張 磊， 張鴻飛， 榮 輝,3,4， 楊久俊,3

(1.天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300384； 2.天津城建大學(xué) 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300384； 3.天津城建大學(xué) 天津市建筑垃圾與燃煤廢棄物利用技術(shù)工程中心， 天津 300384； 4.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司 高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210008)

近幾年，中國每年產(chǎn)生的建筑垃圾總量約為15.5～24.0億t，占城市垃圾總量的30%～40%.其中工程渣土占建筑垃圾的70%以上，是建筑垃圾的主要成分[1].目前，中國城市建設(shè)工程渣土的堆積量已達(dá)到100億t，并且以每年3億t的速度增長.然而，大量的工程渣土仍采用傳統(tǒng)露天堆放或填埋等方式處理，不僅占用土地資源、污染環(huán)境，而且還存在嚴(yán)重的安全隱患[2].因此，建筑工程渣土的資源化利用可緩解建筑垃圾帶來的土地占用、環(huán)境污染以及安全隱患等生態(tài)、環(huán)保和安全壓力問題.

陶粒因具有多孔、輕質(zhì)、保溫及隔聲等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究應(yīng)用[3-7].然而當(dāng)前陶粒普遍存在密度等級和強(qiáng)度較低的問題，限制了其在有高強(qiáng)要求的承重結(jié)構(gòu)中的使用[8-10].如果利用渣土制備出高強(qiáng)、高密度等級陶粒，不僅能滿足部分承重結(jié)構(gòu)的需求，而且能安全消納渣土，提高其利用率和附加值，減少土地占用和環(huán)境污染.

鑒于此，本文研制了不同粒徑(10～15mm和15～25mm)、不同密度等級(700～900)的渣土陶粒，并探究了原材料配方和燒制工藝對渣土陶粒性能的影響規(guī)律，進(jìn)而確定不同密度等級渣土陶粒的最優(yōu)配方和工藝；在此基礎(chǔ)上研究了不同密度等級渣土陶粒的宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

渣土：天津市地鐵6號線盾構(gòu)產(chǎn)生的渣土.粉煤灰：天津火電廠鍋爐燃燒的廢棄物.污泥：天津咸陽路污水處理廠壓濾過的脫水污泥.秸稈：天津薊縣農(nóng)用廢棄物.原材料的化學(xué)組成如表1所示.

表1 原材料的化學(xué)組成

1.2 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)共分為20組.其中10組以渣土-粉煤灰、渣土-粉煤灰-秸稈為主要原材料，其試驗(yàn)配方如表2所示；另外10組以渣土-污泥，渣土-污泥-秸稈為主要原材料，其試驗(yàn)配方如表3所示.需要說明的是，表中秸稈摻量10%以占(渣土+粉煤灰)或(渣土+污泥)質(zhì)量百分比計(jì).

表2 渣土-粉煤灰和渣土-粉煤灰-秸稈配方

表3 渣土-污泥和渣土-污泥-秸稈配方

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1渣土陶粒制備過程

將渣土、粉煤灰、污泥和秸稈等原材料均加工成細(xì)度小于149μm(100目)的粉末試樣.按照試驗(yàn)配方對原材料混合攪拌，并加入適量水，揉成2種粒徑(10～15mm和15～25mm)的生料球；然后將其放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，在105℃下烘干 6～8h；再將烘干好的生料球放入快速升溫箱式電爐中進(jìn)行焙燒(以8～10℃/min 的加熱速率升至 500℃，并保持20min，再以8～10℃/min的加熱速率升溫至 1150～1250℃，焙燒15min)；最后將焙燒結(jié)束后的渣土陶粒冷卻、稱量、分類保存.

1.3.2分析測試

渣土陶粒的宏觀性能(堆積密度、表觀密度、筒壓強(qiáng)度、吸水率和燒失量)測試方法按GB/T 17431.2—2010《輕集料及試驗(yàn)方法 第2部分：輕集料試驗(yàn)方法》進(jìn)行.

