元敬順　杜繼軍　黃洪亮　趙　飛

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北張家口市嘉強(qiáng)混凝土攪拌有限公司，河北 張家口 075000)

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不同膨脹劑在制備污泥、粉煤灰-頁(yè)巖高性能輕骨料中的作用

元敬順1杜繼軍2黃洪亮1趙飛1

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北張家口市嘉強(qiáng)混凝土攪拌有限公司，河北 張家口 075000)

研究了不同膨脹劑對(duì)污泥、粉煤灰-頁(yè)巖輕骨料性能的影響，制備了高性能輕骨料.設(shè)計(jì)配方中選擇了三種膨脹劑，比較了不同膨脹劑的作用效果，分析了導(dǎo)致輕骨料膨脹率、顆粒強(qiáng)度變化的原因.結(jié)果表明：SiC有較強(qiáng)使輕骨料在焙燒時(shí)產(chǎn)生膨脹的作用；CaCO3在研究的條件范圍內(nèi)，不能有效的使輕骨料產(chǎn)生膨脹；SiC與CaCO3復(fù)合膨脹劑可以使輕骨料在焙燒時(shí)膨脹，膨脹率可達(dá)到58.28%，添加復(fù)合膨脹劑的輕骨料膨脹率普遍低于添加SiC.當(dāng)污泥摻量為35%、粉煤灰摻量為19.5%、頁(yè)巖摻量為45.5%，添加復(fù)合膨脹劑的輕骨料在1160 ℃焙燒后，顆粒強(qiáng)度達(dá)到11.6 MPa，24 h吸水率小于1.0%，表觀密度為1 090 kg/m3，滿足輕質(zhì)高強(qiáng)低吸水高性能輕骨料的要求.

污泥；碳化硅；碳酸鈣；膨脹劑；高性能輕骨料

0　引　言

隨著經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，輕骨料在高層建筑、公路橋墩、保溫隔熱等方面已廣泛使用，但目前主要應(yīng)用于保溫和結(jié)構(gòu)保溫領(lǐng)域，實(shí)際使用于結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的還很少，究其原因一是具有高性能的輕骨料較少，二是輕骨料性能穩(wěn)定性欠佳，三是人造輕骨料是經(jīng)燒制而成，配制的輕骨料混凝土成本較高，如果在性能上沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，則其應(yīng)用必定受到限制.而利用多種巖石、礦物及廢渣、廢液作添加劑制備輕骨料，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益[1]及社會(huì)效益.利用污泥制備輕骨料最早是由S.Nakouzi[2]提出的，是以城市污水處理廠污泥為主要原料，摻加適量粘結(jié)材料和助熔材料，經(jīng)過(guò)加工成球，燒結(jié)而成的輕骨料.利用污泥燒制輕骨料，是針對(duì)某些有選擇的污泥源，向建筑材料這個(gè)廣闊領(lǐng)域去尋找出路，污泥中除含有機(jī)物外，主要為硅鋁質(zhì)無(wú)機(jī)物，與建筑材料常用的粘土原料組分相近.輕骨料、磚瓦以及陶瓷等燒土制品制坯時(shí)通常需要混合料有一定含水率和塑性，可直接加入少量脫水污泥與主材料及膨脹劑混合，在回轉(zhuǎn)窯焙燒成輕骨料.

由于單獨(dú)的頁(yè)巖、粉煤灰或是污泥都不會(huì)使輕骨料發(fā)生明顯的膨脹，因此要加入膨脹劑，但若輕骨料膨脹過(guò)大，則輕骨料達(dá)不到高強(qiáng)的技術(shù)要求，文獻(xiàn)[3]利用SiC做膨脹劑制備了輕質(zhì)高強(qiáng)的輕骨料，但膨脹劑SiC成本較高；文獻(xiàn)[4]利用CaCO3做膨脹劑制備了污泥-海泥輕骨料，然而其吸水率較高，達(dá)不到輕質(zhì)高強(qiáng)低吸水的技術(shù)要求.為了得到輕質(zhì)高強(qiáng)、低吸水的輕骨料，筆者比較了SiC、CaCO3及SiC與CaCO3復(fù)合膨脹劑對(duì)污泥、粉煤灰-頁(yè)巖輕骨料性能的影響，嘗試在輕骨料生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中引入復(fù)合膨脹劑，探索一條既經(jīng)濟(jì)又能生產(chǎn)出高性能污泥、粉煤灰-頁(yè)巖輕骨料的產(chǎn)業(yè)化途徑.

