章泓立 吳思民 金利學(xué) 王軍良 林春綿#

(1.浙江工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江大東吳集團(tuán)建設(shè)新材料有限公司,浙江 湖州 313000)

潔凈的河道不但能使城市生態(tài)煥發(fā)生機(jī)，也是自然和人居環(huán)境的調(diào)節(jié)器，治理改善河道環(huán)境，特別是對(duì)于有害河道底泥的清除和資源化利用[1-3]是當(dāng)前亟待解決的一個(gè)重大生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。陶粒輕骨料具有隔水保氣、保溫隔熱、輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)良特性。以往的陶粒輕骨料制備原材料主要是黏土和頁(yè)巖等自然礦物[4-6]，隨著行業(yè)的發(fā)展，污泥、海泥以及生活垃圾等固體廢物也可用來(lái)制備陶粒輕骨料。FURLANI等[7]以紙?jiān)筒Ａг鼮橹饕牧?，添加赤泥、黃黏土和高嶺石3種礦物制成陶粒，制得的陶粒表觀密度約930 kg/m3；CHEN等[8]利用水庫(kù)底泥在回轉(zhuǎn)窯中燒制輕骨料陶粒，最佳燒制條件為預(yù)熱溫度500 ℃、燒制溫度1 200 ℃，該輕骨料陶粒的表觀密度約880 kg/m3；朱富杰等[9]利用白泥、黏土以及油頁(yè)巖制備出堆積密度355 kg/m3的超輕陶粒。但這些研究均存在固體廢物利用率低或陶粒實(shí)用性不高等問(wèn)題。

本研究以河道底泥、污水污泥以及廢棄建筑泥漿這些固體廢物為主要原材料來(lái)制備陶粒輕骨料，旨在為河道底泥制備陶粒輕骨料提供技術(shù)指導(dǎo)，也為河道底泥等固體廢物提供了一條可行且實(shí)用的資源化利用途徑。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

河道底泥為寧波北侖某河道清淤開(kāi)挖采集所得；廢棄建筑泥漿為臺(tái)州臨海某建筑工地鉆孔灌樁泥漿；污水污泥為杭州某污水處理廠二沉池出水污泥；黏土取自江蘇金壇。利用X射線(xiàn)熒光光譜(XRF)法測(cè)定原材料主要化學(xué)成分，利用灼燒法測(cè)定原材料有機(jī)物含量。測(cè)定結(jié)果以及燒制傳統(tǒng)陶粒輕骨料的化學(xué)成分適宜范圍[10]見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)所用原材料化學(xué)成分及適宜范圍1)Table 1 Chemical composition and fitting range of raw materials %

1.2 陶粒燒制

原材料經(jīng)(105±1) ℃烘干至恒重，研磨過(guò)100目標(biāo)準(zhǔn)篩。按質(zhì)量配比稱(chēng)重混合，加入適量純水并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中混凝土砌塊制作需要進(jìn)行造粒成型，成型生料為長(zhǎng)度20 mm、粒徑12 mm的規(guī)則圓柱。將成型生料放置于105 ℃恒溫干燥2 h，隨后置于KSKQ-6-14旋轉(zhuǎn)管式反應(yīng)爐，以10～40 ℃/min速率升溫至1 100～1 250 ℃，并保持0～50 min，然后自然降溫制得陶粒輕骨料。

1.3 性能測(cè)試

陶粒輕骨料表觀密度和吸水率按照《輕集料及其試驗(yàn)方法 第2部分：輕集料試驗(yàn)方法》(GB/T 17431.2—2010)進(jìn)行測(cè)定?？箟簭?qiáng)度測(cè)定參考文獻(xiàn)[11]，每種配方的陶粒輕骨料各取8個(gè)單顆粒進(jìn)行測(cè)定然后取平均值，抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：S為抗壓強(qiáng)度，MPa；Pc為剛斷裂時(shí)的壓力，N；X為受力前的最大直徑mm。

