俞彬彬，龔希武，張 艷

(浙江海洋學(xué)院 船舶與建筑工程學(xué)院，浙江 舟山 316000)

0 引言

海洋經(jīng)濟(jì)的開(kāi)發(fā)與建設(shè)帶動(dòng)了沿海地區(qū)建筑業(yè)和海洋運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展。作為國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)示范區(qū)，浙江省擁有的海岸線(xiàn)長(zhǎng)度居全國(guó)之首。除了擁有豐富的海洋能資源可用于電力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以外［1］，沿海海岸各類(lèi)碼頭、航道的水域中，儲(chǔ)積了難以計(jì)數(shù)的海底淤泥，在進(jìn)行海洋平臺(tái)、跨海大橋、航道疏浚等工程建設(shè)過(guò)程中，挖泥船采出的大量的海底淤泥被運(yùn)至遠(yuǎn)洋深水域中傾倒或堆積在海岸形成灘涂，由此造成輸運(yùn)的費(fèi)用巨大，而且浪費(fèi)了海底淤泥的潛在應(yīng)用價(jià)值。因此，如何對(duì)挖掘出的海底淤泥進(jìn)行有效合理處置和開(kāi)發(fā)利用是一個(gè)需要面對(duì)的問(wèn)題。

近年來(lái)，在建筑市場(chǎng)，輕骨料及其混凝土制品正引起廣大科技工作者的高度重視。許多學(xué)者提出了多種生產(chǎn)陶粒的工藝［2］。其中，利用海底淤泥制造建筑用陶粒，不但會(huì)減少建材制造業(yè)與農(nóng)業(yè)用地爭(zhēng)土，而且還為海底淤泥找到了合理出路，解決了海底淤泥的二次污染問(wèn)題，達(dá)到了廢棄物資源化的目的［3－6］。而且建筑隔熱、保溫、防火正引起人們的日益重視［7－9］，陶粒制品對(duì)建筑節(jié)能與安全將起到一定的促進(jìn)作用。但由于地理位置和海域的不同，海底淤泥的礦物組成和化學(xué)成份會(huì)有所差異，所以在陶粒制取工藝中的參數(shù)控制會(huì)有所不同。本文基于對(duì)舟山海域的海底淤泥的成份分析，開(kāi)展對(duì)海泥陶粒制取工藝的實(shí)驗(yàn)研究，期望本研究能對(duì)海底淤泥的應(yīng)用及建筑材料的開(kāi)發(fā)起到一定的參考作用。

1 海泥化學(xué)成份及粒度分析

陶粒生產(chǎn)的原料主要來(lái)自于粉煤灰、垃圾、粘土、海河底泥等等。但為了達(dá)到陶粒的基本物理、力學(xué)的常規(guī)要求，陶粒的原料要具備兩個(gè)條件才能產(chǎn)生膨脹:一是有一定的化學(xué)組成，并有一定數(shù)量的對(duì)SiO2和Al2O3起助熔作用的熔劑，使物料在高溫下產(chǎn)生足夠粘稠的熔融物，以便能夠包住氣體。二是含有能在物料達(dá)到熔融溫度時(shí)分解放出氣體的物質(zhì)，或是與其它物質(zhì)反應(yīng)放出氣體。以上兩個(gè)條件主要決定于原料的化學(xué)成份和礦物組成［5－6，10］。

海泥是經(jīng)水運(yùn)漂流他處淤積起來(lái)的粘土，應(yīng)屬次生粘土，其礦物組成和化學(xué)成份會(huì)因不同的海域而有所差異。舟山海域海底淤泥的成份分析和粒度分析列于表1和表2。

表1 海底淤泥的成份分析(%)

表2 海底淤泥的粒度分析

可以看出:舟山海域海底淤泥的化學(xué)成份基本都處于制取陶粒的適宜范圍之內(nèi)。顆粒粒度較小，小于5 μm的顆粒含量高達(dá)60%以上。說(shuō)明其具備良好的可塑性。

