吳忠市陶粒頁(yè)巖燒脹性能影響因素的探討

牛改玲

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊(duì)，寧夏 銀川 750021)

陶粒輕集料是一種人造建筑材料，有質(zhì)量輕、堅(jiān)硬、透水、保溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于新型建筑材料、輕質(zhì)混凝土、污水處理等方面[1-2]。目前，我國(guó)生產(chǎn)陶粒的巖石主要是粉砂巖、泥巖、粘土、頁(yè)巖等。筆者試驗(yàn)所用樣品是寧夏吳忠市陶粒頁(yè)巖，經(jīng)過(guò)破碎或粉碎過(guò)篩、預(yù)熱、高溫焙燒、冷卻制成陶粒成品。通過(guò)正交試驗(yàn)研究焙燒條件對(duì)陶粒性能的影響，獲取了吳忠市陶粒頁(yè)巖的最佳焙燒工藝參數(shù)，并依據(jù)GB/T17431.2-2010《輕集料及其試驗(yàn)方法》測(cè)試在最佳焙燒工藝參數(shù)下燒出的陶粒樣品的表觀密度，并測(cè)試陶粒化學(xué)成分，找出影響陶粒膨脹性能的化學(xué)因素。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)采樣分析及概略研究，陶粒頁(yè)巖的焙燒工藝參數(shù)與化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)可以作為野外地質(zhì)人員評(píng)價(jià)陶粒頁(yè)巖礦產(chǎn)資源質(zhì)量好壞的理論依據(jù)，做出吳忠市陶粒頁(yè)巖是否有工業(yè)價(jià)值或近期能否利用的評(píng)價(jià)。

1 樣品的地質(zhì)特征及礦物成分、化學(xué)成分

陶粒頁(yè)巖礦層賦存于古生界石炭系靖遠(yuǎn)組(C1-2j)及上碳統(tǒng)羊虎溝組(C2y)，巖性為棕紅色或紫紅色砂質(zhì)頁(yè)巖，南北礦段共劃分28個(gè)礦層。礦層連續(xù)對(duì)應(yīng)性較差，呈透鏡狀產(chǎn)出。普查區(qū)北礦段礦層傾向159～264°、39～104°，傾角26～88°；南礦段礦層傾向210～291°，傾角51～74°。

礦層礦石巖性為砂質(zhì)頁(yè)巖，礦石呈棕紅色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁(yè)理構(gòu)造，巖石由粘土礦物(80%)、鐵質(zhì)(10%)及砂質(zhì)石英(5%～10%)組成(表1)。粘土礦物呈顯微鱗片狀、隱晶狀，沿層理具明顯定向性，少量粘土礦物變成絹云母，斷續(xù)定向分布。鐵質(zhì)呈隱晶狀及浸染狀散布于巖石中，使巖石整體顯紅褐色。砂質(zhì)石英呈不規(guī)則粒狀混雜于粘土礦物中，粒徑＜0.06mm，略均勻散布。

表1 礦層樣品化學(xué)組分分析結(jié)果表 (單位：%)

2 燒脹性能試驗(yàn)

2.1 主要儀器設(shè)備

顎式破碎機(jī)、電熱鼓風(fēng)干燥箱、1 200℃馬弗爐、1 300℃馬弗爐、0.1mg電子天平

2.2 試驗(yàn)樣品的制備

陶粒樣品經(jīng)過(guò)顎式破碎機(jī)加工后再用圓盤(pán)粉碎機(jī)粉碎至通過(guò)14目篩后充分混勻，分2份。1份粉碎至200目，用做化學(xué)分析；另1份加入20%的自來(lái)水?dāng)嚢璩赡鄨F(tuán)，隨后搓成10～15mm粒徑樣球，用于焙燒試驗(yàn)。