1　試驗(yàn)原料及配方設(shè)計(jì)

1.1原材料

1.1.1主材料

試驗(yàn)原料主要是粉煤灰、頁(yè)巖和污泥，其中粉煤灰采用了張家口發(fā)電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰；頁(yè)巖為河北張家口尚義縣境內(nèi)的紫色頁(yè)巖；污泥為張家口鴻澤污水處理廠處理的生活污泥，污泥的含水率在75%～80%之間，粉煤灰、頁(yè)巖、污泥化學(xué)組成見表1.粉煤灰和頁(yè)巖經(jīng)國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)方孔篩0.08 mm篩余過(guò)后細(xì)度為16%和4%.

表1　污泥、頁(yè)巖、粉煤灰的化學(xué)成分分析

1.1.2膨脹劑

(1)碳化硅

SiC含量為≥90%，外觀為黑色粉末，細(xì)度為200目，原唐山碳化硅廠產(chǎn)品.

(2)碳酸鈣

CaCO3含量≥99.0%，市售白色粉末，廠商為天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司.

1.2配比設(shè)計(jì)

表2　污泥、粉煤灰-頁(yè)巖輕骨料原料配方

設(shè)計(jì)思路：在配方中，首先考慮膨脹劑品種.選擇碳酸鈣膨脹劑是考慮到在高溫時(shí)擬有CO2氣體生成、而九零型碳化硅在高溫時(shí)與Fe2O3反應(yīng)后有CO氣體生成.復(fù)合添加劑是為了研究?jī)煞N膨脹劑復(fù)合的效果.配方編號(hào)將添加添加九零型碳化硅系列記為S系列、碳酸鈣的系列記為C系列、復(fù)合膨脹劑系列記為F系列，具體材料配方見表2.

筆者采用四種濕污泥直接與主體粉料(污泥+粉煤灰)拌合，制成生料球后經(jīng)一定溫度焙燒，制備輕骨料.設(shè)計(jì)的配方見表2.

2　輕骨料制備與性能測(cè)試

2.1輕骨料制備

(1)原料的混合.

將原料按照各配方用電子天平準(zhǔn)確稱量后在水泥凈漿攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢?，將攪拌后的混合料用濕?rùn)的毛巾蓋好，放置30 min.

(2)成球.

將放置好的混合料用制丸機(jī)成型，在自然環(huán)境下干燥，備燒.

(3)輕骨料焙燒過(guò)程.

成型的輕骨料先經(jīng)自然干燥1天，以免在入爐燒制過(guò)程中因水分過(guò)多而開裂.輕骨料經(jīng)自然干燥之后，放到1 600 ℃快速升溫節(jié)能箱式電爐SSJ-IIE中進(jìn)行燒結(jié).預(yù)熱階段的升溫范圍是0 ℃～200 ℃，控制電阻爐的升溫速率為20 ℃/min；第一升溫階段的升溫范圍是200 ℃～600 ℃，控制電阻爐的升溫速率為10 ℃/min，使?fàn)t內(nèi)溫度在40 min內(nèi)由200 ℃升高到600 ℃.第二升溫階段的升溫范圍是600 ℃～預(yù)設(shè)溫度(本實(shí)驗(yàn)為1 160 ℃和1 170 ℃)，使?fàn)t內(nèi)溫度在40 min內(nèi)由600 ℃升高到預(yù)設(shè)溫度.在預(yù)設(shè)溫度下恒溫10 min.在恒溫后自然降溫到200 ℃，從爐中取出自然降至室溫，以備后續(xù)性能測(cè)試使用.

