胡凱，張澤勇，周強(qiáng)新，方宇軒，李文，張煒，張穩(wěn)，樊賽飛

（1.中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北武漢 430070；2.中建三局城市投資運(yùn)營有限公司，湖北武漢 430070）

0 引 言

在城市建設(shè)工程中，尤其是大規(guī)模、深層地下空間的開發(fā)過程（各類建構(gòu)筑物、管網(wǎng)等基礎(chǔ)開挖工程）會產(chǎn)生數(shù)量極其龐大的工程建筑渣土，其占建筑垃圾總比重70%以上，帶來的環(huán)境與安全問題也逐步凸顯[1-3]。而另一方面，工程渣土具有較好的物理與化學(xué)穩(wěn)定性，例如：土體顆粒較大、比表面積小、含薄膜水少及透水性能好[4]，并且工程渣土的氧化物組成以硅鋁質(zhì)材料為主，具有制備輕質(zhì)陶粒的可行性。

目前，國內(nèi)利用工程渣土燒制陶粒的研究通常是在渣土中摻入粉煤灰、秸稈以及其他添加劑，改善原料的化學(xué)組成及燒脹效果，以達(dá)到制備陶粒輕質(zhì)的目的。張磊等[5]以盾構(gòu)渣土-粉煤灰為主要原料，在焙燒溫度為1170～1250 ℃制備了700～900 密度等級、筒壓強(qiáng)度為4.9～12.6 MPa 的渣土陶粒。張騰飛等[6]以工程渣土-粉煤灰-秸稈為主要原料，在焙燒溫度為1170～1180 ℃制備了900 密度等級、筒壓強(qiáng)度為6.5 MPa的渣土陶粒。張國良[7]以工程渣土、粉煤灰、污泥、秸稈為主要原料，在焙燒溫度為1250 ℃制備了500 密度等級、筒壓強(qiáng)度為2 MPa 的渣土陶粒。

在以往的工作中，工程渣土燒制陶粒的焙燒制度確定多為經(jīng)驗取值。為了提高實驗方案的設(shè)計效率，本文采用了綜合熱分析（TG-DSC）與高溫顯微鏡技術(shù)輔助確定焙燒制度。以某工程渣土為原材料，設(shè)計正交燒成實驗，研究了焙燒溫度、焙燒時間、預(yù)燒時間對陶粒表觀密度、單顆粒強(qiáng)度和吸水率的影響，確定了陶粒最佳燒成工藝。在此基礎(chǔ)上研究了不同焙燒制度下陶粒的物理性能和微觀結(jié)構(gòu)。

1 實 驗

1.1 原材料

工程渣土：主要晶相為白云母（33.8%）、石英（23.8%）、鈉長石（17.4%）以及正長石（13.6%），XRD 衍射圖譜見圖1，化學(xué)成分如表1 所示。

圖1 工程渣土的XRD 圖譜

Riley[8]通過大量實驗表明，當(dāng)原料中的難熔成分硅、鋁氧化物（SiO2，Al2O3）之和與助熔成分（Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等）總和的比值在3.5～10.0 時，適合燒制多孔高強(qiáng)陶粒。當(dāng)原料成分SiO2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%時，比較適合燒制具有一定強(qiáng)度的陶粒[9]。因此，理論上以工程渣土直接焙燒輕質(zhì)高強(qiáng)陶粒方案可行。

1.2 實驗方法

1.2.1 陶粒制備

將工程渣土破碎后放入105 ℃烘箱中干燥48 h，隨后經(jīng)過球磨機(jī)磨細(xì)至小于0.075 mm（200 目）的粉末試樣，隨后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%的水，混合攪拌，手工成型制成直徑為10～15 mm 的料球；在105 ℃條件下烘干2 h，存放待用。

1.2.2 TG-DSC 分析

使用德國耐馳公司生產(chǎn)的STA449F3 型綜合熱分析儀對原料進(jìn)行TG-DSC 分析。將5.83 mg 的工程渣土試樣在參比組為空的Al2O3坩堝，測試范圍為32～1450 ℃、升溫速率為10℃/min，氮?dú)夥諊?，記錄其質(zhì)量、吸放熱隨溫度變化。