將上述樣球放入溫度為105℃的烘箱干燥，時(shí)間約為4h左右，等樣球烘干后裝好待燒。

2.3 樣品的預(yù)熱與焙燒過(guò)程

先將干燥后的樣球放入事先制成的鋼板槽上，放入已達(dá)450℃的馬弗爐中進(jìn)行樣球的預(yù)熱，達(dá)到預(yù)熱時(shí)間9min時(shí)，立即將盛放樣球的鋼板從預(yù)熱爐中取出，迅速放入已達(dá)高溫1 100℃的馬弗爐中進(jìn)行焙燒，繼續(xù)升溫達(dá)到焙燒溫度1 170℃后開(kāi)始計(jì)時(shí)，到時(shí)間8min后立刻取出，放涼。用兩臺(tái)不同功率的馬弗爐各自進(jìn)行預(yù)熱與焙燒，主要原因是由低溫預(yù)熱到高溫焙燒造成環(huán)境突變，樣品容易充分燒脹；另外馬弗爐高溫焙燒與實(shí)際生產(chǎn)中回轉(zhuǎn)窯焙燒環(huán)境相似[1]。如果使用同一臺(tái)馬弗爐完成兩個(gè)過(guò)程，升溫緩慢，樣品的環(huán)境變化不明顯，易于造成樣品膨脹不充分，甚至造成有的膨脹樣品燒結(jié)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 最佳焙燒工藝參數(shù)的選擇

將每個(gè)樣品按250g的質(zhì)量準(zhǔn)備4份，每份再等分5份；將預(yù)熱溫度(第一參數(shù))分別設(shè)定為400℃、450℃、500℃、550℃、600℃[1-3]，預(yù)熱時(shí)間(第二參數(shù))分別設(shè)定為7min、8min、9min、10min、11min，焙燒溫度(第三參數(shù))分別設(shè)為1 120℃、1 145℃、1 170℃、1 195℃，焙燒時(shí)間(第四參數(shù))分別設(shè)7min、8min、9min、10min、11min，在第二、三、四參數(shù)條件下相同時(shí)，試燒樣品的膨脹效果好，對(duì)應(yīng)的預(yù)熱溫度為第一最佳參數(shù)。

3.1.1 預(yù)熱溫度對(duì)陶粒性能的影響

隨著預(yù)熱溫度的升高，陶粒的表觀密度沒(méi)有太大的變化，在450℃時(shí)陶粒的抗壓強(qiáng)度最高，因此最佳預(yù)熱溫度定為450℃(表2)。

表2 吳忠市陶粒頁(yè)巖預(yù)熱溫度與物理性能測(cè)試結(jié)果

3.1.2 焙燒溫度對(duì)陶粒性能的影響

在最佳預(yù)熱溫度、時(shí)間及最佳焙燒時(shí)間的前提下變化焙燒溫度，測(cè)試其所對(duì)應(yīng)的表觀密度(圖1)，確定最佳焙燒溫度。1 110～1 120℃樣球開(kāi)始脫水，1 145℃開(kāi)始急劇膨脹，焙燒溫度超過(guò)1 170℃后，陶粒表觀密度隨焙燒溫度變化不明顯[5]，1 195℃以后陶粒開(kāi)始焦化變黑。此樣球膨脹溫度范圍較寬，約為70℃。同樣，可測(cè)得其他2份樣球?qū)?yīng)的最佳預(yù)熱時(shí)間與最佳焙燒時(shí)間，最終得出樣品的最佳焙燒工藝參數(shù)。

圖1 吳忠市陶粒頁(yè)巖樣品燒脹曲線(xiàn)

根據(jù)以上方法試驗(yàn)，得出吳忠市陶粒頁(yè)巖樣品膨脹性能的最佳焙燒工藝參數(shù)為：預(yù)熱溫度450℃、預(yù)熱時(shí)間9min、焙燒時(shí)間8min，焙燒溫度1 170℃。此時(shí)陶粒樣品外觀光滑圓潤(rùn)，膨脹效果最佳，對(duì)應(yīng)的表觀密度為902kg/m3，抗壓強(qiáng)度410N。試驗(yàn)中樣品件數(shù)越多，測(cè)得的最佳參數(shù)越精確。

3.2 化學(xué)成分對(duì)膨脹性能的影響

實(shí)驗(yàn)室依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14506-2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》對(duì)不同的陶粒頁(yè)巖樣品進(jìn)行化學(xué)分析，然后依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17431.1-2010《輕集料及其試驗(yàn)方法》[12]，用確定的最佳焙燒工藝參數(shù)燒制樣品。樣品自然類(lèi)型為10個(gè)棕紅色砂質(zhì)頁(yè)巖樣品、3個(gè)灰色砂質(zhì)頁(yè)巖樣品、1個(gè)灰色粉砂巖、1個(gè)灰黑色砂質(zhì)頁(yè)巖(表3)。