2.2輕骨料性能測(cè)試

2.2.1輕骨料膨脹率的測(cè)定方法

膨脹率是指輕骨料燒結(jié)后，體積的增加量與輕骨料燒結(jié)前的體積之比，以百分率表示.采用人工測(cè)量的方法：將燒結(jié)好并冷卻到室溫的各組輕骨料挑選形狀較規(guī)則、大小較均勻的10個(gè)輕骨料，用游標(biāo)卡尺測(cè)出每個(gè)粒徑d 1、d 2、d 3、d 4、d 5、d 6、d 7、d 8、d 9、d 10，取其平均值作為平均粒徑D(單位cm，精確到0.001 cm)，最后公式計(jì)算膨脹率(精確到0.01%).

2.2.2輕骨料吸水率和表觀密度的測(cè)定方法

輕骨料吸水率依據(jù)GB/T17431.2-2010《輕集料及其試驗(yàn)方法 第二部分：輕集料試驗(yàn)方法》進(jìn)行了1 h和24 h吸水率和表觀密度測(cè)定.

2.2.3強(qiáng)度的測(cè)定方法

輕骨料的強(qiáng)度采用顆粒壓碎強(qiáng)度表征.本實(shí)驗(yàn)采用電動(dòng)石灰土無(wú)側(cè)限壓力試驗(yàn)儀測(cè)定輕骨料在側(cè)向不受限制的條件下所受到的軸向壓力至輕骨料破損時(shí)所受的力，以求得輕骨料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

(1)實(shí)驗(yàn)步驟

取一粒測(cè)膨脹率后已知直徑Mn2的輕骨料，將輕骨料表面與上下承壓板面擦干凈，將輕骨料安放在試驗(yàn)機(jī)的墊板上，輕骨料的中心應(yīng)與試驗(yàn)機(jī)上下承壓板中心對(duì)準(zhǔn)；調(diào)測(cè)力計(jì)百分表讀數(shù)為零點(diǎn)；開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)連續(xù)均勻地加荷，由電動(dòng)機(jī)以每分鐘12轉(zhuǎn)供驅(qū)給力部分.此時(shí)，升降板以每分鐘2 mm的速度上升；當(dāng)百分表達(dá)到峰值時(shí)，立即讀出百分表讀數(shù)R，并記錄；再次開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，使手輪反轉(zhuǎn)，升降板以每分鐘2 mm的速度下降.取剩余九粒輕骨料重復(fù)以上步驟.按公式(1)(2)計(jì)算顆粒強(qiáng)度.

(1)

(2)

式中σ——軸向壓力(KPa)；

C——測(cè)力計(jì)校正系數(shù)，取39.71；

R——百分表讀數(shù)(0.01 mm)；

As——校正后試件的斷面積(cm2)；

Mn——n號(hào)輕骨料焙燒后的平均直徑(mm).

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了研究膨脹劑對(duì)輕骨料性能的影響，筆者試驗(yàn)通過(guò)固定主材料的比例不變，外加不同膨脹劑的方案，制備了輕骨料，測(cè)試了輕骨料的性能，性能測(cè)試結(jié)果見表3.

表3　不同膨脹劑制備的輕骨料的性能

3.1膨脹劑對(duì)輕骨料膨脹率及表觀密度的影響

將表3的數(shù)值縱向進(jìn)行比較可知，含有SiC膨脹劑均能使輕骨料產(chǎn)生膨脹.SiC作為膨脹劑的輕骨料膨脹率大于復(fù)合膨脹劑的輕骨料膨脹率，CaCO3作為膨脹劑的輕骨料(C系列)不能產(chǎn)生膨脹.含有SiC作為膨脹劑，可以使輕骨料產(chǎn)生膨脹，而CaCO3作為膨脹劑不但不能使輕骨料產(chǎn)生膨脹，反而因燒結(jié)和污泥燒失的雙重作用，使輕骨料更加致密化，輕骨料有所收縮.