1.2.3 高溫顯微鏡分析

使用美國TA 公司生產(chǎn)的HM867 型高溫顯微鏡對原料進(jìn)行熱膨脹行為分析。對工程渣土試樣在測試范圍為25～1300 ℃、升溫速率為10 ℃/min 的氬氣氛圍下的體積隨溫度的變化及特征溫度進(jìn)行測試。

1.2.4 X 射線衍射分析

原料及陶粒的晶相組成采用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的為Empyrean 型X 射線衍射儀進(jìn)行分析。其中，原料中加入10%剛玉后對其晶相組成進(jìn)行分析，測試角度為5°～80°，掃描速度為2°/min。

1.3 實驗方案設(shè)計

由圖2 可以看出，工程渣土的質(zhì)量損失基本可以分為5個階段：（1）室溫～200 ℃，該階段質(zhì)量損失率約0.84%，主要是原料中自由水與吸附水的蒸發(fā)；（2）200～600 ℃，該階段質(zhì)量損失率約2.65%，主要是原料中含碳有機(jī)物等可燃性物質(zhì)、部分未揮發(fā)完全的吸附水、結(jié)晶水的揮發(fā)；（3）600～800 ℃，該階段主要是未完全反應(yīng)的有機(jī)物充分的反應(yīng)，原料質(zhì)量略微降低；（4）800～1200 ℃：該階段質(zhì)量損失不超過1.16%，工程渣土質(zhì)量基本穩(wěn)定，說明熱失重基本完成；（5）1200 ℃以上，該階段原料重新出現(xiàn)質(zhì)量損失的趨勢，這可能與氧化鐵的氧化還原反應(yīng)有關(guān)。

由于吸附水、結(jié)晶水的燒失以及有機(jī)物的揮發(fā)，原料在84.8 ℃以及420.3 ℃處質(zhì)量損失的速率最大。為了防止在升溫過程中氣體產(chǎn)生速率過快，導(dǎo)致陶粒炸裂影響后續(xù)燒成工藝，選用在420 ℃保溫進(jìn)行預(yù)燒處理。DSC 曲線中1055.5 ℃處放熱速率最快，這是由于硅和鋁的氧化物開始反應(yīng)生成莫來石晶體。為保證燒成陶粒具有較高強(qiáng)度，選擇焙燒溫度高于1055.5 ℃。

圖3 為工程渣土試樣體積隨煅燒溫度的變化曲線。

圖3 工程渣土試樣體積隨煅燒溫度變化

由圖3 可見，工程渣土的熱燒脹過程可以分為4 個階段：（1）在1000 ℃以下時，試樣體積沒有太大變化，這是由于液相沒有產(chǎn)生，即使試樣在升溫過程中存在碳酸鹽分解、結(jié)晶水和自由水的揮發(fā)，產(chǎn)生的氣體也會因為沒有液相的裹挾而直接逃逸，試樣無法膨脹；（2）在1000～1132 ℃時，試樣體積開始下降，這是因為液相開始產(chǎn)生，然而剛產(chǎn)生的液相太少，難以包裹試樣內(nèi)部產(chǎn)生的氣體，液相反而會填補(bǔ)之前升溫過程中由于氣體逃逸產(chǎn)生的孔洞，造成試樣體積下降；（3）在1132～1200℃時，試樣燒結(jié)過程明顯，試樣內(nèi)部固體顆粒相互粘結(jié)并且伴隨著晶粒的長大，陶粒內(nèi)部孔隙迅速減少，其總體積迅速收縮，由于大量晶相的形成，此時陶粒開始具備一定的強(qiáng)度；（4）在1200 ℃以上時，試樣表面可以產(chǎn)生黏度較低、數(shù)量較多的液相，升溫過程中產(chǎn)生的氣體可以被液相包裹在試樣內(nèi)部，試樣體積迅速膨脹。