由抗壓強(qiáng)度和表觀密度(ρ，kg/m3)的比值，計(jì)算綜合指數(shù)N(N進(jìn)行無(wú)量綱處理)，N越大則制備的陶粒輕骨料性能越好，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

(2)

陶粒輕骨料的微觀形貌利用HitachiS-4700掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 煅燒溫度和保溫時(shí)間對(duì)陶粒輕骨料性能的影響

在煅燒階段主要有兩個(gè)因素影響陶粒性能，分別是煅燒溫度和保溫時(shí)間。分別選取煅燒溫度1 100、1 125、1 150、1 175、1 200、1 225、1 250 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其他條件控制為(河道底泥+廢棄建筑泥漿)∶污水污泥∶黏土=60∶20∶20(質(zhì)量比，下同)，保溫時(shí)間30 min，升溫速率20 ℃/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。陶粒輕骨料吸水率有隨著煅燒溫度的升高而下降的趨勢(shì)，由15.0%下降到2.9%。綜合指數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的情況，其最大值出現(xiàn)在1 175 ℃時(shí)，為868.6。最大抗壓強(qiáng)度也出現(xiàn)在1 175 ℃時(shí)，為9.37 MPa。煅燒溫度超過(guò)1 225 ℃后，吸水率驟降，表觀密度和抗壓強(qiáng)度驟增。

圖1 煅燒溫度對(duì)陶粒輕骨料性能的影響Fig.1 Influence of calcination temperature on the performance of ceramsite lightweight aggregate

陶粒煅燒過(guò)程是十分復(fù)雜的[12]。當(dāng)溫度達(dá)到1 000 ℃時(shí)，熔融液相大量產(chǎn)生，促進(jìn)原子的重新排列以及物質(zhì)傳遞過(guò)程，物質(zhì)微粒間的孔隙在此時(shí)被液相填充而迅速減少；當(dāng)溫度超過(guò)1 150 ℃時(shí)，物質(zhì)微粒接觸面產(chǎn)生塑性形變，塑性形變使得接觸面增大，增大的接觸面增強(qiáng)黏附作用，發(fā)生更嚴(yán)重的形變；當(dāng)溫度在1 175 ℃附近時(shí)，熔融液相繼續(xù)增多，封住了微粒間的孔隙，產(chǎn)生的氣體無(wú)法逸散而出并在液相界面膨脹成圓孔，此溫度下圓孔數(shù)量劇增，陶粒整體進(jìn)入膨脹階段；隨著溫度繼續(xù)升高(大于1 175 ℃)，物質(zhì)微粒接觸面擴(kuò)增到一定程度，引發(fā)陶粒燒結(jié)致密化，孔隙收縮減少，吸水率降低，表觀密度增大。

考慮到陶粒輕骨料在1 175 ℃時(shí)的表觀密度最小且抗壓強(qiáng)度和綜合指數(shù)最大，選擇1 175 ℃為最優(yōu)煅燒溫度。

分別選取保溫時(shí)間0、10、15、20、25、30、40、50 min，其他條件控制為(河道底泥+廢棄建筑泥漿)∶污水污泥∶黏土=60∶20∶20，煅燒溫度1 175 ℃，升溫速率20 ℃/min，陶粒輕骨料的性能見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，陶粒輕骨料的表觀密度以20min為分界點(diǎn)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，0～20 min由1 325 kg/m3下降至1 060 kg/m3，20～50 min由1 060 kg/m3上升至1 430 kg/m3。吸水率在10 min時(shí)出現(xiàn)驟降，之后隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢下降，10 min時(shí)的吸水率為7.7%，最小吸水率出現(xiàn)在40 min時(shí)，為3.3%。未進(jìn)行保溫的陶粒輕骨料抗壓強(qiáng)度明顯不足，僅有2.94 MPa，而進(jìn)行保溫的陶粒輕骨料抗壓強(qiáng)度則明顯提高，并于15 min達(dá)到最大值。這是因?yàn)槿廴谝合喈a(chǎn)生氣泡，彈性隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)而增大，當(dāng)液相層較薄時(shí)氣體容易向外逸散，表觀密度緩慢變大而吸水率逐漸變小，若此階段保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就會(huì)使微孔連通成大孔出現(xiàn)燒結(jié)甚至炸裂現(xiàn)象。保溫時(shí)間為15 min時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，且表觀密度處于低值，綜合指數(shù)處于高值，因此保溫時(shí)間宜選擇15 min。

