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        城鎮(zhèn)建設(shè)棄土制備輕集料陶粒及其性能研究

        2021-08-27 07:38:06劉永川陳瑞曉
        河南建材 2021年9期
        關(guān)鍵詞:陶粒粉煤灰秸稈

        楊 戈 劉永川 陳瑞曉 羅 娜

        河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司(450002)

        0 前言

        隨著我國(guó)城市化的推進(jìn)和現(xiàn)代化的建設(shè),產(chǎn)生的建筑垃圾也在逐漸增多,并成為困擾我國(guó)發(fā)展的一大難題。目前,建筑垃圾大部分為建設(shè)棄土,存在數(shù)量龐大、成分復(fù)雜、處理困難等特點(diǎn),已成為當(dāng)今城市可持續(xù)發(fā)展中亟待解決的問題。城鎮(zhèn)建設(shè)棄土是隧道、地鐵、基坑及地下管廊等建筑工程中產(chǎn)生的廢棄土。我國(guó)每年產(chǎn)出1.19億t以上建筑棄土,但其資源化利用率不足1%[1]。建設(shè)棄土一般直接運(yùn)往郊區(qū)等偏遠(yuǎn)地方,通過(guò)露天堆放或填埋的方式處理,既占用土地資源,又存在環(huán)境污染的問題。

        用城鎮(zhèn)棄土代替部分黏土來(lái)燒制陶粒既節(jié)省黏土,又保護(hù)農(nóng)田,也起到了一定的環(huán)保作用,解決了城鎮(zhèn)棄土的處理問題,達(dá)到了廢棄物資源化的目的。陶粒是具有多孔輕質(zhì)、保溫隔熱及耐久性高等優(yōu)點(diǎn)的綠色建筑材料,具有球狀的外形,表面光滑而堅(jiān)硬,內(nèi)部呈蜂窩狀,有密度小、熱導(dǎo)率低、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。燒結(jié)法是目前最為常見的一種陶粒制備工藝,而且已經(jīng)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。燒結(jié)法主要是通過(guò)調(diào)節(jié)基體材料和輔助材料的配比,經(jīng)過(guò)研磨混勻后造粒,并在高溫下進(jìn)行物料燒結(jié),冷卻后最終得到陶粒成品。燒結(jié)過(guò)程中,隨溫度升高,原料逐漸熔融并形成具有一定黏度的固、液混合相,同時(shí)釋放出H2O、CO、CO2、SO2和SO3等氣體,氣體溢出使固、液混合相發(fā)泡膨脹,整個(gè)過(guò)程中始終存在“內(nèi)部氣體強(qiáng)烈逸出與被外部適宜黏度液相抑制”的動(dòng)態(tài)平衡[2]。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后,氣體產(chǎn)生量逐漸減少,陶粒內(nèi)部形成許多封閉、半封閉的孔隙。最終,經(jīng)冷卻后形成典型的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。燒結(jié)法制備的陶粒具有硬度高、孔隙豐富、膨脹系數(shù)大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。

        文章以建筑棄土和粉煤灰為原材料共同制備燒結(jié)陶粒,旨在確定試驗(yàn)的可行性,為城鎮(zhèn)棄土處理探索新的途徑。棄土陶粒的質(zhì)量受到原材料的組成、配合比、燒制溫度、燒制時(shí)間等多方面的影響,并且任何一個(gè)條件的改變都有可能導(dǎo)致棄土陶粒質(zhì)量發(fā)生較大的改變,所以研制出棄土陶粒的最佳材料組成、配合比、燒制溫度和燒制時(shí)間至關(guān)重要。

        因此,文章研制了不同密度等級(jí)的棄土陶粒,并探究了原材料配方和燒制工藝對(duì)棄土陶粒性能的影響規(guī)律,進(jìn)而確定不同密度等級(jí)棄土陶粒的最優(yōu)配方和工藝。在此基礎(chǔ)上研究了不同密度等級(jí)棄土陶粒的物理力學(xué)性能。

        1 棄土陶粒的制備

        1.1 原料

        建設(shè)棄土選自鄭州市軌道交通7號(hào)線站線施工及盾構(gòu)產(chǎn)生的建設(shè)棄土。建設(shè)棄土的化學(xué)成分見表1。

        表1 建設(shè)棄土的主要化學(xué)成分(%)

        粉煤灰選自偃師首陽(yáng)山電廠,化學(xué)成分見表2。材料性能滿足JC/T 409—2016《硅酸鹽建筑制品用粉煤灰》[3]技術(shù)要求。

        表2 粉煤灰的化學(xué)成分(%)

        1.2 試驗(yàn)方法

        將原料分別在105℃干燥至恒重、干法球磨、過(guò)200目篩,得到粉料。將各原料按照設(shè)定的質(zhì)量比配料,并加入15%~18%的水?dāng)嚢杈鶆颍啻晷纬芍睆?~2 cm的小球生坯。