根據(jù)高溫顯微鏡及DSC 實驗結(jié)果，選取陶粒焙燒溫度為1120～1300 ℃，預(yù)燒時間為5～30 min、焙燒時間10～70 min，研究這3 個因素對渣土陶粒性能的影響。

為了防止由于升溫速率過快導(dǎo)致陶粒在焙燒過程中由于氣體速率過快，而引起陶粒炸裂的情況，料球放入馬弗爐中于室溫下開始加熱，固定升溫速率為5 ℃/min；為了讓更多的玻璃體在冷卻過程中轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的晶體，采用隨爐冷卻的緩慢冷卻制度。

1.4 性能測試與表征

根據(jù)GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗方法》測試陶粒的表觀密度和吸水率。借鑒Yashima 等[10]提出的輕集料單顆粒強(qiáng)度測試方法測試陶粒的單顆粒抗壓強(qiáng)度：

測試時取10 個尺寸接近的陶粒進(jìn)行測試，取其平均值。

陶粒的礦相組成使用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的Empyrean銳影系列多功能X 射線衍射儀對試樣5°～80°進(jìn)行掃描，并對試樣進(jìn)行XRD 譜圖分析。使用德國Zeiss 公司生產(chǎn)的EVO10型掃描電子顯微鏡系統(tǒng)對陶粒微觀形貌進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 焙燒溫度對陶粒性能的影響

焙燒溫度是影響陶粒密度、吸水率以及強(qiáng)度的最主要因素[11-13]。這主要是由于焙燒溫度直接決定了液相量、液相黏度以及氣體產(chǎn)生的速率與數(shù)量，最終影響氣體主動脫逸與被高溫液相被動包裹的“動態(tài)平衡”過程，這也是決定陶粒能否實現(xiàn)“輕質(zhì)”最主要的過程[14]。因此，在焙燒制度中首先確定最佳焙燒溫度。在預(yù)燒溫度420 ℃，預(yù)燒時間15 min，焙燒時間20 min 條件下，研究焙燒溫度對工程渣土陶粒性能的影響，結(jié)果見表2。

由表2 可見：（1）隨著焙燒溫度的升高，陶粒的密度呈下降趨勢，而強(qiáng)度先提高后降低。陶粒的顏色由紅色轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?，這是Fe2O3逐漸轉(zhuǎn)化為FeO 所導(dǎo)致[15]，這說明焙燒溫度的升高促進(jìn)了Fe2O3的氧化還原反應(yīng)，期間O2的釋放促進(jìn)了陶粒的膨脹。（2）焙燒溫度在1120～1160 ℃時，陶粒密度沒有較大變化，這是由于陶粒表面形成的液相量不足，無法包裹陶粒內(nèi)部產(chǎn)生的氣體，同時在較低溫度下陶粒內(nèi)部發(fā)氣量較少，未能膨脹，其結(jié)構(gòu)較致密，密度較高而吸水率較低。（3）焙燒溫度在1180～1260 ℃時，試樣產(chǎn)生的液相較多，且具有合適的黏度，能一定程度上包裹住陶粒內(nèi)部產(chǎn)生的氣體，而氣體又難以逃逸出陶粒表面，因此，陶粒的外殼光滑無孔，陶粒吸水率依然較低，但此時陶粒體積開始膨脹內(nèi)部多孔，密度和強(qiáng)度開始降低。（4）當(dāng)焙燒溫度達(dá)到1280 ℃時，陶粒表面出現(xiàn)貫穿孔洞，這是因為液相黏度過低，同時較高溫度下陶粒發(fā)氣速率較快，發(fā)生氣體逃逸，多孔外殼不但增加了陶粒的吸水率，也降低了陶粒強(qiáng)度。