各系列順序號(hào)之間的差別主要是因?yàn)榛瘜W(xué)成分不同，由表4可見，膨脹率S系列與F系列中編號(hào)3中SiO2和Al2O3含量較低，助熔成分較高，這種比例在高溫下液相易生成，且液相粘度低，此時(shí)釋放的氣體使輕骨料形成膨脹，因此編號(hào)為3的輕骨料，膨脹率普遍較高.順序?yàn)?中SiO2和Al2O3含量最低，助熔成分含量同順序3，但膨脹率普遍較小，這主要與Fe2O3含量有關(guān)，由文獻(xiàn)[5]可知在高溫時(shí)與Fe2O3反應(yīng)后有CO氣體生成，編號(hào)4的Fe2O3含量最低，高溫反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的發(fā)氣量不足，因此膨脹率較低.順序1、2的膨脹率較順序3低的原因與SiO2和Al2O3含量較高有關(guān)；而順序2的膨脹率低于1的原因也與Fe2O3含量低于1，發(fā)氣量較少有關(guān).

輕骨料的顆粒表觀密度變化隨膨脹率的變化而變化，膨脹率大時(shí)，顆粒表觀密度小.添加SiC膨脹劑的輕骨料(S系列)整體值小于復(fù)合膨脹劑(F系列)的.CaCO3作為膨脹劑的輕骨料表觀密度大，達(dá)不到輕質(zhì)的要求.

表4　不同順序號(hào)主體材料化學(xué)成分

3.2膨脹劑對(duì)輕骨料吸水率的影響

由表3可知，無(wú)論添加哪種膨脹劑，輕骨料的吸水率都較小，最大僅為3.08%.經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，吸水率的大小主要受焙燒溫度的影響，隨著焙燒溫度的提高，輕骨料的玻璃體增加，表面孔隙被封住，因此吸水率減小.摻入復(fù)合膨脹劑的有膨脹的輕骨料吸水率小于1%，且普遍小于摻入SiC的.

3.3膨脹劑對(duì)輕骨料顆粒強(qiáng)度的影響

將表3的數(shù)值縱向進(jìn)行比較可知，SiC作為膨脹劑的輕骨料強(qiáng)度小于復(fù)合膨脹劑的輕骨料強(qiáng)度.CaCO3作為膨脹劑的輕骨料強(qiáng)度最大，但CaCO3作為膨脹劑不能使輕骨料產(chǎn)生膨脹，沒(méi)有“輕質(zhì)”的特點(diǎn).輕骨料的強(qiáng)度與膨脹率的大小相關(guān)，由表3可知，膨脹率大，強(qiáng)度低.原料的化學(xué)組成決定了輕骨料的膨脹性能，也決定了輕骨料的強(qiáng)度.生產(chǎn)高強(qiáng)輕骨料的原料，要求具有較高的Al2O3，由表4知，順序?yàn)?的Al2O3含量高，但由于Fe2O3含量也高，膨脹率高，因此順序號(hào)為2強(qiáng)度高普遍比1高.焙燒溫度1 160 ℃，顆粒強(qiáng)度最高的(不考慮負(fù)膨脹)為F1，顆粒強(qiáng)度達(dá)到11.5 MPa；焙燒溫度1 170 ℃，顆粒強(qiáng)度最高的為F2，顆粒強(qiáng)度達(dá)到9.4 MP.

根據(jù)表4推算S系列和F系列的比強(qiáng)度值列于表5.由表5可知，1 160 ℃的F1輕骨料，比強(qiáng)度值最高，由表4知，對(duì)應(yīng)的24 h吸水率僅為0.61%，滿足輕質(zhì)高強(qiáng)低吸水的要求.

