焙烧制度对武汉东湖淤泥-粉煤灰陶粒性能影响研究

朱哲，朱航，何捷，刘云鹏（.武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉　430070；.中国建筑材料科学研究总院，北京　0004）

焙烧制度对武汉东湖淤泥-粉煤灰陶粒性能影响研究

朱哲1，朱航1，何捷2，刘云鹏1
（1.武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉430070；2.中国建筑材料科学研究总院，北京100024）

以武汉市东湖淤泥作为主要原料，以粉煤灰为校正组分，制备一种轻质高强低吸水率的淤泥-粉煤灰陶粒。结果表明，粉煤灰的加入有效改善了淤泥在烧制高强陶粒中烧失量过大的问题。在粉煤灰掺量为40%、淤泥为60%、焙烧温度1200℃、焙烧时间15 min、预烧温度400℃、预烧时间20 min条件下，制得的淤泥-粉煤灰陶粒表观密度为1.182 g/cm3、吸水率3.64%、单颗粒强度7.92 MPa。通过TG/DSC、XDR、SEM分析发现，烧成制度中影响淤泥-粉煤灰陶粒性能的主要因素是焙烧温度与焙烧时间，并且陶粒表面形成了致密的矿物层，有效减小陶粒表观密度与吸水率。

淤泥-粉煤灰陶粒；α-Fe2O3；陶粒性能；焙烧制度

0　引言

水体底泥污染废弃物的处理是一个环境资源再生难题。湖底淤泥处理的重点是重金属和有机质，本研究对象为武汉市东湖通道工程产生的废弃淤泥。东湖曾作为自然排污区使用多年，城镇工业三废的排放使得东湖已形成一定厚度且分布较广的湖底淤泥污染层。底泥中的污染物主要是重金属、氮磷为主的营养物质和难降解的有机物，组成成分复杂，若后期处置不当极易引起二次污染，严重者可能对生态环境造成难以恢复的破坏。淤泥中大多含有毒性较大的重金属元素，因此直接堆放与填埋不仅会导致土地资源更加贫瘠，也会污染地下水，破坏环境。

通过之前的分析研究发现，淤泥样品内富含水的硅铝酸盐，并具有大量的有机质，而且Fe的氧化产物含量较为丰富。利用这些特点，通过科学合理的烧成制度，制备出轻质高强陶粒是淤泥处理的重要技术思路。

优质的轻集料对目前的建筑材料发展有着举足轻重的作用，轻质高强、保温隔热、耐火抗震、经久耐用等优良特性是目前材料发展的目标。尤其是优质轻集料应用于混凝土中，在保证使用性能的前提下，大大减轻了其质量，节约了成本。

本文以武汉市东湖通道工程疏浚产生的淤泥为主要原材料，以粉煤灰为校正原料，根据陶粒焙烧过程中的膨胀机理，设计了不同烧成制度，以期以较低温度预烧获得优质的高强陶粒。

1　实验

1.1原材料及其配合比设计

淤泥：武汉东湖清淤疏浚所得的湖泊淤泥，含水率66.4%，其化学成分见表1。

粉煤灰：阳逻电厂产Ⅰ级粉煤灰，其化学成分见表1。

表1　淤泥与粉煤灰的化学成分　%

根据研究［1-2］，原料中难熔成分硅、铝氧化物之和与助熔成分RO、R2O总和的比值在3.5～10.0时，生产的陶粒较佳。控制原料成分：SiO2为55%～65%；Al2O3为18%～25%；Fe2O3+ FeO为6%～10%；CaO+MgO为3.5%～5.0%；K2O+Na2O为1.5% ～4.0%；烧失量为3%～5%，较适合烧制高强陶粒［3］。并以m（淤泥）∶m（粉煤灰）=60∶40进行陶粒的成型和烧成试验。

1.2实验方法

陶粒生产及烧成工艺：将粒度小于5 mm的淤泥烘干，粉磨过筛，按照m（淤泥）∶m（粉煤灰）=60∶40于球磨机混料均匀，手工搓直径不大于10 mm的料球在105℃条件下烘干2 h，存放待用。

陶粒的强度、表观密度和吸水率按照GB/T 17431.2—2010《轻集料及其试验方法》进行测试。焙烧后，用游标卡尺测量样品的直径，并计算每颗轻骨料的面积，按顺序在压力计测每颗轻骨料破坏荷载Fi，计算每颗轻骨料的强度σi，并计算平均强度σ作为陶粒强度。