渣土陶粒的微觀結(jié)構(gòu)采用日本電子場發(fā)射掃描電鏡(型號JSM-7800F)觀察分析.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 初步配方對渣土陶粒堆積密度的影響

根據(jù)前述試驗(yàn)配方和渣土陶粒制備方法進(jìn)行初步試驗(yàn)，對20組生料球進(jìn)行焙燒，焙燒溫度為 1150℃，渣土陶粒堆積密度變化結(jié)果如圖1所示.需要說明的是，因MS3，MS4，MS5，MS9和MS10在1 150℃下燒熔，無法測量其堆積密度，故圖1中沒有它們的數(shù)據(jù).

圖1 渣土陶粒堆積密度的初步試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Preliminary experimental results of bulk density of muck ceramsites

由圖1可知：(1)對于渣土-粉煤灰體系，渣土陶粒的堆積密度隨粉煤灰摻量的增加而逐漸降低，當(dāng)粉煤灰摻量由10%增加到50%時(shí)，陶粒的堆積密度由970kg/m3降低至859kg/m3；隨著粉煤灰摻量的增加，陶粒的密度等級降低并不明顯，只由初始的1000降低至900.這是因?yàn)榉勖夯覔搅康脑黾右环矫嫣岣吡梭w系中的產(chǎn)氣成分(有機(jī)質(zhì)(包括碳粒)、鐵及鐵的氧化物之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生了膨脹氣體CO和CO2，同時(shí)粉煤灰中硫主要以硫酸鹽和有機(jī)硫的形式存在[11]，形成了少量的SO2和O2[12])；另一方面體系中陶粒骨架成分增加，造成陶粒產(chǎn)生液相的燒結(jié)溫度升高，影響膨脹效果.正是由于上述雙重因素，使得摻入粉煤灰后的渣土陶粒密度等級降低效果不明顯.(2)對于渣土-污泥體系，渣土陶粒的堆積密度隨著污泥摻量的增加而降低，但降低幅度很小，當(dāng)污泥摻量由10%增加到20%時(shí)，渣土陶粒的堆積密度由1087kg/m3降低至 1053kg/m3，特別是當(dāng)污泥摻量提高到30%以上時(shí)出現(xiàn)了燒熔現(xiàn)象，渣土陶粒表面產(chǎn)生了大量釉層，顆粒塌陷.這是因?yàn)槲勰鄵搅吭黾语@著提高了體系中的助熔成分，有效降低了陶粒產(chǎn)生液相的燒結(jié)溫度，另外加入污泥使陶粒對溫度過于敏感，燒結(jié)區(qū)間變窄，焙燒機(jī)制不易控制.(3)在上述雙組分體系的基礎(chǔ)上，加入定量秸稈構(gòu)成三組分體系，與雙組分體系相比，隨著秸稈的加入，三組分體系渣土陶粒的堆積密度進(jìn)一步降低.這是因?yàn)榻斩捴锌扇继己彤a(chǎn)氣成分較多，在渣土陶粒燒制過程中能夠產(chǎn)生大量氣體，從而引起陶粒膨脹，堆積密度降低.由圖1還可見：(1)對于渣土-粉煤灰-秸稈體系，渣土陶粒的堆積密度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)線性變化，當(dāng)粉煤灰摻量由10%增加到50%時(shí)，渣土陶粒的堆積密度由920kg/m3降低至690kg/m3，密度等級降低明顯.這是因?yàn)榻斩挼募尤胩岣吡梭w系產(chǎn)氣量，同時(shí)可燃碳燃燒帶來的熱量使內(nèi)部氣體更易膨脹.(2)對于渣土-污泥-秸稈體系，渣土陶粒的堆積密度隨污泥摻量的增加先降后升，未呈線性變化，在渣土-污泥-秸稈質(zhì)量比為8∶2∶1時(shí)，渣土陶粒的堆積密度出現(xiàn)拐點(diǎn)，且當(dāng)污泥摻量提高到40%時(shí)，陶粒融化，無法得到成型良好的陶粒.這是因?yàn)槲勰嗪徒斩捑鶗?huì)提高體系的產(chǎn)氣成分和助熔成分，兩者過多導(dǎo)致高溫階段的液相滲進(jìn)陶粒內(nèi)部，使其燒脹效果變差.