表2 焙燒溫度對工程渣土陶粒性能的影響

圖4 為不同焙燒溫度時渣土陶粒的XRD 圖譜。

圖4 不同焙燒溫度時渣土陶粒的XRD 圖譜

由圖4 可見，焙燒溫度在1120～1300 ℃時，陶粒的晶相主要為石英、莫來石（3Al2O3·2SiO2）和鐵鋁氧化物（Al3Fe5O12）。隨著焙燒溫度的升高，石英晶相的衍射峰強(qiáng)度逐漸降低，莫來石晶相衍射峰強(qiáng)度逐漸升高。當(dāng)焙燒溫度達(dá)1300℃時，陶粒的主要晶相轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊硎６獊硎哂休^高的力學(xué)強(qiáng)度，是高強(qiáng)輕骨料強(qiáng)度的主要來源[16-18]。這也是焙燒溫度從1120 ℃上升到1160 ℃時陶粒強(qiáng)度顯著提高的原因。但當(dāng)焙燒溫度到達(dá)1180 ℃以上，莫來石晶相對陶粒強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以抵消陶粒膨脹引起強(qiáng)度的下降，因此陶粒強(qiáng)度迅速降低。綜合考慮焙燒溫度對陶粒密度、吸水率與單顆粒強(qiáng)度的影響，選擇最佳焙燒溫度為1260 ℃。

2.2 焙燒時間對陶粒性能的影響

固定焙燒溫度為1260 ℃，預(yù)燒溫度為420 ℃，預(yù)燒時間15 min，焙燒時間對工程渣土陶粒性能的影響見表3。

表3 焙燒時間對工程渣土陶粒性能的影響

由表3 可見：（1）隨著焙燒時間的延長，陶粒的密度先減小后增大，吸水率整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)焙燒時間為50 min 時，陶粒密度達(dá)到最小值，同時吸水率達(dá)到最大值。（2）當(dāng)焙燒時間在30 min 及以下時，陶粒的焙燒不夠充分，液相不夠充足，僅僅只能包裹部分氣體。隨著焙燒時間的延長，液相量增加，能包裹住的氣體數(shù)量也逐漸增加，陶粒密度以及強(qiáng)度降低。（3）當(dāng)焙燒時間為40～50 min 時，陶粒外部液相量與內(nèi)部發(fā)氣反應(yīng)速率較為平衡，陶粒的燒脹效果較好，密度較低且具有一定的強(qiáng)度。當(dāng)焙燒時間在60 min以上時，陶粒的密度開始增大，吸水率及強(qiáng)度有所降低。這可能是過長的焙燒時間導(dǎo)致液相形成過多，液相開始回填陶粒內(nèi)部發(fā)氣反應(yīng)留下的孔洞，以及陶粒內(nèi)部發(fā)氣反應(yīng)速率隨著時間的推移逐漸降低的雙重作用。而在此焙燒時間內(nèi)產(chǎn)生過多的液相會導(dǎo)致顆粒間黏度降低，氣體膨脹力更易對流動的液相造成影響，陶粒內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)被破壞，連通孔洞逐漸轉(zhuǎn)化為大孔，從而降低陶粒的強(qiáng)度[19-20]。

綜上，焙燒溫度為1260 ℃、焙燒時間為50 min 時，燒制的陶粒密度最低。

圖5 為不同焙燒時間時工程渣土陶粒的XRD 圖譜。

圖5 不同焙燒時間時渣土陶粒的XRD 圖譜

由圖5 可見：（1）焙燒時間小于50 min 時，隨焙燒時間延長，石英晶相衍射峰強(qiáng)度逐漸降低，莫來石晶相衍射峰強(qiáng)度逐漸上升，Al3Fe5O12衍射峰的數(shù)量與強(qiáng)度基本上沒有發(fā)生較大變化。（2）焙燒時間超過50 min 時，各主要晶相的衍射峰強(qiáng)度與數(shù)目沒有較大變化，表明在1260 ℃的焙燒溫度下，石英晶相需要大約50 min 充分轉(zhuǎn)化為莫來石晶相，延長焙燒時間對Al3Fe5O12晶相的形成沒有較為明顯的影響。