圖2 保溫時(shí)間對(duì)陶粒輕骨料性能的影響Fig.2 Influence of holding time on the performance of ceramsite lightweight aggregate

2.2 升溫速率對(duì)陶粒輕骨料性能的影響

升溫速率主要影響各原材料中物質(zhì)的分解和反應(yīng)速度，這與陶?？紫逗陀再|(zhì)層的形成關(guān)系密切從而間接影響了陶粒輕骨料性能。分別選取升溫速率10、15、20、25、30、35 ℃/min，其他條件控制為(河道底泥+廢棄建筑泥漿)∶污水污泥∶黏土=60∶20∶20，煅燒溫度1 175 ℃，保溫時(shí)間15 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 升溫速率對(duì)陶粒輕骨料性能的影響Fig.3 Influence of heating rate on the performance of ceramsite lightweight aggregate

當(dāng)升溫速率從10 ℃/min增大到25 ℃/min時(shí)，陶粒輕骨料的表觀密度逐漸上升，并于25 ℃/min時(shí)達(dá)到最大值(1 130 kg/m3)。以15 ℃/min為分界線(xiàn)，吸水率在升溫速率>15 ℃/min時(shí)整體呈上升趨勢(shì)，在15 ℃/min時(shí)達(dá)到最小值，為6.3%?？箟簭?qiáng)度隨著升溫速率的升高而增大，由10 ℃/min的1.61 MPa提高到35 ℃/min的10.89 MPa。

當(dāng)升溫速率≤25 ℃/min時(shí)，陶粒輕骨料表觀密度的持續(xù)上升可能是因?yàn)槲镔|(zhì)分解或反應(yīng)產(chǎn)氣速度慢于熔融液相形成速度，氣體不足，導(dǎo)致圓孔形成受阻，而圓孔的數(shù)量直接決定了表觀密度以及吸水率。當(dāng)升溫速率繼續(xù)增大時(shí)，物質(zhì)分解反應(yīng)愈發(fā)劇烈，產(chǎn)生的氣體足以在熔融液相表面形成相當(dāng)規(guī)模的圓孔，表觀密度也就相對(duì)降低，但由于圓孔數(shù)量隨著升溫速率增加持續(xù)增長(zhǎng)，所以吸水率在15 ℃/min后總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。而抗壓強(qiáng)度之所以與升溫速率變化趨勢(shì)一致可能是由于相同條件下，越早達(dá)到相關(guān)物質(zhì)熔融溫度，形成的釉質(zhì)層則越厚，抗壓強(qiáng)度也就越大。

升溫速率為35 ℃/min時(shí)，綜合指數(shù)和抗壓強(qiáng)度均最大，且表觀密度僅為900 kg/m3左右，因此升溫速率宜定為35 ℃/min。

2.3 物料配比對(duì)陶粒輕骨料性能的影響

尋找最優(yōu)配方比例需對(duì)原材料進(jìn)行混料實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[13]。將各種原材料配比設(shè)置上下限：40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)≤河道底泥≤60%，10%≤廢棄建筑泥漿≤30%，10%≤污水污泥≤20%，10%≤黏土≤30%。為了在盡可能少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)下獲取較優(yōu)配方比例，選取增強(qiáng)型極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)[14]進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，其他制備條件分別為煅燒溫度1 175 ℃，保溫時(shí)間15 min，升溫速率35 ℃/min，不同物料配比制備的陶粒輕骨料性能測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 物料配比對(duì)陶粒輕骨料性能的影響Fig.4 Influence of raw materials proportion on the performance of ceramsite lightweight aggregate

