700～900密度等级渣土陶粒的研制及其性能

张 磊， 张鸿飞， 荣 辉,3,4， 杨久俊,3

(1.天津城建大学 材料科学与工程学院， 天津 300384； 2.天津城建大学 天津市软土特性与工程环境重点实验室， 天津 300384； 3.天津城建大学 天津市建筑垃圾与燃煤废弃物利用技术工程中心， 天津 300384； 4.江苏省建筑科学研究院有限公司 高性能土木工程材料国家重点实验室， 江苏 南京 210008)

近几年，中国每年产生的建筑垃圾总量约为15.5～24.0亿t，占城市垃圾总量的30%～40%.其中工程渣土占建筑垃圾的70%以上，是建筑垃圾的主要成分[1].目前，中国城市建设工程渣土的堆积量已达到100亿t，并且以每年3亿t的速度增长.然而，大量的工程渣土仍采用传统露天堆放或填埋等方式处理，不仅占用土地资源、污染环境，而且还存在严重的安全隐患[2].因此，建筑工程渣土的资源化利用可缓解建筑垃圾带来的土地占用、环境污染以及安全隐患等生态、环保和安全压力问题.

陶粒因具有多孔、轻质、保温及隔声等优点被广泛研究应用[3-7].然而当前陶粒普遍存在密度等级和强度较低的问题，限制了其在有高强要求的承重结构中的使用[8-10].如果利用渣土制备出高强、高密度等级陶粒，不仅能满足部分承重结构的需求，而且能安全消纳渣土，提高其利用率和附加值，减少土地占用和环境污染.

鉴于此，本文研制了不同粒径(10～15mm和15～25mm)、不同密度等级(700～900)的渣土陶粒，并探究了原材料配方和烧制工艺对渣土陶粒性能的影响规律，进而确定不同密度等级渣土陶粒的最优配方和工艺；在此基础上研究了不同密度等级渣土陶粒的宏观性能和微观结构.

1 试验

1.1 原材料

渣土：天津市地铁6号线盾构产生的渣土.粉煤灰：天津火电厂锅炉燃烧的废弃物.污泥：天津咸阳路污水处理厂压滤过的脱水污泥.秸秆：天津蓟县农用废弃物.原材料的化学组成如表1所示.

表1 原材料的化学组成

1.2 试验配方

试验共分为20组.其中10组以渣土-粉煤灰、渣土-粉煤灰-秸秆为主要原材料，其试验配方如表2所示；另外10组以渣土-污泥，渣土-污泥-秸秆为主要原材料，其试验配方如表3所示.需要说明的是，表中秸秆掺量10%以占(渣土+粉煤灰)或(渣土+污泥)质量百分比计.

表2 渣土-粉煤灰和渣土-粉煤灰-秸秆配方

表3 渣土-污泥和渣土-污泥-秸秆配方

1.3 试验方法

1.3.1渣土陶粒制备过程

将渣土、粉煤灰、污泥和秸秆等原材料均加工成细度小于149μm(100目)的粉末试样.按照试验配方对原材料混合搅拌，并加入适量水，揉成2种粒径(10～15mm和15～25mm)的生料球；然后将其放入电热恒温鼓风干燥箱，在105℃下烘干 6～8h；再将烘干好的生料球放入快速升温箱式电炉中进行焙烧(以8～10℃/min 的加热速率升至 500℃，并保持20min，再以8～10℃/min的加热速率升温至 1150～1250℃，焙烧15min)；最后将焙烧结束后的渣土陶粒冷却、称量、分类保存.

1.3.2分析测试

渣土陶粒的宏观性能(堆积密度、表观密度、筒压强度、吸水率和烧失量)测试方法按GB/T 17431.2—2010《轻集料及试验方法 第2部分：轻集料试验方法》进行.

渣土陶粒的微观结构采用日本电子场发射扫描电镜(型号JSM-7800F)观察分析.

2 结果分析与讨论

2.1 初步配方对渣土陶粒堆积密度的影响

根据前述试验配方和渣土陶粒制备方法进行初步试验，对20组生料球进行焙烧，焙烧温度为 1150℃，渣土陶粒堆积密度变化结果如图1所示.需要说明的是，因MS3，MS4，MS5，MS9和MS10在1 150℃下烧熔，无法测量其堆积密度，故图1中没有它们的数据.