基于以往研究［4-5］，将预烧温度定为400℃，焙烧温度设定在1100～1250℃范围内较为合适。

2　结果与分析

2.1预烧时间对陶粒性能的影响

在预烧温度400℃、焙烧温度1200℃、焙烧时间15 min条件下，研究预烧时间对陶粒性能的影响，结果见表2。

表2　预烧时间对陶粒性能的影响

预烧是为了避免陶粒生料直接进入焙烧阶段时出现发气量太大的问题。在此阶段生料会脱出水分，使部分有机质挥发，并有一定量的α-Fe2O3晶相形成，为焙烧阶段做准备。从表2可以看出，预烧时间的改变对高强陶粒的性能影响不大，预烧时间在10～20 min，随着预烧时间延长，表观密度降低，吸水率增大，可能是由于预烧时间10 min时发气量太大，焙烧阶段陶粒内部发气量太大，从表面熔融相溢出，使陶粒外壳形成气孔，导致外壳不致密，强度较低。在预烧时间为15、20 min时，各项性能有所提高，陶粒的外壳熔融相与内部发气较为平衡，但相比之下，预烧20 min效果较优。当预烧时间为30 min时，表观密度、吸水率有所提高，预烧时间长，有利于α-Fe2O3的形成，在焙烧阶段发气量增加，打破了外壳熔融相与内部发气量的平衡，因此，陶粒外壳开口孔增加，表面不致密，强度减小。

2.2焙烧温度对陶粒性能的影响

在预烧温度400℃、预烧时间20 min、焙烧时间15 min条件下，研究焙烧温度对陶粒性能的影响，结果见表3。

表3　焙烧温度对陶粒性能的影响

焙烧温度在1100℃以上，陶粒进入焙烧过程，在此阶段，陶粒外壳开始熔融，内部发气量剧增，结果是熔融软化的外壳包裹内部气体，陶粒整体体积增大，达到膨胀的目的。由表3可以看出，焙烧温度在1100℃时，陶粒的外壳液相量与内部发气量形成都不足，导致外壳玻璃相未形成，内部膨胀效果较差，因此陶粒未能膨胀，强度较高；随着焙烧温度的提高，陶粒的性质变化迅速，表观密度快速下降然后增大，吸水率一直下降，强度先减小后增加。因为提高了焙烧温度，陶粒表面熔化加快，形成更多的液相量，冷却时在陶粒表面形成了致密的玻璃层，在内部发气加快，促使陶粒体积变大，因此表观密度与吸水率降低。但焙烧温度到了1250℃，外壳产生了更多的液相量，并向陶粒内部回填，内部变得密实，且导致内部气体溢出，陶粒体积变小，因此表观密度增大，强度提高。

2.3焙烧时间对陶粒性能的影响

在预烧温度400℃、预烧时间20 min、焙烧温度1200℃条件下，研究焙烧时间对陶粒性能的影响，结果见表4。

表4　焙烧时间对陶粒性能的影响

在焙烧温度为1200℃时，陶粒外壳液相量与内部发气量形成速率已经较快，原理类似于焙烧时间。由表4可以看出，随着焙烧时间的延长，陶粒的表观密度变化较小，吸水率一直减小，单颗粒强度增加。当焙烧时间为5 min时，陶粒的焙烧过程不完全，外壳液相量未完全形成，内部开始发气，陶粒开始膨胀，因此表观密度较低，但由于液相量不足，外壳有大量开口孔，因此吸水率大，单颗粒压强很小。在焙烧时间为10～15 min时，陶粒的外壳液相量与内部发气量较为平衡，15 min的时候较优。当焙烧时间为20 min，陶粒表观密度开始增大，可能是陶粒外部液相量产生较多，开始向陶粒内部回填，因此表观密度增加，单颗粒强度也提高。