表3 吳忠市陶粒頁(yè)巖化學(xué)與物理性能測(cè)試結(jié)果

成陶發(fā)氣成分主要為Fe2O3、FeO、C、有機(jī)質(zhì)等，次為微量碳酸鹽和含水礦物。據(jù)化學(xué)成分結(jié)果Fe2O3平均含量為7.09%，處在一般工業(yè)要求5%～10%的指標(biāo)要求中間值；燒失量平均含量8.59%，有機(jī)質(zhì)含量不深于標(biāo)準(zhǔn)色要求。因此，礦石中Fe2O3含量偏低，有機(jī)質(zhì)和含水礦物含量較高且變化系數(shù)較小，有利于提高礦石的燒脹性能，燒失量主要反應(yīng)了碳或有機(jī)質(zhì)(包含水)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，若其含量太低，樣品在高溫焙燒過(guò)程中產(chǎn)生的氣體少而不能膨脹[7]，表中礦石燒失量含量多大于8%，燒失量數(shù)據(jù)低于8%則為巖石[8]。但氧化鉀與氧化鈉合量(K2O+Na2O)＞6%時(shí)容易引起料球燒結(jié)而影響膨脹性能，以上兩種化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)是區(qū)別巖石與礦石的標(biāo)準(zhǔn)[8]。

礦石中不同的化學(xué)成分分別起著不同的作用，SiO2和Al2O3是燒制陶粒的主要成分，但其合量過(guò)高(＞85%)則巖石不具有燒脹性能[6-8]，合量過(guò)低影響陶粒的強(qiáng)度。遲培云等[9]通過(guò)對(duì)原料的化學(xué)成分與膨脹性能關(guān)系的研究認(rèn)為，成陶主要組分Al2O3、SiO2之和與成陶溶劑組分Na2O、K2O、CaO、MgO 等之和的比值在3.5～10。在高溫環(huán)境下，陶粒頁(yè)巖在膨脹成陶粒過(guò)程中，碳或有機(jī)質(zhì)、鐵起到了關(guān)鍵作用，因此實(shí)際生產(chǎn)中判斷陶粒頁(yè)巖與普通頁(yè)巖的直觀方法可以采用目測(cè)巖石中是否含黑灰色碳或有機(jī)質(zhì)的方法，顏色深則含碳量高容易發(fā)生膨脹，而淺色泥質(zhì)巖石碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低不易膨脹。

4 結(jié)論

(1)本文通過(guò)燒脹性能試驗(yàn)得出吳忠市陶粒頁(yè)巖最佳焙燒制度為：預(yù)熱溫度450℃、預(yù)熱時(shí)間9min，最佳焙燒溫度1 170℃、時(shí)間為8min；此種條件下陶粒表觀密度約為300～930kg/m3。

(2)影響陶粒燒脹性能的因素有化學(xué)成分、粒度大小、塑性指數(shù)、焙燒制度[6-10]等：化學(xué)成分Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O是有益成分，有益成分與SiO2合理搭配才具有良好的燒脹性能[11-12]，SiO2、Al2O3＜85%，K2O、Na2O＜6%，燒失量＞8%時(shí)，膨脹性能好，以上各種因素的影響集中體現(xiàn)在燒脹性能，其表象又是陶粒外表的光滑與圓潤(rùn)程度，燒脹性能可以準(zhǔn)確評(píng)定陶粒原料質(zhì)量的好壞，其他因素均不能單獨(dú)評(píng)價(jià)，因此陶粒燒脹試驗(yàn)可以作為判斷陶粒樣品質(zhì)量好壞的最快捷有效的依據(jù)，其他測(cè)試數(shù)據(jù)僅可作為參考。

(3)陶粒是制造商品混凝土的輕骨料，具有節(jié)能環(huán)保、重量輕、隔音、保溫等諸多優(yōu)點(diǎn)，是新型建筑材料。目前，寧夏城鎮(zhèn)建設(shè)對(duì)陶粒輕骨料的用量逐年遞增，其產(chǎn)品供不應(yīng)求。該礦的開(kāi)發(fā)利用符合國(guó)家環(huán)保政策，因此，項(xiàng)目建成后將填補(bǔ)寧夏陶土資源開(kāi)發(fā)新型建材生產(chǎn)項(xiàng)目的空白，為打造中國(guó)西部最大的陶板生產(chǎn)、研發(fā)基地奠定了基礎(chǔ)，市場(chǎng)前景廣闊，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。