图1 渣土陶粒堆积密度的初步试验结果Fig.1 Preliminary experimental results of bulk density of muck ceramsites

由图1可知：(1)对于渣土-粉煤灰体系，渣土陶粒的堆积密度随粉煤灰掺量的增加而逐渐降低，当粉煤灰掺量由10%增加到50%时，陶粒的堆积密度由970kg/m3降低至859kg/m3；随着粉煤灰掺量的增加，陶粒的密度等级降低并不明显，只由初始的1000降低至900.这是因为粉煤灰掺量的增加一方面提高了体系中的产气成分(有机质(包括碳粒)、铁及铁的氧化物之间发生氧化还原反应，产生了膨胀气体CO和CO2，同时粉煤灰中硫主要以硫酸盐和有机硫的形式存在[11]，形成了少量的SO2和O2[12])；另一方面体系中陶粒骨架成分增加，造成陶粒产生液相的烧结温度升高，影响膨胀效果.正是由于上述双重因素，使得掺入粉煤灰后的渣土陶粒密度等级降低效果不明显.(2)对于渣土-污泥体系，渣土陶粒的堆积密度随着污泥掺量的增加而降低，但降低幅度很小，当污泥掺量由10%增加到20%时，渣土陶粒的堆积密度由1087kg/m3降低至 1053kg/m3，特别是当污泥掺量提高到30%以上时出现了烧熔现象，渣土陶粒表面产生了大量釉层，颗粒塌陷.这是因为污泥掺量增加显著提高了体系中的助熔成分，有效降低了陶粒产生液相的烧结温度，另外加入污泥使陶粒对温度过于敏感，烧结区间变窄，焙烧机制不易控制.(3)在上述双组分体系的基础上，加入定量秸秆构成三组分体系，与双组分体系相比，随着秸秆的加入，三组分体系渣土陶粒的堆积密度进一步降低.这是因为秸秆中可燃碳和产气成分较多，在渣土陶粒烧制过程中能够产生大量气体，从而引起陶粒膨胀，堆积密度降低.由图1还可见：(1)对于渣土-粉煤灰-秸秆体系，渣土陶粒的堆积密度随粉煤灰掺量的增加呈现线性变化，当粉煤灰掺量由10%增加到50%时，渣土陶粒的堆积密度由920kg/m3降低至690kg/m3，密度等级降低明显.这是因为秸秆的加入提高了体系产气量，同时可燃碳燃烧带来的热量使内部气体更易膨胀.(2)对于渣土-污泥-秸秆体系，渣土陶粒的堆积密度随污泥掺量的增加先降后升，未呈线性变化，在渣土-污泥-秸秆质量比为8∶2∶1时，渣土陶粒的堆积密度出现拐点，且当污泥掺量提高到40%时，陶粒融化，无法得到成型良好的陶粒.这是因为污泥和秸秆均会提高体系的产气成分和助熔成分，两者过多导致高温阶段的液相渗进陶粒内部，使其烧胀效果变差.

2.2 温度对渣土陶粒堆积密度的影响

综合分析上述20组配方制得的渣土陶粒性能后，选用渣土-粉煤灰双组分体系来制备渣土陶粒.

试验发现：对于渣土-粉煤灰双组分体系，当m(渣土)∶m(粉煤灰)=90∶10时，烧制的陶粒表面呈深棕色，出现釉层；当m(渣土)∶m(粉煤灰)=60∶40时，烧制的陶粒表面出现麻面且无釉色.这是因为随着粉煤灰掺量的增加，体系骨架成分增加，尤其是体系中氧化铝含量增加，使陶粒产生液相所需的温度升高，从而影响陶粒表面釉层的产生.同时，相关文献[13-14]也表明焙烧温度是影响陶粒性能的主要因素之一.因此，需要通过优化温度试验，来探究使陶粒产生良好膨胀效果的最佳烧结温度.优化温度试验选择粒径为15～25mm的生料球，具体试验方案和结果如表4所示.