        將生坯置于105℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥至恒重。

        將干燥后的生坯置于300℃~350℃電阻爐內(nèi),預(yù)燒30 min。預(yù)燒后的球坯轉(zhuǎn)入高溫馬弗爐內(nèi),然后以810℃/min的加熱速度升溫至試驗(yàn)要求的溫度(1 150℃~1 250℃),焙燒15 min,焙燒后的陶粒樣品自然冷卻。

        1.3 配比設(shè)計(jì)

        根據(jù)研究需要配比設(shè)計(jì)如表3所示,表中A組為基準(zhǔn)組,B組復(fù)摻10%的秸稈,C組燒結(jié)溫度與A組、B組不同。B組、C組為對(duì)照組,以研究原料、焙燒溫度和配比優(yōu)化對(duì)棄土陶粒堆積密度的影響。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 原材料配比對(duì)棄土陶粒堆積密度的影響

        根據(jù)表3和表4可知,A組和B組試樣的堆積密度隨粉煤灰摻量的增加均呈下降趨勢(shì),但B組試樣在復(fù)摻秸稈后棄土陶粒的堆積密度下降幅度要比A組試樣大,且燒制的陶粒收縮比例較大,粒徑不宜控制,可能是由于秸稈低溫條件下產(chǎn)氣較多,低溫時(shí)陶粒表面還沒能產(chǎn)生足夠的液相黏度,產(chǎn)生的氣體不能被充分包裹,導(dǎo)致大部分氣體都從陶粒中逸出所致。這也是造成B組試樣在復(fù)摻秸稈后棄土陶粒的堆積密度下降趨勢(shì)要比A組試樣大的重要原因,因此不建議復(fù)摻秸稈。

        表3 原材料試驗(yàn)配比

        2.2 焙燒溫度對(duì)棄土陶粒堆積密度的影響

        經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)焙燒溫度是燒制符合性能要求陶粒的主要因素[4]。燒制溫度過(guò)低,陶粒表面呈麻面且無(wú)釉色,因此有必要明確溫度對(duì)棄土陶粒堆積密度的影響。同一配比C組試樣的堆積密度比A組試樣明顯降低。由表4可知,同一配比下,C組試樣的堆積密度比A組試樣明顯降低,可能是隨著焙燒溫度的升高,陶粒逐步產(chǎn)生液相,同時(shí)陶粒內(nèi)部的產(chǎn)氣成分隨著焙燒時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸釋放出足夠的膨脹氣體,而此時(shí)外部的骨架成分逐漸呈現(xiàn)黏度并將內(nèi)部膨脹氣體有效包裹。當(dāng)內(nèi)部氣體大于外部骨架約束力時(shí),陶粒體積逐漸膨脹,進(jìn)而造成陶粒堆積密度降低。當(dāng)焙燒溫度1 170℃時(shí),棄土陶粒燒結(jié)非常充分,陶粒表面生成一層光滑的釉質(zhì)層,即為棄土陶粒的最佳燒成溫度。

        表4 原材料配比對(duì)棄土陶粒堆積密度的影響

        2.3 配比優(yōu)化后對(duì)棄土陶粒物理性能的影響

        D組試驗(yàn)是按最佳焙燒溫度1 170℃下進(jìn)行棄土陶粒的制備,棄土陶粒的各種物理性能變化規(guī)律見圖5。

        由表5中棄土陶粒性能按照GB/T 17431.2-2010《輕集料及其試驗(yàn)方法第2部分:輕集料試驗(yàn)方法》進(jìn)行陶粒的堆積密度、筒壓強(qiáng)度及1 h吸水率測(cè)試。在GB/T 17431.2—2010中陶粒按照堆積密度進(jìn)行劃分和規(guī)定,陶粒的堆積密度越大,其規(guī)定的吸水率越小,筒壓強(qiáng)度越高。由于筒壓強(qiáng)度是反映陶粒強(qiáng)度大小的指標(biāo),堆積密度是反映陶粒輕質(zhì)程度的指標(biāo),因此以陶粒的筒壓強(qiáng)度、堆積密度為考核指標(biāo),筒壓強(qiáng)度越大時(shí),陶粒性能越好。而堆積密度越小時(shí),陶粒性能越好。表5中按配比優(yōu)化后制備的棄土陶粒密度等級(jí)為600~900級(jí),且物理性能均能滿足符合GB/T 17431.1—2010的技術(shù)要求。

        表5 配比優(yōu)化后對(duì)棄土陶粒物理性能的影響

        3 結(jié)語(yǔ)

        在制備棄土陶粒時(shí)摻加秸稈,秸稈產(chǎn)氣量太大,制備出的棄土陶粒堆積密度下降,體積收縮比例較大,粒徑不宜控制,陶粒性能不佳,不宜摻加使用。

        原料配比、燒制工藝是影響棄土陶粒堆積密度重要因素。城鎮(zhèn)棄土與粉煤灰按一定比例試配,預(yù)熱溫度300℃~350℃,預(yù)熱時(shí)間30 min,焙燒時(shí)間15 min,焙燒溫度1 170℃時(shí),可制備出密度等級(jí)為600~900滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17431.1—2010要求的棄土陶粒。

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