2.2 溫度對渣土陶粒堆積密度的影響

綜合分析上述20組配方制得的渣土陶粒性能后，選用渣土-粉煤灰雙組分體系來制備渣土陶粒.

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：對于渣土-粉煤灰雙組分體系，當(dāng)m(渣土)∶m(粉煤灰)=90∶10時(shí)，燒制的陶粒表面呈深棕色，出現(xiàn)釉層；當(dāng)m(渣土)∶m(粉煤灰)=60∶40時(shí)，燒制的陶粒表面出現(xiàn)麻面且無釉色.這是因?yàn)殡S著粉煤灰摻量的增加，體系骨架成分增加，尤其是體系中氧化鋁含量增加，使陶粒產(chǎn)生液相所需的溫度升高，從而影響陶粒表面釉層的產(chǎn)生.同時(shí)，相關(guān)文獻(xiàn)[13-14]也表明焙燒溫度是影響陶粒性能的主要因素之一.因此，需要通過優(yōu)化溫度試驗(yàn)，來探究使陶粒產(chǎn)生良好膨脹效果的最佳燒結(jié)溫度.優(yōu)化溫度試驗(yàn)選擇粒徑為15～25mm的生料球，具體試驗(yàn)方案和結(jié)果如表4所示.

表4 優(yōu)化溫度試驗(yàn)方案和結(jié)果

Note：↑—— The sintering temperature is not high enough, should be raised continuously；√—— The temperature is the best sintering temperature；×—— Ceramsite is deformed at this temperature.

由表4可知：隨著粉煤灰摻量的增加，渣土陶粒的最佳焙燒溫度逐漸提高.這是因?yàn)榉勖夯业募尤胧沟皿w系中難熔骨架成分增多，同時(shí)含有的助熔成分(MgO，Na2O，K2O)相對減少所致.通過上述試驗(yàn)，可以確定5組配方(MF1～MF5)下渣土陶粒的最佳焙燒溫度.依此焙燒溫度，對上述5組配方下粒徑為10～15mm的生料球也進(jìn)行燒制，冷卻后測其堆積密度，結(jié)果如圖2所示.

圖2 最佳焙燒溫度下不同粒徑渣土陶粒的堆積密度Fig.2 Bulk density of muck ceramsite under optimum sintering temperature at different particle sizes

由圖2可以看出，在相同工藝和相同最佳焙燒溫度條件下，隨著粉煤灰摻量的增加，不論陶粒粒徑大小，渣土陶粒的堆積密度均逐漸降低，且大粒徑(15～25mm)渣土陶粒的堆積密度下降趨勢較小粒徑(10～15mm)渣土陶粒明顯，當(dāng)粉煤灰摻量由10%增加到50%時(shí)，大粒徑(15～25mm)和小粒徑(10～15mm)渣土陶粒的密度等級由1 000分別降至500和600.這是因?yàn)?，一方面顆粒與顆粒堆積過程中大顆粒產(chǎn)生的顆粒間隙較大，致使渣土陶粒堆積密度偏小；另一方面，在相同配方下，粒徑大的生料球產(chǎn)氣量更多，更易產(chǎn)生膨脹.

