μm和75μm粒度的金尾礦，將這些粒度的金尾礦和粉煤灰、煤粉、水在質量比為65∶35∶5∶30的情況下進行制球燒結陶粒。對其性能進行測試，如圖3所示。從圖中可以看出，金尾礦粒度減小，燒結陶粒的筒壓強度將增大，堆積密度減小，吸水率增大。根據陶粒的燒結機理分析，原料粒度越小，陶粒在焙燒過程中各物理及化學變化越完全，使陶粒結構發育的越好，強度越大。同時，原料粒度小，比表面積大，等體積陶粒的質量就小，導致了陶粒堆積密度減小。此外，原料粒度越小，燒結越充分，陶粒中的微觀結構為多氣孔結構，導致了吸水率增大。

圖3 金尾礦粒度對陶粒性能的影響

4.4 升溫速率對陶粒性能的影響

為了研究升溫速率對陶粒性能的影響，采用金尾礦、粉煤灰、煤粉和水的質量比為65∶35∶5∶30制成的陶粒球進行燒制實驗。在保證燒制過程中所有的條件一定，僅僅改變升溫速率，分別以升溫速率1、3、5、7和9(℃/min)進行燒制陶粒，并對其性能測試，如圖4所示。

從圖4中看出，隨著升溫速率的加快，陶粒筒壓強度有微弱減少，堆積密度下降，吸水率增加，根據陶粒的燒結機理分析其原因可能是由于升溫速率加快，使陶粒各物相反應不充分，陶粒結構形成不完善，影響了陶粒的性能，導致筒壓強度下降。升溫速率加快，導致陶粒內部的液相增多，液相包裹著反應中生成的氣體使之不能及時溢出，使焙燒后的陶粒氣孔增多，堆積密度下降，故吸水率也增大。

圖4 升溫速率對陶粒性能的影響

5 結論

本文通過對金尾礦和粉煤灰的摻入質量比、原料粒度和升溫速率對陶粒性能的影響進行了實驗研究，得到如下結論：

(1)在保證粉煤灰、煤粉和水的質量比為35∶5∶30的情況下，依次添加金尾礦摻入質量比從45到75時，陶粒筒壓強度和堆積密度有先增大后減小的趨勢。

(2)在保證金尾礦、煤粉和水的質量比為65∶5∶30的情況下，從25到55的改變粉煤灰摻入量質量比對陶粒的筒壓強度、堆積密度影響不顯著。

(3)含有最小粒度的金尾礦燒制的陶粒有最大的筒壓強度，最小的堆積密度和最大的吸水率。

(4)在金尾礦、粉煤灰、煤粉和水的質量配比為65∶35∶5∶30的情況下，以升溫速率1、3、5、7和9(℃/min)進行燒制陶粒，發現升溫速率為9℃/min的陶粒筒壓強度和堆積密度最小，吸水率最大。