朱哲，朱航，何捷，劉云鵬（.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢　430070；.中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京　0004）

焙燒制度對武漢東湖淤泥-粉煤灰陶粒性能影響研究

朱哲1，朱航1，何捷2，劉云鵬1
（1.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢430070；2.中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024）

以武漢市東湖淤泥作為主要原料，以粉煤灰為校正組分，制備一種輕質(zhì)高強低吸水率的淤泥-粉煤灰陶粒。結(jié)果表明，粉煤灰的加入有效改善了淤泥在燒制高強陶粒中燒失量過大的問題。在粉煤灰摻量為40%、淤泥為60%、焙燒溫度1200℃、焙燒時間15 min、預(yù)燒溫度400℃、預(yù)燒時間20 min條件下，制得的淤泥-粉煤灰陶粒表觀密度為1.182 g/cm3、吸水率3.64%、單顆粒強度7.92 MPa。通過TG/DSC、XDR、SEM分析發(fā)現(xiàn)，燒成制度中影響淤泥-粉煤灰陶粒性能的主要因素是焙燒溫度與焙燒時間，并且陶粒表面形成了致密的礦物層，有效減小陶粒表觀密度與吸水率。

淤泥-粉煤灰陶粒；α-Fe2O3；陶粒性能；焙燒制度

0　引言

水體底泥污染廢棄物的處理是一個環(huán)境資源再生難題。湖底淤泥處理的重點是重金屬和有機(jī)質(zhì)，本研究對象為武漢市東湖通道工程產(chǎn)生的廢棄淤泥。東湖曾作為自然排污區(qū)使用多年，城鎮(zhèn)工業(yè)三廢的排放使得東湖已形成一定厚度且分布較廣的湖底淤泥污染層。底泥中的污染物主要是重金屬、氮磷為主的營養(yǎng)物質(zhì)和難降解的有機(jī)物，組成成分復(fù)雜，若后期處置不當(dāng)極易引起二次污染，嚴(yán)重者可能對生態(tài)環(huán)境造成難以恢復(fù)的破壞。淤泥中大多含有毒性較大的重金屬元素，因此直接堆放與填埋不僅會導(dǎo)致土地資源更加貧瘠，也會污染地下水，破壞環(huán)境。

通過之前的分析研究發(fā)現(xiàn)，淤泥樣品內(nèi)富含水的硅鋁酸鹽，并具有大量的有機(jī)質(zhì)，而且Fe的氧化產(chǎn)物含量較為豐富。利用這些特點，通過科學(xué)合理的燒成制度，制備出輕質(zhì)高強陶粒是淤泥處理的重要技術(shù)思路。

優(yōu)質(zhì)的輕集料對目前的建筑材料發(fā)展有著舉足輕重的作用，輕質(zhì)高強、保溫隔熱、耐火抗震、經(jīng)久耐用等優(yōu)良特性是目前材料發(fā)展的目標(biāo)。尤其是優(yōu)質(zhì)輕集料應(yīng)用于混凝土中，在保證使用性能的前提下，大大減輕了其質(zhì)量，節(jié)約了成本。

本文以武漢市東湖通道工程疏浚產(chǎn)生的淤泥為主要原材料，以粉煤灰為校正原料，根據(jù)陶粒焙燒過程中的膨脹機(jī)理，設(shè)計了不同燒成制度，以期以較低溫度預(yù)燒獲得優(yōu)質(zhì)的高強陶粒。

1　實驗

1.1原材料及其配合比設(shè)計

淤泥：武漢東湖清淤疏浚所得的湖泊淤泥，含水率66.4%，其化學(xué)成分見表1。

粉煤灰：陽邏電廠產(chǎn)Ⅰ級粉煤灰，其化學(xué)成分見表1。

表1　淤泥與粉煤灰的化學(xué)成分　%

根據(jù)研究［1-2］，原料中難熔成分硅、鋁氧化物之和與助熔成分RO、R2O總和的比值在3.5～10.0時，生產(chǎn)的陶粒較佳?？刂圃铣煞郑篠iO2為55%～65%；Al2O3為18%～25%；Fe2O3+ FeO為6%～10%；CaO+MgO為3.5%～5.0%；K2O+Na2O為1.5% ～4.0%；燒失量為3%～5%，較適合燒制高強陶粒［3］。并以m（淤泥）∶m（粉煤灰）=60∶40進(jìn)行陶粒的成型和燒成試驗。