2.3 優(yōu)化配方對陶粒堆積密度的影響

由上述溫度優(yōu)化得出的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增大粒徑或者增加粉煤灰的摻量均可以達(dá)到降低渣土陶粒堆積密度的效果.為了獲得高強(qiáng)且輕質(zhì)的渣土陶粒，需將渣土陶粒的密度等級控制在700～900.對于粒徑10～15mm的陶粒，符合條件的粉煤灰摻量為20%～40%；對于粒徑15～25mm的陶粒，符合條件的粉煤灰摻量為20%～30%.但初始配比經(jīng)過溫度優(yōu)化后，渣土陶粒的堆積密度并未達(dá)到理想數(shù)值，如粒徑10～15mm的陶粒在配方MF3下堆積密度為710kg/m3，粒徑15～25mm的陶粒在配方MF2下堆積密度為819kg/m3，兩者均處在密度等級的邊界處.因此，需進(jìn)一步優(yōu)化配方，使陶粒膨脹效果良好、強(qiáng)度更高.

表5為在渣土-粉煤灰雙組分體系下密度等級700～900不同粒徑陶粒配方優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果.由表5可以看出，在保持溫度不變的條件下，通過適當(dāng)增加或者減少粉煤灰的摻量來調(diào)節(jié)產(chǎn)氣成分，可以實(shí)現(xiàn)渣土陶粒堆積密度的降低或者升高.由此可以確定，制備密度等級為700～900不同粒徑的渣土陶粒，渣土-粉煤灰雙組分體系的渣土最佳摻量為60%～83%，粉煤灰最佳摻量為17%～40%.

2.4 渣土陶粒的性能

2.4.1宏觀性能

對密度等級為700～900渣土陶粒的宏觀性能(筒壓強(qiáng)度、堆積密度、表觀密度、1 h吸水率和燒失量)進(jìn)行測試，具體結(jié)果如表6所示.由表6可以看出，所列性能指標(biāo)均符合GB/T 17431.2—2010相關(guān)規(guī)定，并且隨著渣土陶粒密度等級的升高，其表觀密度、筒壓強(qiáng)度、1h吸水率和燒失量均呈現(xiàn)出較為規(guī)律的變化趨勢.

表5 700～900密度等級不同粒徑渣土-粉煤灰陶粒配方優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

表6 700～900密度等級渣土陶粒宏觀性能

由表6還可知：(1)對于同一粒徑陶粒，隨著密度等級的增大，其表觀密度和筒壓強(qiáng)度呈升高趨勢，而1 h吸水率呈下降趨勢.這是因?yàn)橄啾鹊兔芏鹊燃壴撂樟?，密度等級較高的渣土陶粒內(nèi)部孔隙更小，連通孔更少，相同條件下表觀密度和筒壓強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)提高；同時(shí)，較小的孔隙、較少的連通孔使得陶粒對水分的吸收作用較弱.(2)對于同一密度等級陶粒，隨著粒徑增大，渣土陶粒的表觀密度和筒壓強(qiáng)度呈降低趨勢，而1 h吸水率呈升高趨勢，原因是粒徑

較大的陶粒內(nèi)部連通孔的比率較大，而且在堆積過程中顆粒間空隙較大，其堆積密度會(huì)隨之變小，導(dǎo)致筒壓強(qiáng)度也隨之變小；同時(shí)，粒徑較大的陶粒暴露在水中的單個(gè)比表面積較大，使其對水分的吸收作用較小粒徑陶粒強(qiáng).