2.3 預(yù)燒時間對陶粒性能的影響

預(yù)燒是為了避免陶粒在焙燒階段發(fā)氣速率、發(fā)氣量過大引起陶粒炸裂而設(shè)置的階段。在此階段陶粒原料中吸附水、結(jié)晶水燒失以及部分有機(jī)物揮發(fā)，并伴隨一定量的α-Fe2O3晶相形成，為焙燒階段陶粒發(fā)氣膨脹做準(zhǔn)備[16]。在預(yù)燒溫度為420 ℃，焙燒溫度為1260 ℃，焙燒時間為50 min 條件下，研究預(yù)燒時間對工程渣土陶粒性能的影響，結(jié)果見表4。

表4 預(yù)燒時間對工程渣土陶粒性能的影響

由表4 可見，預(yù)燒時間對陶粒物理性能的影響并不大。當(dāng)預(yù)燒時間在5～15 min 時，隨著預(yù)燒時間的延長，陶粒的密度以及強(qiáng)度略微降低，同時吸水率增大。這可能是因為較長的預(yù)燒時間有利于α-Fe2O3晶相形成，以至于在焙燒階段發(fā)氣速率較快，陶粒膨脹程度也會略高，故在預(yù)燒時間為15 min 時，陶粒密度達(dá)到最低，強(qiáng)度也會隨著膨脹程度的提高而降低，而吸水率則會由于更多氣體沖破陶粒外殼而增大。

當(dāng)預(yù)燒時間在20 min 及以上時，陶粒的密度及吸水率均有所提高，這可能是因為較多α-Fe2O3的形成導(dǎo)致陶粒內(nèi)部發(fā)氣速率更快，更多氣體從陶粒表面溢出，陶粒吸水率提高，與此同時，較長的預(yù)燒時間會導(dǎo)致焙燒階段發(fā)氣總量降低，陶粒體積膨脹降低。而在此期間，陶粒外殼氣孔增多會降低其強(qiáng)度。

圖6 為不同預(yù)燒時間時工程渣土陶粒的XRD 圖譜。

圖6 不同預(yù)燒時間時渣土陶粒的XRD 圖譜

由圖6 可見，預(yù)燒時間對陶粒主要晶相（莫來石、石英和鐵鋁氧化物）的形成影響并不明顯，主要晶相是在高溫?zé)Y(jié)盟時形成的。

2.4 最佳組陶粒的SEM 分析

以上實驗可以確定本實驗中工程渣土制備陶粒最佳的煅燒制度為：420 ℃預(yù)燒15 min，1260 ℃焙燒50 min，所得的陶粒表觀密度為1.23 g/cm3，單顆?？箟簭?qiáng)度為5.6 MPa，24 h 吸水率為1.82%。圖7 為該最佳組陶粒的表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖7 最佳組陶粒的SEM 照片

由圖7（a）、7（b）、7（c）可見，陶粒內(nèi)部具有較多孔洞，基本上不存在未燒結(jié)的生料，而外部則為致密的釉質(zhì)層，幾乎沒有明顯孔洞，能有效阻隔水分進(jìn)入陶粒內(nèi)部，因此陶粒的密度及吸水率較低。由圖7（d）、7（e）可以看出，陶粒內(nèi)部分布大小不同的孔洞，這些孔洞大多都是封閉孔洞，這種閉孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低了陶粒的吸水率與表觀密度。

3 結(jié) 論

（1）通過TG-DSC 測試與高溫顯微鏡聯(lián)用，可以輔助確定工程渣土較為合適的煅燒溫度為1120～1300 ℃、預(yù)燒溫度為420 ℃。

（2）在陶粒的焙燒制度中，對其性能影響最大的是焙燒溫度，其次是焙燒時間。這主要是由于兩者影響了陶粒中莫來石晶相的形成以及發(fā)氣反應(yīng)。而預(yù)燒階段對后續(xù)晶相的形成以及陶粒的性能影響不大。

（3）工程渣土在預(yù)燒溫度為420 ℃、預(yù)燒時間為15 min、焙燒溫度為1260 ℃、焙燒時間為50 min、5 ℃/min 升溫速率、隨爐冷卻的條件下可直接煅燒制備表觀密度為1.23 g/cm3、24 h 吸水率為1.82%、單顆?？箟簭?qiáng)度為5.6 MPa、具有光滑致密表面的輕質(zhì)高性能陶粒。