花岗岩尾泥与渣土制备轻质陶粒的研究

2023-11-08权宗刚陈媛媛刘蓉赵宁王东利陈晓鹏全萍

新型建筑材料 2023年10期

权宗刚，陈媛媛，刘蓉，赵宁，王东利，陈晓鹏，全萍

（1.西安墙体材料研究设计院有限公司，陕西西安 710061；2.深圳职业技术大学，广东深圳 518055；3.中铁九局集团第三建设有限公司，广东佛山 528200）

0 前言

以花岗岩尾泥为代表的石矿尾泥的资源化利用，是目前行业研究的重点之一。花岗岩尾泥是花岗岩经选矿、锯切、冲洗排放的泥状废弃物，是固体废弃物的主要组成部分，而大量尾泥未得到有效利用。花岗岩尾泥主要成分是石英，且富碱，干燥后粉体松散，无法直接作为农耕土壤或建筑用料，这不仅直接造成尾泥的堆积问题，还存在污染耕地、扬尘等严重的环保问题，推动花岗岩尾泥的资源化利用迫在眉睫。

目前，石矿尾泥的主要利用方式包括：作为水泥原料、建筑板材原料、陶瓷釉料等[1-4]。马军雷等[5]将石英尾泥与粉煤灰合理配比后完全取代黏土配方，生产出稳定的低碱高质量水泥熟料，综合经济效益显著。曾伟和侯龙[6]使用长石尾泥经提纯、磁选和脱水，生产了一种70~150 目的釉用长石原料，其工艺简单可靠，成品经济效益较高。然而，目前在石矿尾泥中仅石英尾泥具有一定的规模研究，而其它石矿尾泥，尤其是花岗岩尾泥的综合利用尚未见研究报道。

陶粒是一种新型轻质、保温、高强、多功能的人造轻骨料，在装配式建筑PC 构件、混凝土桥梁工程、公共建筑轻骨料混凝土结构工程、高层超高层结构轻骨料混凝土工程、道路工程等工程中具有良好的应用前景。陶粒工艺适用性较好，可根据当地地质资源，使用工程渣土、粉煤灰、污泥、废渣尾矿等固体废弃物作为原料，生产不同堆积密度的陶粒产品。张文军等[7]研究了安山岩尾泥轻质陶粒的制备工艺，拓展了安山岩尾泥的增值利用途径。

本文以湖北地区花岗岩尾泥和工程渣土作为主要原料，木屑和Fe2O3为发气材料，研究了原料配比和复配发气剂配比对陶粒产品膨胀性能的影响，提出了花岗岩尾泥的最大掺配比例和复配发气剂最佳配比，以期为花岗岩尾泥轻质陶粒的生产提供参考。

1 实验

1.1 实验原料

本实验主要原料为湖北地区花岗岩尾泥和渣土，如图1所示。花岗岩尾泥呈灰色，属软岩尾矿类，含有砂质颗粒，尾泥的黏土性质显著；渣土呈红灰色块状、颗粒状。花岗岩尾泥和渣土的主要化学成分和矿物组成如表1、表2 所示。花岗岩尾泥是一种以非黏土矿物石英、钾长石、斜长石、云母为主要组成的高SiO2、高熔剂K2O、Na2O 的瘠性原料，烧失量仅为0.67%；渣土是一种以非黏土矿物石英、长石以及少量黏土质矿物伊利石和蒙脱石为主要矿物成分的原料。化学组成的分析结果显示，花岗岩尾泥具有组成陶粒的Si、Al、Mg、Fe、Ca、K、Na 等适宜的基础成分，构成了形成陶粒的必要条件。但是其塑性指数为5.62，无法单独成球造粒，因此在制备陶粒时需配合掺入渣土。木屑为市购天然松木木屑。Fe2O3为化学标准试剂。

表1 花岗岩尾泥及渣土的主要化学成分%

图1 原料概况

1.2 实验方法

花岗岩尾泥和渣土分别在100 ℃下干燥8 h，破碎粉磨至200 目细度。原料分别按照配比设计以质量百分比配料、混合，加入18%~20%的水进行拌和，搓制成7~10 mm 的生料球。各组配方的生料球经干燥后在马弗炉中400 ℃预烧10 min，然后分别在1100、1120、1150、1180、1200、1230 ℃下焙烧10 min。冷却后对陶粒样品进行堆积密度、表观密度、1 h 吸水率等性能分析，测试方法按照GB/T 17431.2—2010《轻集料及其试验方法第2 部分：轻集料试验方法》进行。

本实验旨在研究分析花岗岩尾泥和渣土制备陶粒的膨胀性能，得到陶粒产品中花岗岩尾泥的最大掺量，进而在工业生产中高效利用花岗岩尾泥，并推动固体废物资源综合利用。根据Riley 三角形形成适宜膨胀性能的化学成分范围，成陶成分SiO2含量为40%～79%，Al2O3含量为10%～25%，助熔成分K2O、Na2O、CaO、MgO 和FeO 等碱性氧化物含量为13%～26%，进行配方设计。通过分别调整花岗岩尾泥和渣土的比例，以及在其最大掺配比例基础上的复配发气剂配比，对陶粒膨胀性能进行了研究。

2 实验结果与讨论

2.1 原料配比对陶粒膨胀性能的影响

花岗岩尾泥富含RO 和R2O 助熔成分相，且不能单独成球造粒，因此需要配合渣土以调整坯体整体成陶成分和助熔成分相。助熔成分相过多时，膨胀性能变差；而助熔成分相过少时，膨胀不易发生。为研究原料配比对陶粒膨胀性能的影响，根据花岗岩尾泥、渣土基本性能，以不同比例的花岗岩尾泥和渣土进行实验配比设计，并外掺加入2%木屑和5%Fe2O3。通过陶粒样品的焙烧实验，确定膨胀性能和最大掺配比例，实验配比见表3。

