城鎮建設棄土制備輕集料陶粒及其性能研究

楊 戈 劉永川 陳瑞曉 羅 娜

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

0 前言

隨著我國城市化的推進和現代化的建設，產生的建筑垃圾也在逐漸增多，并成為困擾我國發展的一大難題。目前，建筑垃圾大部分為建設棄土，存在數量龐大、成分復雜、處理困難等特點，已成為當今城市可持續發展中亟待解決的問題。城鎮建設棄土是隧道、地鐵、基坑及地下管廊等建筑工程中產生的廢棄土。我國每年產出1.19億t以上建筑棄土，但其資源化利用率不足1%[1]。建設棄土一般直接運往郊區等偏遠地方，通過露天堆放或填埋的方式處理，既占用土地資源，又存在環境污染的問題。

用城鎮棄土代替部分黏土來燒制陶粒既節省黏土，又保護農田，也起到了一定的環保作用，解決了城鎮棄土的處理問題，達到了廢棄物資源化的目的。陶粒是具有多孔輕質、保溫隔熱及耐久性高等優點的綠色建筑材料，具有球狀的外形，表面光滑而堅硬，內部呈蜂窩狀，有密度小、熱導率低、強度高的特點。燒結法是目前最為常見的一種陶粒制備工藝，而且已經大規模產業化應用。燒結法主要是通過調節基體材料和輔助材料的配比，經過研磨混勻后造粒，并在高溫下進行物料燒結，冷卻后最終得到陶粒成品。燒結過程中，隨溫度升高，原料逐漸熔融并形成具有一定黏度的固、液混合相，同時釋放出H2O、CO、CO2、SO2和SO3等氣體，氣體溢出使固、液混合相發泡膨脹，整個過程中始終存在“內部氣體強烈逸出與被外部適宜黏度液相抑制”的動態平衡[2]。當燒結溫度達到設定溫度并穩定后，氣體產生量逐漸減少，陶粒內部形成許多封閉、半封閉的孔隙。最終，經冷卻后形成典型的蜂窩狀結構。燒結法制備的陶粒具有硬度高、孔隙豐富、膨脹系數大、化學性質穩定等特點。

文章以建筑棄土和粉煤灰為原材料共同制備燒結陶粒，旨在確定試驗的可行性，為城鎮棄土處理探索新的途徑。棄土陶粒的質量受到原材料的組成、配合比、燒制溫度、燒制時間等多方面的影響，并且任何一個條件的改變都有可能導致棄土陶粒質量發生較大的改變，所以研制出棄土陶粒的最佳材料組成、配合比、燒制溫度和燒制時間至關重要。

因此，文章研制了不同密度等級的棄土陶粒，并探究了原材料配方和燒制工藝對棄土陶粒性能的影響規律，進而確定不同密度等級棄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棄土陶粒的物理力學性能。

1 棄土陶粒的制備

1.1 原料

建設棄土選自鄭州市軌道交通7號線站線施工及盾構產生的建設棄土。建設棄土的化學成分見表1。

表1 建設棄土的主要化學成分（%）

粉煤灰選自偃師首陽山電廠，化學成分見表2。材料性能滿足JC/T 409—2016《硅酸鹽建筑制品用粉煤灰》[3]技術要求。

表2 粉煤灰的化學成分（%）

1.2 試驗方法

將原料分別在105℃干燥至恒重、干法球磨、過200目篩，得到粉料。將各原料按照設定的質量比配料，并加入15%～18%的水攪拌均勻，揉搓形成直徑1～2 cm的小球生坯。

將生坯置于105℃鼓風干燥箱內干燥至恒重。

將干燥后的生坯置于300℃～350℃電阻爐內，預燒30 min。預燒后的球坯轉入高溫馬弗爐內，然后以810℃/min的加熱速度升溫至試驗要求的溫度（1 150℃～1 250℃），焙燒15 min，焙燒后的陶粒樣品自然冷卻。

1.3 配比設計

根據研究需要配比設計如表3所示，表中A組為基準組，B組復摻10%的秸稈，C組燒結溫度與A組、B組不同。B組、C組為對照組，以研究原料、焙燒溫度和配比優化對棄土陶粒堆積密度的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 原材料配比對棄土陶粒堆積密度的影響

根據表3和表4可知，A組和B組試樣的堆積密度隨粉煤灰摻量的增加均呈下降趨勢，但B組試樣在復摻秸稈后棄土陶粒的堆積密度下降幅度要比A組試樣大，且燒制的陶粒收縮比例較大，粒徑不宜控制，可能是由于秸稈低溫條件下產氣較多，低溫時陶粒表面還沒能產生足夠的液相黏度，產生的氣體不能被充分包裹，導致大部分氣體都從陶粒中逸出所致。這也是造成B組試樣在復摻秸稈后棄土陶粒的堆積密度下降趨勢要比A組試樣大的重要原因，因此不建議復摻秸稈。

表3 原材料試驗配比

2.2 焙燒溫度對棄土陶粒堆積密度的影響

經過大量試驗研究，發現焙燒溫度是燒制符合性能要求陶粒的主要因素[4]。燒制溫度過低，陶粒表面呈麻面且無釉色，因此有必要明確溫度對棄土陶粒堆積密度的影響。同一配比C組試樣的堆積密度比A組試樣明顯降低。由表4可知，同一配比下，C組試樣的堆積密度比A組試樣明顯降低，可能是隨著焙燒溫度的升高，陶粒逐步產生液相，同時陶粒內部的產氣成分隨著焙燒時間的延長逐漸釋放出足夠的膨脹氣體，而此時外部的骨架成分逐漸呈現黏度并將內部膨脹氣體有效包裹。當內部氣體大于外部骨架約束力時，陶粒體積逐漸膨脹，進而造成陶粒堆積密度降低。當焙燒溫度1 170℃時，棄土陶粒燒結非常充分，陶粒表面生成一層光滑的釉質層，即為棄土陶粒的最佳燒成溫度。

表4 原材料配比對棄土陶粒堆積密度的影響

2.3 配比優化后對棄土陶粒物理性能的影響

D組試驗是按最佳焙燒溫度1 170℃下進行棄土陶粒的制備，棄土陶粒的各種物理性能變化規律見圖5。

由表5中棄土陶粒性能按照GB/T 17431.2-2010《輕集料及其試驗方法第2部分:輕集料試驗方法》進行陶粒的堆積密度、筒壓強度及1 h吸水率測試。在GB/T 17431.2—2010中陶粒按照堆積密度進行劃分和規定，陶粒的堆積密度越大，其規定的吸水率越小，筒壓強度越高。由于筒壓強度是反映陶粒強度大小的指標，堆積密度是反映陶粒輕質程度的指標，因此以陶粒的筒壓強度、堆積密度為考核指標，筒壓強度越大時，陶粒性能越好。而堆積密度越小時，陶粒性能越好。表5中按配比優化后制備的棄土陶粒密度等級為600～900級，且物理性能均能滿足符合GB/T 17431.1—2010的技術要求。

表5 配比優化后對棄土陶粒物理性能的影響

3 結語

在制備棄土陶粒時摻加秸稈，秸稈產氣量太大，制備出的棄土陶粒堆積密度下降，體積收縮比例較大，粒徑不宜控制，陶粒性能不佳，不宜摻加使用。

原料配比、燒制工藝是影響棄土陶粒堆積密度重要因素。城鎮棄土與粉煤灰按一定比例試配，預熱溫度300℃～350℃，預熱時間30 min，焙燒時間15 min，焙燒溫度1 170℃時，可制備出密度等級為600～900滿足標準GB/T 17431.1—2010要求的棄土陶粒。