1.2實驗方法

陶粒生產(chǎn)及燒成工藝：將粒度小于5 mm的淤泥烘干，粉磨過篩，按照m（淤泥）∶m（粉煤灰）=60∶40于球磨機(jī)混料均勻，手工搓直徑不大于10 mm的料球在105℃條件下烘干2 h，存放待用。

陶粒的強度、表觀密度和吸水率按照GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗方法》進(jìn)行測試。焙燒后，用游標(biāo)卡尺測量樣品的直徑，并計算每顆輕骨料的面積，按順序在壓力計測每顆輕骨料破壞荷載Fi，計算每顆輕骨料的強度σi，并計算平均強度σ作為陶粒強度。

基于以往研究［4-5］，將預(yù)燒溫度定為400℃，焙燒溫度設(shè)定在1100～1250℃范圍內(nèi)較為合適。

2　結(jié)果與分析

2.1預(yù)燒時間對陶粒性能的影響

在預(yù)燒溫度400℃、焙燒溫度1200℃、焙燒時間15 min條件下，研究預(yù)燒時間對陶粒性能的影響，結(jié)果見表2。

表2　預(yù)燒時間對陶粒性能的影響

預(yù)燒是為了避免陶粒生料直接進(jìn)入焙燒階段時出現(xiàn)發(fā)氣量太大的問題。在此階段生料會脫出水分，使部分有機(jī)質(zhì)揮發(fā)，并有一定量的α-Fe2O3晶相形成，為焙燒階段做準(zhǔn)備。從表2可以看出，預(yù)燒時間的改變對高強陶粒的性能影響不大，預(yù)燒時間在10～20 min，隨著預(yù)燒時間延長，表觀密度降低，吸水率增大，可能是由于預(yù)燒時間10 min時發(fā)氣量太大，焙燒階段陶粒內(nèi)部發(fā)氣量太大，從表面熔融相溢出，使陶粒外殼形成氣孔，導(dǎo)致外殼不致密，強度較低。在預(yù)燒時間為15、20 min時，各項性能有所提高，陶粒的外殼熔融相與內(nèi)部發(fā)氣較為平衡，但相比之下，預(yù)燒20 min效果較優(yōu)。當(dāng)預(yù)燒時間為30 min時，表觀密度、吸水率有所提高，預(yù)燒時間長，有利于α-Fe2O3的形成，在焙燒階段發(fā)氣量增加，打破了外殼熔融相與內(nèi)部發(fā)氣量的平衡，因此，陶粒外殼開口孔增加，表面不致密，強度減小。

2.2焙燒溫度對陶粒性能的影響

在預(yù)燒溫度400℃、預(yù)燒時間20 min、焙燒時間15 min條件下，研究焙燒溫度對陶粒性能的影響，結(jié)果見表3。

表3　焙燒溫度對陶粒性能的影響

焙燒溫度在1100℃以上，陶粒進(jìn)入焙燒過程，在此階段，陶粒外殼開始熔融，內(nèi)部發(fā)氣量劇增，結(jié)果是熔融軟化的外殼包裹內(nèi)部氣體，陶粒整體體積增大，達(dá)到膨脹的目的。由表3可以看出，焙燒溫度在1100℃時，陶粒的外殼液相量與內(nèi)部發(fā)氣量形成都不足，導(dǎo)致外殼玻璃相未形成，內(nèi)部膨脹效果較差，因此陶粒未能膨脹，強度較高；隨著焙燒溫度的提高，陶粒的性質(zhì)變化迅速，表觀密度快速下降然后增大，吸水率一直下降，強度先減小后增加。因為提高了焙燒溫度，陶粒表面熔化加快，形成更多的液相量，冷卻時在陶粒表面形成了致密的玻璃層，在內(nèi)部發(fā)氣加快，促使陶粒體積變大，因此表觀密度與吸水率降低。但焙燒溫度到了1250℃，外殼產(chǎn)生了更多的液相量，并向陶粒內(nèi)部回填，內(nèi)部變得密實，且導(dǎo)致內(nèi)部氣體溢出，陶粒體積變小，因此表觀密度增大，強度提高。