表4 优化温度试验方案和结果

Note：↑—— The sintering temperature is not high enough, should be raised continuously；√—— The temperature is the best sintering temperature；×—— Ceramsite is deformed at this temperature.

由表4可知：随着粉煤灰掺量的增加，渣土陶粒的最佳焙烧温度逐渐提高.这是因为粉煤灰的加入使得体系中难熔骨架成分增多，同时含有的助熔成分(MgO，Na2O，K2O)相对减少所致.通过上述试验，可以确定5组配方(MF1～MF5)下渣土陶粒的最佳焙烧温度.依此焙烧温度，对上述5组配方下粒径为10～15mm的生料球也进行烧制，冷却后测其堆积密度，结果如图2所示.

图2 最佳焙烧温度下不同粒径渣土陶粒的堆积密度Fig.2 Bulk density of muck ceramsite under optimum sintering temperature at different particle sizes

由图2可以看出，在相同工艺和相同最佳焙烧温度条件下，随着粉煤灰掺量的增加，不论陶粒粒径大小，渣土陶粒的堆积密度均逐渐降低，且大粒径(15～25mm)渣土陶粒的堆积密度下降趋势较小粒径(10～15mm)渣土陶粒明显，当粉煤灰掺量由10%增加到50%时，大粒径(15～25mm)和小粒径(10～15mm)渣土陶粒的密度等级由1 000分别降至500和600.这是因为，一方面颗粒与颗粒堆积过程中大颗粒产生的颗粒间隙较大，致使渣土陶粒堆积密度偏小；另一方面，在相同配方下，粒径大的生料球产气量更多，更易产生膨胀.

2.3 优化配方对陶粒堆积密度的影响

由上述温度优化得出的试验结果发现，增大粒径或者增加粉煤灰的掺量均可以达到降低渣土陶粒堆积密度的效果.为了获得高强且轻质的渣土陶粒，需将渣土陶粒的密度等级控制在700～900.对于粒径10～15mm的陶粒，符合条件的粉煤灰掺量为20%～40%；对于粒径15～25mm的陶粒，符合条件的粉煤灰掺量为20%～30%.但初始配比经过温度优化后，渣土陶粒的堆积密度并未达到理想数值，如粒径10～15mm的陶粒在配方MF3下堆积密度为710kg/m3，粒径15～25mm的陶粒在配方MF2下堆积密度为819kg/m3，两者均处在密度等级的边界处.因此，需进一步优化配方，使陶粒膨胀效果良好、强度更高.

表5为在渣土-粉煤灰双组分体系下密度等级700～900不同粒径陶粒配方优化试验结果.由表5可以看出，在保持温度不变的条件下，通过适当增加或者减少粉煤灰的掺量来调节产气成分，可以实现渣土陶粒堆积密度的降低或者升高.由此可以确定，制备密度等级为700～900不同粒径的渣土陶粒，渣土-粉煤灰双组分体系的渣土最佳掺量为60%～83%，粉煤灰最佳掺量为17%～40%.

2.4 渣土陶粒的性能

2.4.1宏观性能

对密度等级为700～900渣土陶粒的宏观性能(筒压强度、堆积密度、表观密度、1 h吸水率和烧失量)进行测试，具体结果如表6所示.由表6可以看出，所列性能指标均符合GB/T 17431.2—2010相关规定，并且随着渣土陶粒密度等级的升高，其表观密度、筒压强度、1h吸水率和烧失量均呈现出较为规律的变化趋势.

表5 700～900密度等级不同粒径渣土-粉煤灰陶粒配方优化试验结果

表6 700～900密度等级渣土陶粒宏观性能

由表6还可知：(1)对于同一粒径陶粒，随着密度等级的增大，其表观密度和筒压强度呈升高趋势，而1 h吸水率呈下降趋势.这是因为相比低密度等级渣土陶粒，密度等级较高的渣土陶粒内部孔隙更小，连通孔更少，相同条件下表观密度和筒压强度会相应提高；同时，较小的孔隙、较少的连通孔使得陶粒对水分的吸收作用较弱.(2)对于同一密度等级陶粒，随着粒径增大，渣土陶粒的表观密度和筒压强度呈降低趋势，而1 h吸水率呈升高趋势，原因是粒径

较大的陶粒内部连通孔的比率较大，而且在堆积过程中颗粒间空隙较大，其堆积密度会随之变小，导致筒压强度也随之变小；同时，粒径较大的陶粒暴露在水中的单个比表面积较大，使其对水分的吸收作用较小粒径陶粒强.