2 實(shí)驗(yàn)條件

圖1 陶粒制取工藝流程

陶粒制取的工藝流程如圖1所示［11］。根據(jù)圖1，本研究采用配方1－純海泥和配方2(海泥:其他(粘土、粉煤灰、生活污泥、添加劑等)=1∶1)兩種情況進(jìn)行燒脹性能實(shí)驗(yàn)。原料經(jīng)配比、混合、均化、成球后，成型為直徑2 cm、高1 cm的圓柱，約5～6 g。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有:電子秤、分析天平、電熱鼓風(fēng)干燥箱(300℃)、箱式電阻爐(1300℃)等。為優(yōu)化海底淤泥制取陶粒的工藝研究，選擇合適的工藝操作參數(shù)，研究中主要對(duì)干燥溫度、預(yù)熱溫度、燒脹溫度、燒脹時(shí)間四個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)主要有:干燥溫度 100℃、150℃、200℃、250℃、300℃;預(yù)熱溫度 200℃、300℃、400℃、500℃;預(yù)熱時(shí)間20 min，燒脹溫度 1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃;燒脹時(shí)間5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min。將生料球放入電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中，在100～300℃的條件下干燥。干燥時(shí)間約為1 h;干燥完成后，將箱式電阻爐設(shè)置為某個(gè)預(yù)熱溫度，把生料球放入箱式電阻爐預(yù)熱，待預(yù)熱處理約20 min后再取出。再將箱式電阻爐升溫到一定的燒脹溫度，將經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理的料球快速移到箱式電阻爐內(nèi)，讓其恒溫焙燒，在規(guī)定的燒脹時(shí)間后取出，在空氣中自然冷卻，即得到所需的產(chǎn)品。對(duì)陶粒的松散容重和吸水率指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，從而判斷各參數(shù)的變化對(duì)陶粒性能的影響。

3 影響陶粒性能的因素分析

3.1 燒脹性能

采用配方1－純海泥和配方2(海泥:其他(粘土、粉煤灰、生活污泥、添加劑等)=1∶1)兩種情況進(jìn)行燒脹性能實(shí)驗(yàn)。生料球的干燥溫度為150℃。預(yù)熱溫度400℃。燒脹溫度各取1 000℃、1 050℃、1 100℃、1 150℃、1 200℃、1 250℃，燒脹時(shí)間控制15 min，分別研究不同研究條件下的原料燒脹性能。表3表示了不同實(shí)驗(yàn)條件下的燒脹系數(shù)。

表3 不同實(shí)驗(yàn)條件下的燒脹系數(shù)

可見(jiàn)，雖然純海泥具備制作超輕陶粒的化學(xué)組成，但具有適宜比例化學(xué)成份的純海泥并不一定具有燒脹性能。決定燒脹性能的因素很多，除它與物料的化學(xué)成份，礦物組成，顆粒組成有關(guān)外，還與工藝因素，粒球的致密程度等有關(guān)。為使物料具備較好的燒脹性能，只有在全面了解物料的礦物組、 ， ，的摻合料，才能達(dá)到預(yù)期的目的。而上述配方2實(shí)驗(yàn)也說(shuō)明:經(jīng)過(guò)配料調(diào)整組分，舟山海域的海泥可燒制出超輕陶粒。

3.2 生球干燥溫度

海底淤泥含有大量的水分，并且在成球過(guò)程中還需要添加一些水分，以便于淤泥成球，因此生成的生料球必須經(jīng)過(guò)干燥處理后才能進(jìn)行燒脹。否則生料球在燒脹過(guò)程中很容易開(kāi)裂。為了確定一個(gè)較佳的干燥溫度，需進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)確定。圖2表示的是分別在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃五種不同的干燥溫度下，干燥時(shí)間1 h，海底淤泥生料球的失重變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出:在最初的10～15 min，干燥溫度越高，淤泥生料球的失重越大，但在干燥20 min以后，干燥溫度較低的100℃、150℃的失重曲線(xiàn)反而更低，顯示著在這樣的干燥溫度下，生料球的失重(水分散失)更大。而且，150℃干燥溫度時(shí)，水分散失的量最大。因此，可以確定最佳的干燥溫度在150℃左右。