2.3焙燒時間對陶粒性能的影響

在預(yù)燒溫度400℃、預(yù)燒時間20 min、焙燒溫度1200℃條件下，研究焙燒時間對陶粒性能的影響，結(jié)果見表4。

表4　焙燒時間對陶粒性能的影響

在焙燒溫度為1200℃時，陶粒外殼液相量與內(nèi)部發(fā)氣量形成速率已經(jīng)較快，原理類似于焙燒時間。由表4可以看出，隨著焙燒時間的延長，陶粒的表觀密度變化較小，吸水率一直減小，單顆粒強度增加。當(dāng)焙燒時間為5 min時，陶粒的焙燒過程不完全，外殼液相量未完全形成，內(nèi)部開始發(fā)氣，陶粒開始膨脹，因此表觀密度較低，但由于液相量不足，外殼有大量開口孔，因此吸水率大，單顆粒壓強很小。在焙燒時間為10～15 min時，陶粒的外殼液相量與內(nèi)部發(fā)氣量較為平衡，15 min的時候較優(yōu)。當(dāng)焙燒時間為20 min，陶粒表觀密度開始增大，可能是陶粒外部液相量產(chǎn)生較多，開始向陶粒內(nèi)部回填，因此表觀密度增加，單顆粒強度也提高。

2.4不同焙燒制度燒制高強陶粒的XRD、SEM分析

通過上述研究結(jié)果，焙燒溫度與焙燒時間是影響高強陶粒性能的主要因素，為驗證該結(jié)論對2.2、2.3實驗樣品進(jìn)行XRD譜圖分析，結(jié)果見圖1～圖2。

圖2　不同焙燒時間下陶粒的XRD圖譜

由圖1、圖2可見，陶粒的晶相主要包含石英與莫來石，隨著焙燒溫度的升高，莫來石的晶相衍射峰數(shù)量有所增加，已有的石英相衍射峰強度有所降低；隨著焙燒時間的延長，無論是石英晶相或莫來石晶相，數(shù)目上變化不太明顯，主要的變化是石英相的衍射峰明顯減弱，而相反莫來石晶相都略微增強。因此可以得出，高溫環(huán)境有利于莫來石晶相的形成，根據(jù)相關(guān)研究可知，莫來石的生成有助于集料強度的提高［6-8］。在設(shè)計燒成制度時，應(yīng)嚴(yán)格控制好焙燒溫度、焙燒時間，相互協(xié)調(diào)才能獲得較為理想的高強陶粒。

將粉煤灰摻量為40%、淤泥為60%、焙燒溫度1200℃、焙燒時間20 min、預(yù)燒溫度400℃、預(yù)燒時間15 min的條件下制得的陶粒進(jìn)行SEM觀察分析可知，在陶粒外層形成了一層致密的玻璃層，內(nèi)部分布許多氣孔（見圖3）。

圖3　淤泥-粉煤灰陶粒的SEM照片

從圖3（a）、（b）可以看到，陶粒外層氣孔分布小而致密，能有效阻隔水的進(jìn)入，并且一定程度上提高陶粒的強度，因此陶粒的吸水率較低，強度較為理想；從圖3（c、）（d）、（e）可以看到，陶粒內(nèi)部經(jīng)過發(fā)氣形成的氣孔分布均勻，且很少是連通的，這種封閉的氣孔進(jìn)一步增強了吸水率低的特性，大大地降低了陶粒的表觀密度?？偟膩碚f，該配比及燒成制度制備的陶粒結(jié)構(gòu)性能較為理想。

3　結(jié)論

（1）通過對燒成制度研究可以得出，在粉煤灰摻量為40%、淤泥為60%、焙燒溫度1200℃、焙燒時間15 min、預(yù)燒溫度400℃、預(yù)燒時間20 min的條件下制得表觀密度為1.182 g/cm3、吸水率為3.64%、單顆粒強度為7.92 MPa的淤泥-粉煤灰陶粒。

（2）在焙燒制度因素中，影響輕集料性能主要是焙燒溫度，其次是焙燒時間。要獲得輕質(zhì)高強低吸水率的輕集料，必須嚴(yán)格控制各因素，形成較為理想的結(jié)構(gòu)才能保障性能的優(yōu)異。

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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”國家科技支撐計劃項目（2014BAL03B01-01）

2015-11-11

朱哲，男，1992年生，湖北黃岡人，碩士研究生。地址：武漢市珞獅路122號，E-mail：zzhe@whut.edu.cn。