2.4.2微觀性能

采用掃描電鏡觀察制備好的渣土陶粒微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖3所示.由圖3可以看出：燒制的渣土陶粒內(nèi)部疏松多孔，呈蜂窩狀，微孔居多，且絕大多數(shù)孔徑在100μm以下；氣孔多數(shù)為封閉孔，有少量的連通孔，最大孔徑(500μm左右)分布在700密度等級陶粒內(nèi)部.孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的原因是在高溫作用下原材料組分之間發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)生成氣體，隨著產(chǎn)氣量的增多和氣體在高溫下的膨脹作用形成了膨脹氣壓.若內(nèi)部膨脹氣壓較小，則氣孔存在于陶粒內(nèi)部，形成封閉孔；若內(nèi)部膨脹氣壓大于表面液相的約束力，內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹氣體未被充分包裹，則會(huì)產(chǎn)生氣體逸出通道，形成連通孔.另外，燒制的渣土陶粒均為淺棕色，表面呈現(xiàn)光滑的釉質(zhì)層，說明陶粒骨架成分和助熔成分含量在合理范圍內(nèi)，燒結(jié)過程中能形成具有足夠黏度的液相，焙燒完成后經(jīng)自然冷卻形成的玻璃體包裹在陶粒表面構(gòu)成釉質(zhì)層.

圖3 700～900密度等級不同粒徑的渣土陶粒照片F(xiàn)ig.3 Photos of 700-900 density grade of muck ceramists at different particle sizes

由圖3還可發(fā)現(xiàn)：(1)隨著密度等級的升高，渣土陶粒內(nèi)部產(chǎn)生的大孔越來越少，連通孔也逐漸減少.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是孔徑的大小和連通孔的多少與陶粒在高溫狀態(tài)時(shí)內(nèi)部氣體的膨脹力和表層液體的約束力有關(guān)，而溫度的高低會(huì)直接決定膨脹力和約束力的強(qiáng)弱.前面提到焙燒溫度是影響陶粒性能的主要因素之一，對于不同配方渣土陶粒的最佳焙燒溫度取決于其配方的組合情況.渣土基陶粒的最佳焙燒溫度由體系中難熔組分粉煤灰的摻量決定.在一定范圍內(nèi)粉煤灰摻量越多，焙燒溫度越高，越利于燒脹；煤粉灰摻量越少，焙燒溫度越低，越不利于燒脹.隨著粉煤灰摻量的增加，陶粒的最佳焙燒溫度升高，陶粒內(nèi)部產(chǎn)生的氣體在最佳焙燒溫度下向外逸出的力變大，會(huì)使氣孔變大膨脹，同時(shí)有少部分孔與周圍氣孔交叉形成連通孔.(2)密度等級相同時(shí)，陶粒內(nèi)部單位體積的氣孔數(shù)量和尺寸接近，但小粒徑陶粒內(nèi)部封閉孔的比例更大.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是同一密度等級不同粒徑陶粒的配方和焙燒溫度非常接近，在高溫階段出現(xiàn)液相時(shí)小粒徑陶粒產(chǎn)氣量較少，孔與孔之間交叉形成連通孔的概率較低，從而使其封閉孔的比例更大，孔結(jié)構(gòu)密實(shí)程度較高.

3 結(jié)論

(1)渣土陶粒的堆積密度隨粉煤灰、污泥和秸稈摻量的增加而逐漸降低.當(dāng)污泥和秸稈的摻量達(dá)到一定量時(shí)，系統(tǒng)骨架組分(SiO2+Al2O3)含量較低，很難燒制成陶粒.

(2)當(dāng)渣土摻量為60%～83%，粉煤灰摻量為17%～40%，焙燒溫度為1 170～1 250℃時(shí)，可制備出700～900密度等級且粒徑不同的渣土陶粒.

(3)對于同一粒徑渣土陶粒，隨著密度等級的降低，其筒壓強(qiáng)度逐漸降低，由900密度等級下的 12.6MPa 降低至700密度等級下的4.9MPa；渣土陶粒的筒壓強(qiáng)度、1h吸水率、燒失量等性能均符合GB/T 17431.2—2010相關(guān)規(guī)定.

(4)對于同一粒徑渣土陶粒，低密度等級的陶粒內(nèi)部孔徑比高密度等級的大；對于同一密度等級渣土陶粒，小粒徑陶粒內(nèi)部封閉孔的比例較大，孔結(jié)構(gòu)密實(shí)程度較高.