圖2 不同干燥時(shí)間對(duì)失重的影響

圖3 不同預(yù)熱溫度對(duì)工藝的影響

3.3 預(yù)熱溫度

生料球在燒脹之前還需要進(jìn)行預(yù)熱處理，以進(jìn)一步調(diào)整生料球的化學(xué)組成，達(dá)到最佳的燒脹效果。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:干燥溫度150℃、預(yù)熱時(shí)間20 min，燒脹溫度1 200℃、燒脹時(shí)間15 min。分別在 200℃、300℃、400℃、500℃四種預(yù)熱溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。制成陶粒成品后，對(duì)陶粒的松散容重和吸水率指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量所得的曲線(xiàn)如圖3所示。在200～400℃間的預(yù)熱溫度，經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理的陶粒產(chǎn)品的松散容重隨預(yù)熱溫度升高而顯著降低，而當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到500℃時(shí)，燒成的陶粒成品的松散容重卻比400℃預(yù)熱溫度情況下的成品的容重更大。雖然隨著預(yù)熱溫度升高，陶粒成品的吸水率不斷減小，但減小的幅度并不大，從陶粒作為輕骨料的作用來(lái)看，400℃是一個(gè)比較理想的預(yù)熱溫度。

圖4 不同燒脹溫度對(duì)工藝的影響

圖5 不同燒脹時(shí)間對(duì)工藝的影響

3.4 燒脹溫度

圖4表示了在干燥溫度 150℃、預(yù)熱時(shí)間20 min，燒脹時(shí)間15 min的情況下，燒脹溫度分別為1 000℃、1 050℃、1 100℃、1 150℃、1 200℃、1 250℃六種溫度下的陶粒成品的松散容重和吸水率的變化曲線(xiàn)?？梢钥闯?生料球的膨脹度隨著燒脹溫度的升高而增大，但是當(dāng)溫度過(guò)高(大于1 150℃)，膨脹度又開(kāi)始降低，表現(xiàn)為松散容重開(kāi)始增大。而成品的吸水率在過(guò)高燒脹溫度時(shí)，也有開(kāi)始增大的趨勢(shì)。同時(shí)，考慮到過(guò)高燒脹溫度時(shí)，爐內(nèi)可能會(huì)發(fā)生結(jié)窯現(xiàn)象。因此，海泥陶粒燒脹的適宜溫度約為1 150℃左右。

3.5 燒脹時(shí)間

圖5表示了在干燥溫度 150℃、預(yù)熱時(shí)間20 min，燒脹溫度1 200℃的情況下，燒脹時(shí)間5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min六種情況下的陶粒成品的松散容重和吸水率的變化曲線(xiàn)。隨著燒脹時(shí)間從5 min增加到15 min，陶粒的松散容重和吸水率都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。但隨著燒脹時(shí)間的進(jìn)一步增加，陶粒的松散容重和吸水率都逐漸提高?？赡艿脑蚴谴藭r(shí)液相粘度太低，陶粒內(nèi)部的孔隙率增大，導(dǎo)致吸水率增高。吸水率的增大，又可能引起陶粒強(qiáng)度的降低。因此，從產(chǎn)品的角度分析，燒脹時(shí)間控制在15 min左右為宜。

3.6 其他因素分析

(1)部分海泥中含鹽分較高，Cl－的含量較高。而在建筑生產(chǎn)過(guò)程中，Cl－對(duì)建筑中的金屬材料形成了很大的破壞，因此，必須對(duì)陶粒中的Cl－含量進(jìn)行控制。根據(jù)以往學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn):在高溫?zé)煔庵械乃魵獾淖饔孟拢琋aCl會(huì)被分解為Na2O和HCl，HCl隨水蒸氣一起被排除，Na2O與陶粒表面的黏土和黏土中的游離SiO2發(fā)生作用，在陶粒表面形成一層極薄的玻璃質(zhì)層。其反應(yīng)式為