表3 实验配比设计

在不同焙烧温度下按不同原料配比制得的陶粒样品堆积密度和1 h 吸水率如图2 所示，样品形貌如图3 所示。

图2 不同焙烧温度下原料配比对陶粒性能的影响

图3 不同焙烧温度下不同原料配比制得的陶粒样品

由图2、图3 可见，随着焙烧温度的升高，所有样品的堆积密度都逐渐降低。其中，A64 样品的堆积密度从967 kg/m3下降至522 kg/m3，降幅最大；A37 样品的堆积密度从743 kg/m3下降至563 kg/m3，降幅最小。焙烧后，所有样品均未产生明显的炸裂，说明花岗岩尾泥适合作为生产陶粒的原料，其化学组成和物相组成均满足陶粒制备的要求。陶粒的吸水率与表面开口孔隙的结构有关，对陶粒在建筑材料中的使用具有一定影响。随着焙烧温度的升高，所有样品均呈现吸水率下降的趋势，说明焙烧温度的升高使陶粒表面更为致密。然而，A82 样品在1200 ℃时以及A46 样品在1230 ℃时的吸水率突然增大，这说明在此焙烧温度下，样品中气体开始大量聚集，促使孔隙贯通，并提高了开口孔隙率。

陶粒样品的主要性能如表4 所示。

表4 不同原料配比制得陶粒样品的主要性能

由图3、表4 可见：

（1）A82 和A73 样品在1150～1200 ℃间50 ℃的焙烧温度范围内可烧制成平均堆积密度分别为968、956 kg/m3的陶粒；A64 样品在1120～1200 ℃间80 ℃的焙烧温度范围内可烧制成平均堆积密度为702 kg/m3的陶粒；A55、A46 和A37 在1100～1200 ℃间100 ℃的焙烧温度范围内可烧制成平均堆积密度分别为802、660、675 kg/m3的陶粒。由此可见，随着花岗岩尾泥掺量的递减，焙烧陶粒样品烧成温度范围逐渐增宽，堆积密度逐渐下降。A82 和A73 样品具有较高的堆积密度和较窄的烧成温度范围，这是由于花岗岩尾泥中陶组分SiO2和R2O 助熔成分相对较高，因此陶粒样品整体熔结密实，高温时表面呈现玻化，气孔微小。

（2）A64 样品的平均堆积密度与A46 和A37 样品差距较小，且烧成温度范围较宽，1 h 平均吸水率较小。在保证更多地综合利用花岗岩尾泥的前提下，最大掺配比例选择为花岗岩尾泥60%、渣土40%。

2.2 复配发气剂配比对陶粒膨胀性能的影响

复配发气剂选用木屑和Fe2O3。其中木屑作为有机碳源，能够在陶粒焙烧过程中参与Fe2O3的氧化还原反应，并逸出COx气体使陶粒坯体烧胀。碳含量和碳铁比过高或过低均影响料球的膨胀性能。为研究复配发气剂配比对陶粒膨胀性能的影响，以最大掺配比例花岗岩尾泥60%、渣土40%为主要原料配比，对复配发气剂比例进行调整。通过陶粒样品的焙烧实验，确定最佳膨胀性能，配比见表5。

表5 复配发气剂的配比

在不同焙烧温度下采用不同复配发气剂制得陶粒样品堆积密度和1 h 吸水率如图4 所示，样品形貌如图5 所示。

图4 不同焙烧温度下复配发气剂配比对陶粒性能的影响

图5 不同焙烧温度采用不同复配发气剂制得陶粒的形貌

由图4 可见，随着Fe2O3量的增加，堆积密度降低，1 h 吸水率增加。当焙烧温度1200 ℃时，B54 样品的堆积密度为456 kg/m3，较B25（A64）、B34 和B33 样品分别降低69、124、132 kg/m3。B54 样品相比B25（A64）、B34 和B33 样品，复配发气剂中木屑量多，碳铁比较高，B54 样品中的发气成分总含量高，从而表现出较好的膨胀性能。因此，通过调节复配发气剂中木屑和Fe2O3的掺量，采用工艺处理法可以改善陶粒的膨胀性。

陶粒样品的主要性能如表6 所示。

表6 不同复配发气剂制得陶粒样品的主要性能

由表6 可见：根据陶粒形貌、堆积密度和1 h 吸水率，陶粒的焙烧温度范围可以被确定。B34、B33、B54 样品的焙烧温度范围均为1100～1200 ℃，较B25（A64）宽，表中列出了密度等级更为稳定的范围为1150～1200 ℃，并进行分析。B25（A64）样品在1120～1200 ℃间80 ℃的焙烧温度范围内可烧制成平均堆积密度为702 kg/m3的陶粒，而B33、B34 和B54 样品则分别在1150～1200 ℃间50 ℃的焙烧温度范围内可烧制成平均堆积密度分别为578、583、508 kg/m3的陶粒。由此可见，随着复配发气剂的碳铁比的递增，焙烧陶粒样品的堆积密度逐渐下降。由于所有试样均在较为合理的轻质陶粒主要原料配方A64 的基础上进行研究，因此陶粒产生的玻化液相被控制在较为合理的范围内。随着碳铁比的增高，在早期膨胀过程中膨胀气体产生量随之增大，使集料能够得到充分膨胀，从而实现陶粒的轻质化。因此，B54 样品的平均堆积密度最低，膨胀性能最佳。