陶粒輕骨料各方面性能指標(biāo)與原材料配比之間的關(guān)系沒(méi)有明顯規(guī)律性，但絕大數(shù)配方的表觀密度都達(dá)到輕質(zhì)要求(<900 kg/m3)。最大抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)于河道底泥∶黏土∶廢棄建筑泥漿∶污水污泥=50∶20∶10∶20時(shí)，為12.3 MPa。當(dāng)污水污泥含量占比較高時(shí)，吸水率普遍較高。

綜合分析所有性能指標(biāo)，選取較優(yōu)的物料配比為河道底泥∶黏土∶廢棄建筑泥漿∶污水污泥=47∶17∶16∶20。

2.4 陶粒輕骨料的規(guī)?；a(chǎn)

為了使河道底泥制備陶粒輕骨料這一資源化利用途徑得到推廣和應(yīng)用，同時(shí)為了證明該種工藝的可行性，課題組與湖州某陶粒生產(chǎn)企業(yè)合作，在現(xiàn)有的陶粒生產(chǎn)線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)了8 h連續(xù)規(guī)?；a(chǎn)。回轉(zhuǎn)窯規(guī)格Φ2 500 mm×45 000 mm，日產(chǎn)量在450 m3，生產(chǎn)條件參照前文實(shí)驗(yàn)研究得到的適宜工藝條件，生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)流程見(jiàn)圖5。

圖5 陶粒輕骨料規(guī)模化生產(chǎn)工藝流程示意圖Fig.5 Flow chart of ceramsite lightweight aggregate large-scale production

對(duì)適宜工藝條件生產(chǎn)的陶粒進(jìn)行了宏觀與微觀形貌分析，結(jié)果分別見(jiàn)圖6、圖7。由圖6可見(jiàn)，陶粒輕骨料釉質(zhì)層較厚，基本無(wú)裂紋，內(nèi)部形成肉眼可見(jiàn)孔洞，膨脹性能良好，形態(tài)規(guī)則完整。由圖7可見(jiàn)，陶粒輕骨料內(nèi)部孔隙大小合適且分布均勻，表面無(wú)裂紋，有適量的連通孔隙。

圖6 陶粒輕骨料的外觀形貌Fig.6 Appearance of ceramsite lightweight aggregate

圖7 陶粒輕骨料的SEM結(jié)果Fig.7 SEM results of ceramsite lightweight aggregate

良好的宏觀和微觀形貌證明了該種物料配比中硅鋁骨架成分與有機(jī)物產(chǎn)氣成分比例合適，從而有足夠的強(qiáng)度使得反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的大量氣體均勻地被分散包裹其中。此工藝條件下制備的陶粒輕骨料性能優(yōu)異。

按照GB/T 17431.2—2010對(duì)陶粒輕骨料的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2。制備的陶粒輕骨料所有指標(biāo)均滿(mǎn)足《輕集料及其試驗(yàn)方法 第1部分：輕集料》(GB/T 17431.1—2010)要求，該種河道底泥資源化利用途徑是可行的[15]。

表2 適宜工藝條件制備的陶粒輕骨料檢測(cè)報(bào)告Table 2 Test report of ceramsite lightweight aggregate with the suitable technological conditions

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)比陶粒輕集料性能，得到適宜的陶粒輕集料制備工藝條件：煅燒溫度1 175 ℃，保溫時(shí)間15 min，升溫速率35 ℃/min以及物料配比河道底泥∶黏土∶廢棄建筑泥漿∶污水污泥=47∶17∶16∶20。

(2) 在適宜工藝條件下實(shí)現(xiàn)了陶粒輕骨料的規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)品主要性能均滿(mǎn)足GB/T 17431.1—2010，表明這是一種可行且實(shí)用的河道底泥資源化利用方式。