2.4不同焙烧制度烧制高强陶粒的XRD、SEM分析

通过上述研究结果，焙烧温度与焙烧时间是影响高强陶粒性能的主要因素，为验证该结论对2.2、2.3实验样品进行XRD谱图分析，结果见图1～图2。

图2　不同焙烧时间下陶粒的XRD图谱

由图1、图2可见，陶粒的晶相主要包含石英与莫来石，随着焙烧温度的升高，莫来石的晶相衍射峰数量有所增加，已有的石英相衍射峰强度有所降低；随着焙烧时间的延长，无论是石英晶相或莫来石晶相，数目上变化不太明显，主要的变化是石英相的衍射峰明显减弱，而相反莫来石晶相都略微增强。因此可以得出，高温环境有利于莫来石晶相的形成，根据相关研究可知，莫来石的生成有助于集料强度的提高［6-8］。在设计烧成制度时，应严格控制好焙烧温度、焙烧时间，相互协调才能获得较为理想的高强陶粒。

将粉煤灰掺量为40%、淤泥为60%、焙烧温度1200℃、焙烧时间20 min、预烧温度400℃、预烧时间15 min的条件下制得的陶粒进行SEM观察分析可知，在陶粒外层形成了一层致密的玻璃层，内部分布许多气孔（见图3）。

图3　淤泥-粉煤灰陶粒的SEM照片

从图3（a）、（b）可以看到，陶粒外层气孔分布小而致密，能有效阻隔水的进入，并且一定程度上提高陶粒的强度，因此陶粒的吸水率较低，强度较为理想；从图3（c、）（d）、（e）可以看到，陶粒内部经过发气形成的气孔分布均匀，且很少是连通的，这种封闭的气孔进一步增强了吸水率低的特性，大大地降低了陶粒的表观密度。总的来说，该配比及烧成制度制备的陶粒结构性能较为理想。

3　结论

（1）通过对烧成制度研究可以得出，在粉煤灰掺量为40%、淤泥为60%、焙烧温度1200℃、焙烧时间15 min、预烧温度400℃、预烧时间20 min的条件下制得表观密度为1.182 g/cm3、吸水率为3.64%、单颗粒强度为7.92 MPa的淤泥-粉煤灰陶粒。

（2）在焙烧制度因素中，影响轻集料性能主要是焙烧温度，其次是焙烧时间。要获得轻质高强低吸水率的轻集料，必须严格控制各因素，形成较为理想的结构才能保障性能的优异。

［1］Riley C M.Relation of chemical properties to the bloating of clays［J］.Journal of the American Ceramic Society，1951，34（4）：121-128.

［2］陈惟时.混凝土学［M］.北京：中国建筑工业出版社，1981.

［3］范锦忠.高强陶粒生产技术方略［J］.房材与应用，2000，28（4）：21-22.

［4］左演声，陈文哲，梁伟.材料现代分析方法［M］.北京：北京工业大学出版社，2000.

［5］钱觉时.粉煤灰特性与粉煤灰混凝土［M］.北京：科学出版社，2002.

［6］Tenorio Cavalcante PM，Dondi M，Ercolani G，et al.The influence of microstructure on the performance of white porcelain stoneware ［J］.Ceramics International，2004，30（6）：953-963

［7］黄劲.利用东湖污泥生产轻集料的关键技术［D］.武汉：武汉理工大学，2006.

Research on the effect of baking system on the properties of Wuhan East Lake silt-fly ash ceramsite

ZHU Zhe1，ZHU Hang1，HE Jie2，LIU Yunpeng1
（1.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2.China Building Materials Science Academy，Beijing 100024，China）

Lightweight ceramsite with high-strength and low water absorption was prepared by taking the East Lake silt in Wuhan as the main raw material and fly ash as the corrective component.Experimental results show that the addition of fly ash can effectively solve the problem of excessive burning in the high strength ceramisite.The high strength ceramsite was prepared with appropriate sintering process（calcination temperature 1200℃，calcination time 15 min，baking temperature 400℃，baking time 20 min）when the fly ash content was 40%and silt content was 60%.The ceramsite properties were as following:apparent density of 1.182 g/cm3，the water absorption rate of 3.64%，and the single particle strength of 7.92 MPa.The TG/DSC，XRD and SEM analysis results show that the main factors affecting the silt-fly ash in the system are the calcination temperature and time，and a dense mineral layer is formed on the surface，which effectively reduces the apparent density and water absorption.

silt-fly ash ceramsite，α-Fe2O3，ceramsite performance，calcination system

TU528.041

A

1001-702X（2016）04-0021-04

“十二五”国家科技支撑计划项目（2014BAL03B01-01）

2015-11-11

朱哲，男，1992年生，湖北黄冈人，硕士研究生。地址：武汉市珞狮路122号，E-mail：zzhe@whut.edu.cn。