烧结制度和氧化铁含量对轻质多孔陶粒相关性能的影响研究

吴世明，雷翅，张鹏，徐海军

（广州市建筑科学研究院有限公司，广东 广州 510440）

0 引言

近年来，随着我国建筑水平的整体发展和社会节能意识的增强，轻骨料混凝土由于轻质、高强和保温隔热等性能优异而得到了越来越多的关注。陶粒混凝土是轻骨料混凝土施工应用的主要类型，而陶粒作为陶粒混凝土中主要集料，陶粒不仅决定了陶粒混凝土的性能，而且一定程度上影响到了整个轻骨料混凝土行业。陶粒在高温条件下表面熔融态和内部发气情况对陶粒孔结构以至各方面性能都起到至关重要的作用[1]。王发洲等[2]利用东湖底泥为主要原材料采用预烧工艺和发泡技术制备出性能优异的超轻陶粒。张国伟等[3]以海新泾港河道底泥为主要原料烧制陶粒，通过调节保温时间来改变陶粒表观形貌和内部孔隙的连通状况，得到孔隙率良好的多孔陶粒。邓蕾等[4]研究发现铝粉的掺入减少了淤泥陶粒内部孔隙的形成，并且提到铝粉的掺入后原位还原生成的Fe金属相具有极好的延性；同时有研究表明[5-6]，Fe2O3会提高陶粒的膨胀性和流动性，有助于在高温下调节陶粒孔结构的作用，但高温下过量的Fe2O3会导致陶粒变形和发生“Fe-C膨胀效应”[7]导致陶粒破坏。所以研究烧结温度、保温时间和Fe2O3掺量对陶粒熔融态下表观形貌以及内部气孔的形成情况很有必要，但国内相关的研究未见深入报道。

本文通过正交试验研究了以湖泊底泥为原料，不同烧结温度、保温时间和氧化铁含量对陶粒性能的影响，探讨其变化规律得出最优烧制工艺，并制备出一种轻质多孔的高性能陶粒，为制备轻质多孔高性能陶粒提供理论依据。

1 试验

1.1 原材料

湖泊底泥：武汉东湖湖底底泥，其化学成分见表1。

表1 湖泊底泥的化学成分 %

沼气渣：来源于重庆云阳，经过粉磨过筛后粒度≤0.15 mm；其化学成分见表2，矿物组成见图1。

表2 沼气渣的化学成分 %

图1 沼气渣的矿物组成

页岩：源自湖北十堰，含水率为1.2%，粒度≤0.15 mm；化学成分见表3，矿物组成见图2。

表3 页岩的化学组成 %

图2 页岩的矿物组成

氧化铁（Fe2O3）：市售，分析纯。

无水碳酸钠：市售，分析纯，纯度≥99.0%。

1.2 试验仪器设备

球磨机：SMQ型，郑州瑞涵仪器有限公司；恒温干燥箱：DGG-9240型，上海森信实验仪器有限公司；材料表面分析系统：KH—7700，美国科视达公司；高温电阻炉：ECFT-55-13型，上海广益高温技术实业有限公司；电子天平：BSA8201型，德国赛多利斯。

1.3 试验方法

将沼气渣、湖泊底泥、页岩分别烘干后，经球磨机粉磨至粒度≤0.15 mm，再与碳酸钠、氧化铁按照比例均匀混合，然后喷洒原料总质量30%的水，使原料充分混合均匀，放入密封袋中密封陈化24 h。

将陈化好的混合料手工成球，制成直径为15 mm左右的生料球，将生料球先自然干燥24 h以上，然后放入电热鼓风恒温干燥箱中，在100℃的条件下干燥2 h备用；在高温炉中的耐火材料上撒一层Al2O3，将干燥好的生料球放在Al2O3上，然后将高温炉升至设定温度焙烧，达到保温时间后自然冷却至室温后取出，即可制得陶粒。

陶粒吸水率、表观密度和堆积密度参照GB/T 17431.1—1998《轻集料及其试验方法》；通过50倍光学显微镜观察陶粒破碎后的微观形貌。

2 试验结果与分析

陶粒试验方案与结果如表4所示。

表4 陶粒试验方案与结果

2.1 烧结温度和保温时间对陶粒性能的影响

由表4可知，固定保温时间为30 min，氧化铁掺量为0，烧结温度对陶粒性能的影响如图3所示。

图3 烧结温度对吸水率、表观密度和堆积密度的影响

固定烧结温度为1175℃，氧化铁掺量为0，保温时间对陶粒性能的影响如图4所示。

图4 保温时间对吸水率、表观密度和堆积密度的影响

从图3、图4可以看出，吸水率随烧结温度及保温时间的增加而增加，表观密度、堆积密度随烧结温度及保温时间的增加而减小。分析认为，在一定温度下，坯体内部会熔融软化生成一定量的具有一定黏度的长石类熔融矿物。并且坯体内含有各种有机杂质、分解盐类和易燃烧矿物等，在高温状态下能够生成一定量的气体使坯体膨胀变形。烧结温度越高，保温时间越长，坯体熔融液相量更大，且液相粘度更低，从而对气体膨胀的束缚也越小。因此，陶粒内部生成宏观孔越多，且膨胀效果更好，导致陶粒表观、堆积密度值较小。另外，陶粒的吸水率上升；也使内部连通宏观孔更多，壳层较薄并且壳层上的开口微孔较多，又导致吸水率升高。