表5　S系列和F系列的比強(qiáng)度值(MPa/(kg/m3)

4　結(jié)　論

(1)添加復(fù)合膨脹劑膨脹劑的輕骨料的膨脹率整體值小于SiC的.研究中選擇的CaCO3不能有效的使輕骨料膨脹.

(2)膨脹率的大小不僅與SiO2和Al2O3和助熔成分的含量有關(guān)，也與Fe2O3的含量有關(guān).助熔成分較高時(shí)，在高溫下液相易生成，且液相粘度低，但Fe2O3含量低的，釋放的氣體量不足，不能使輕骨料形成膨脹.系列順序號(hào)為3的膨脹率較大.

(3)輕骨料的強(qiáng)度不僅與原料中Al2O3有關(guān)，也與膨脹率的大小相關(guān)，系列順序號(hào)1與2的Al2O3含量接近，但順序2的膨脹率較小，顆粒強(qiáng)度普遍比順序1的高.

(4)當(dāng)污泥摻量為35%、粉煤灰摻量為19.5%、頁(yè)巖摻量為45.5%，添加復(fù)合膨脹劑的輕骨料在1 160 ℃焙燒后，其顆粒強(qiáng)度達(dá)到11.6 MPa，24 h吸水率為0.61%，表觀密度為1 090 kg/m3，比強(qiáng)度為0.010 6 MPa/(kg/m3)，滿足輕質(zhì)高強(qiáng)低吸水的要求.

[1]楊時(shí)元,楊芳潔.輕骨料原料淺析(二)[J].磚瓦世界,2010,No.60(07):45～54

[2]羅暉.污水污泥頁(yè)巖建筑材料制備與性能研究[D].重慶大學(xué).2010

[3]元敬順，李鐵華，張會(huì)芳.粉煤灰對(duì)粉煤灰—污泥輕骨料性能的影響[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2016,01

[4]劉洋洋,夏霆,王世祥.城市污水廠污泥與海泥制備輕骨料的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2016,v.42(03):18～21

[5]閆振甲,何艷君.輕骨料生產(chǎn)實(shí)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:1～264

Effects of Different Swelling Agents on Sludge and Fly Ash-shale High-performance Lightweight Aggregates Preparation

YUAN Jing-shun1,DU Ji-jun2，HUANG Hong-liang1,ZHAO Fei1

(1.Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075000,China;2.Zhangjiakou Jiaqiang Concrete Mixing Co.,Ltd,Zhangjiakou 075000,China)

To investigate the effects of different swelling agents on the performance of sludge and fly ash-shale lightweight aggregates,and to prepare high-performance lightweight aggregates,in formula design,3 kinds of swelling agents were selected and their effects were compared,and causes of the changes in swelling ratio and particle strength of lightweight aggregates were analyzed.Results showed that SiC had a strong swelling effect on lightweight aggregates during calcinations;CaCO3was ineffective to produce swelling in light aggregates under the conditions of this study;SiC and CaCO3compound swelling agent could produce swelling in lightweight aggregates during calcinations,with swelling ratio reaching up to 58.28%.In addition,the swelling ratio of lightweight aggregates added with compound swelling agents was generally lower than that added with SiC.Moreover,with a sludge content of 35%,a fly-ash content of 19.5% and a shale content of 45.5%,particle strength reached 11.6 MPa,24 h water absorption rate was less than 1.0%,and apparent density was 1,090 kg/m3in the lightweight aggregates added with compound swelling agents after calcinations at 1,160 ℃,which all met the requirements of high-strength,low-water absorption and high-performance lightweight aggregates.

sludge;silicon carbide;calcium carbonate;compound swelling agent;high-performance light-weight aggregate

2015-12-20

河北省科技廳重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)14963807D；河北省建設(shè)廳建設(shè)科技研究指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2014-222

元敬順(1957-)，女，碩士，教授.主要從事建筑材料方面的研究.

TU 528．041

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