這種玻璃質(zhì)層與陶粒形成一體，沒(méi)有界面，堅(jiān)固結(jié)實(shí)，穩(wěn)定性好，因此陶粒的吸水性較低，軟化系數(shù)較大。而HCl隨水蒸氣一起被排除使得陶粒中Cl－的含量大大減少，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)際產(chǎn)品分析測(cè)試，其中Cl－的含量?jī)H約0.01%，能夠達(dá)到建筑鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土對(duì)Cl－含量的要求。

(2)海底淤泥采集后，含水量較大。生產(chǎn)應(yīng)用中首先要降低它的含水量?？梢圆捎脵C(jī)械脫水或自然陰干的方法。含水量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后才能使用，燒制出的陶粒制品才能滿(mǎn)足要求。由于海底淤泥中可能會(huì)含有砂石、貝殼等粗顆粒物質(zhì)，在燒結(jié)過(guò)程中，這些物質(zhì)的存在容易造成球體的開(kāi)裂。所以在海底淤泥的采集中，對(duì)海泥的顆粒組成有一定的選擇性，要求顆粒越小越好，最好選擇含砂量和含粗顆粒物比較少的海底淤泥進(jìn)行陶粒的生產(chǎn)。

4 結(jié)論

(1)利用海底淤泥制取陶粒，不但為淤泥廢棄物找到了一條資源化的途徑，同時(shí)，也提供了一種新型、先進(jìn)的建筑材料;

(2)純海泥并不具有適宜的燒脹性能。可以在海泥原料中引入少量的摻合料，從而提高原料的燒脹系數(shù)，燒制出超輕的陶粒。在制取陶粒的工藝中，生料球的干燥溫度為150℃為宜。預(yù)熱溫度也應(yīng)當(dāng)控制在400℃左右。比較合理的燒脹溫度為1 150℃;

(3)海底淤泥陶粒燒脹時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致液相粘度太低，膨脹氣體逸出造成陶粒內(nèi)部孔隙率增大，孔連通程度提高，陶粒的吸水率顯著增加，強(qiáng)度明顯降低。燒脹時(shí)間控制在12～15 min，燒制出的陶粒的綜合性能較佳;

(4)在利用海底淤泥進(jìn)行陶粒生產(chǎn)的過(guò)程中，必須對(duì)海底淤泥原料的Cl－含量、含水量、含砂量及其他顆粒物質(zhì)組分進(jìn)行控制，這樣才能提高陶粒產(chǎn)品的性能，滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需求。

［1］蔡盛舟，張偉，趙朝華，等.海洋能分布式發(fā)電技術(shù)及其意義［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2010，26(10):59 －61.

［2］楊麗炫.陶粒的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用前景［J］.云南建材，1997(4):5－9.

［3］宋淑敏，陳烈芳.利用海泥生產(chǎn)陶粒［J］.粉煤灰，1999(2):18－20.

［4］遲培云，張連棟，錢(qián)強(qiáng).利用淤積海泥燒制超輕陶粒研究［J］.新型建筑材料，2002(3):28－30.

［5］嚴(yán)捍東.生活污泥改性燒制超輕陶粒的研究［J］.環(huán)境污染與防治，2005，27(1):63 －66.

［6］Tay J H，Show K Y，Hong S Y.Concrete aggregates made from sludge － marine clay mixes［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2002，9(11):392 －398.

［7］彭程，吳會(huì)軍，丁云飛.建筑保溫隔熱材料的研究及應(yīng)用進(jìn)展［J］.節(jié)能技術(shù)，2010，28(4):332 －335.

［8］李宏君，楊宗焜，楊玉楠，等.節(jié)能建筑的防火安全問(wèn)題［J］.節(jié)能技術(shù)，2011，29(3):285 －288.

［9］錢(qián)付平，于先坤，趙乃妮，等.村鎮(zhèn)住宅建筑節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［J］.節(jié)能技術(shù)，2010，28(2):154 －157.

［10］Jordán M M，Almendro －Candel M B，Romero M.Application of sewage sludge in the manufacturing of ceramic tile bodies［J］.Applied Clay Science，2005，30:219 －224.

［11］范錦忠.粘土陶粒生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)改造途徑［J］.房材與應(yīng)用，1998(1):13－16.