2.4.2微观性能

采用扫描电镜观察制备好的渣土陶粒微观结构，结果如图3所示.由图3可以看出：烧制的渣土陶粒内部疏松多孔，呈蜂窝状，微孔居多，且绝大多数孔径在100μm以下；气孔多数为封闭孔，有少量的连通孔，最大孔径(500μm左右)分布在700密度等级陶粒内部.孔结构产生的原因是在高温作用下原材料组分之间发生一系列化学反应生成气体，随着产气量的增多和气体在高温下的膨胀作用形成了膨胀气压.若内部膨胀气压较小，则气孔存在于陶粒内部，形成封闭孔；若内部膨胀气压大于表面液相的约束力，内部产生的膨胀气体未被充分包裹，则会产生气体逸出通道，形成连通孔.另外，烧制的渣土陶粒均为浅棕色，表面呈现光滑的釉质层，说明陶粒骨架成分和助熔成分含量在合理范围内，烧结过程中能形成具有足够黏度的液相，焙烧完成后经自然冷却形成的玻璃体包裹在陶粒表面构成釉质层.

图3 700～900密度等级不同粒径的渣土陶粒照片Fig.3 Photos of 700-900 density grade of muck ceramists at different particle sizes

由图3还可发现：(1)随着密度等级的升高，渣土陶粒内部产生的大孔越来越少，连通孔也逐渐减少.产生这种现象的原因可能是孔径的大小和连通孔的多少与陶粒在高温状态时内部气体的膨胀力和表层液体的约束力有关，而温度的高低会直接决定膨胀力和约束力的强弱.前面提到焙烧温度是影响陶粒性能的主要因素之一，对于不同配方渣土陶粒的最佳焙烧温度取决于其配方的组合情况.渣土基陶粒的最佳焙烧温度由体系中难熔组分粉煤灰的掺量决定.在一定范围内粉煤灰掺量越多，焙烧温度越高，越利于烧胀；煤粉灰掺量越少，焙烧温度越低，越不利于烧胀.随着粉煤灰掺量的增加，陶粒的最佳焙烧温度升高，陶粒内部产生的气体在最佳焙烧温度下向外逸出的力变大，会使气孔变大膨胀，同时有少部分孔与周围气孔交叉形成连通孔.(2)密度等级相同时，陶粒内部单位体积的气孔数量和尺寸接近，但小粒径陶粒内部封闭孔的比例更大.产生这种现象的原因是同一密度等级不同粒径陶粒的配方和焙烧温度非常接近，在高温阶段出现液相时小粒径陶粒产气量较少，孔与孔之间交叉形成连通孔的概率较低，从而使其封闭孔的比例更大，孔结构密实程度较高.

3 结论

(1)渣土陶粒的堆积密度随粉煤灰、污泥和秸秆掺量的增加而逐渐降低.当污泥和秸秆的掺量达到一定量时，系统骨架组分(SiO2+Al2O3)含量较低，很难烧制成陶粒.

(2)当渣土掺量为60%～83%，粉煤灰掺量为17%～40%，焙烧温度为1 170～1 250℃时，可制备出700～900密度等级且粒径不同的渣土陶粒.

(3)对于同一粒径渣土陶粒，随着密度等级的降低，其筒压强度逐渐降低，由900密度等级下的 12.6MPa 降低至700密度等级下的4.9MPa；渣土陶粒的筒压强度、1h吸水率、烧失量等性能均符合GB/T 17431.2—2010相关规定.

(4)对于同一粒径渣土陶粒，低密度等级的陶粒内部孔径比高密度等级的大；对于同一密度等级渣土陶粒，小粒径陶粒内部封闭孔的比例较大，孔结构密实程度较高.