不同烧结温度对陶粒表观形貌和内部气孔的影响见图5，不同保温时间对陶粒表观形貌和内部气孔的影响见图6。

由图5、图6可知，控制保温时间为10 min，氧化铁掺量为2%，烧结温度为1150℃时，陶粒内部平均孔径为643.6 μm，远小于烧结温度为1175℃的陶粒内部平均孔径1112.3 μm。控制烧结温度为1175℃，氧化铁掺量为2%时，保温时间为10 min的陶粒内部平均孔径为1112.3 μm，远小于保温时间为30 min的陶粒内部平均孔径2059.1 μm。分析认为烧结温度越高，保温时间越长，熔融液相的黏度越低，使不连通的微孔互相连接，形成大的气孔，陶粒内部孔结构尺寸变大。

图5 不同烧结温度对陶粒表观形貌和内部气孔的影响

图6 不同保温时间对陶粒表观形貌和内部气孔的影响

2.2 氧化铁掺量对陶粒性能的影响

烧结温度为1150℃、1175℃，保温时间为30 min，氧化铁含量对陶粒性能的影响见图7。

图7 氧化铁掺量对表观密度、堆积密度和吸水率的影响

由图7可知，随氧化铁掺量的增加，陶粒的表观、堆积密度普遍上升，吸水率普遍下降。氧化铁掺量增加，使得陶粒中Fe的价态由赤铁矿向方铁矿转变[8]，反映了陶粒料球烧结时还原环境的增强，此时，陶粒矿物中的Si—O对称伸缩振动波数降低明显，Si—O四面体的聚合度明显降低，架状结构的桥氧大量断裂[9]，从而表现为烧结时陶粒的熔融温度降低和熔融程度增加，Fe2O3起到助熔作用。陶粒的熔点随Fe2O3含量的增加而降低，使得在相同温度时，陶粒内部液相量增加，黏度降低，固体颗粒由于液相表面张力的作用相互接近，液相填充到气孔中使坯体致密化，进而导致陶粒的密度变大，整体吸水率降低。氧化铁掺量越高，则陶粒越容易达到烧胀条件，产品性能也越好。在较低的烧结温度下，氧化铁掺量少的陶粒因为不能产生足够的液相，无法达到陶粒烧胀的条件而性能较差；而在高温下，不含Fe2O3的坯料也能熔融达到烧胀条件，过高的氧化铁掺量反而由于气体溢出形成宏观开口而造成性能下降。

烧结温度为1175℃，保温时间为10 min时，氧化铁掺量对陶粒微观形貌和外观的影响见图8。

图8 不同氧化铁掺量下陶粒的微观形貌和外观

由图8可知，控制烧结温度为1175℃，保温时间为10 min时，氧化铁掺量2%的陶粒内部平均孔径为1112.3 μm，远小于氧化铁掺量1%的陶粒内部平均孔径1674.0 μm和Fe2O3掺量为0的陶粒内部平均孔径3577.3 μm。对陶粒孔径的观察结果进行分析发现，陶粒内部孔隙分布较不均匀，且孔径大小不一，孔隙间由烧结黏土矿物联接支撑，构架支撑陶粒的内部骨架[10]。氧化铁掺量低的陶粒孔隙独立性保持相对较好，内部连通孔较少。部分融化冷却形成的玻璃体并非完全致密，结构中充斥着较多的微小气孔。当氧化铁掺量增加时，陶粒内部整体孔隙相对较为粗大，结构较为疏松。黏土孔隙分布不均匀，孔隙尺径较大，内部常见相互连通的孔隙；从表观形貌也可看出，氧化铁掺量为1%时，陶粒的表面最为光滑完整。

3 结语

（1）陶粒的吸水率随焙烧温度及保温时间的增加而增加，表观密度、体积密度随焙烧温度及保温时间的增加而减小。

（2）烧结温度的增高和保温时间的延长会使得陶粒在高温条件下表观熔融液相的黏度越低，使陶粒内部不连通的微孔互相连接,形成大的气孔，陶粒内部孔结构尺寸变大，导致表面显气孔增多。

（3）随氧化铁掺量的增加，陶粒的表观密度、堆积密度增大，吸水率下降。

（4）氧化铁掺量为1%的陶粒在高温下表观熔融状态较好，表观形貌较为光滑完整，内部平均孔径为1674.0 μm，内部孔隙生成良好。

（5）当烧结温度为1175℃，保温时间为30 min，氧化铁掺量为1%时，所制得的陶粒较好地满足轻质多孔的特性。

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