郝建英，穆保林，田玉明,2

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030009)

免燒陶粒作為一種人造輕集料，主要選用固體廢棄物進(jìn)行制備，符合節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)的要求趨勢(shì)[1]，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的再生利用，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境[2]。免燒陶粒不需要高溫?zé)Y(jié)[3]，主要依靠其原料本身的性質(zhì)，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后，發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，生成的水化產(chǎn)物使各分子之間聯(lián)系起來(lái)，形成穩(wěn)定的化合物[4]。其主要優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)度較高、耐久性好、吸水率低以及堆積密度大，而且后期強(qiáng)度可持續(xù)增長(zhǎng)，陶粒的生產(chǎn)成本低，投資小，便于實(shí)施加工，工藝技術(shù)簡(jiǎn)單等[5]。免燒陶粒大多用于生產(chǎn)陶?？招钠鰤K與墻板，少量用于結(jié)構(gòu)保溫的混凝土。

羅健等[6]報(bào)道了以高鈦礦渣粉為原料，水玻璃為激發(fā)劑，鋁粉為引氣劑，添加粉煤灰或固硫灰制備免燒陶粒。馬海強(qiáng)等[7]研究了固廢陶粒支撐劑。鄒志祥等[8]選用粉煤灰為原料，氧化鈣為激發(fā)劑，二水石膏為外加劑制備了免燒陶粒。邱珊等[9]研究了秸稈灰為添加劑的粉煤灰免燒陶粒。劉芷華和高明磊等[10]利用鋼渣和粉煤灰制備了免燒陶粒。然而目前為止，有關(guān)鋼渣與礦粉復(fù)配進(jìn)行制備免燒陶粒的文獻(xiàn)鮮少報(bào)道。

鋼渣是煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣，其產(chǎn)率是鋼產(chǎn)量的8%～15%.我國(guó)的鋼渣產(chǎn)量隨著鋼鐵工業(yè)的一步步發(fā)展和進(jìn)步也在不斷地遞增[11]，現(xiàn)在大小型的鋼鐵企業(yè)都開(kāi)始重視鋼渣的再利用，主要包括冶金、建筑材料、農(nóng)業(yè)利用、工程應(yīng)用等領(lǐng)域[12]，但是利用率仍然很低，造成對(duì)資源的一種浪費(fèi)。

因此，本文以鋼渣和礦粉為原料，工業(yè)水玻璃為結(jié)合劑制粒成球，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)制備了免燒陶粒，研究了不同原料配比對(duì)免燒陶粒密度、吸水率和筒壓強(qiáng)度的影響。這不僅可以低成本制備性能良好的免燒陶粒，還可以為鋼渣的綜合利用提供一條有效途徑。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)采用的兩種主要原料鋼渣和礦粉是由太原鋼鐵集團(tuán)提供的，其主要化學(xué)組成見(jiàn)表1.成球劑為工業(yè)水玻璃，SiO2含量為24.73wt%，模數(shù)為3.33.

表1 鋼渣和礦粉的化學(xué)成分

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了確定鋼渣和礦粉配料的最佳配比，將鋼渣和礦粉按照質(zhì)量比(n=ms/mo)1∶1、1∶2、2∶1、2∶3和3∶2的比例分別進(jìn)行制樣。首先，鋼渣和礦粉按一定的質(zhì)量比進(jìn)行稱量，總質(zhì)量為2 kg，用R02愛(ài)立許強(qiáng)力混合機(jī)進(jìn)行混料2 min，加入一定量的水玻璃以使混合料成球，成好球的試樣裝入密封袋自然養(yǎng)護(hù)，待陶粒硬化后，篩選粒徑(5～15)mm的陶粒進(jìn)行性能檢測(cè)。

1.3 試樣表征

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《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)測(cè)試免燒陶粒的堆積密度、筒壓強(qiáng)度及吸水率，采用荷蘭 X’Pert PRO型XRD(Cu Kα線，λ =0.154 060 nm，步長(zhǎng)0.02°，工作電壓40 kV，工作電流30 mA，掃描角度范圍10°～80°)測(cè)試陶粒的物相組成，采用日立S-4800型掃描電鏡觀察其顯微組織結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆積密度分析

圖1是鋼渣與礦粉不同復(fù)合比例下制備的免燒陶粒的堆積密度。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，隨著鋼渣含量的增加，堆積密度出現(xiàn)了先增加后減小然后再增加的趨勢(shì)，在鋼渣含量為50wt%(n=1∶1)時(shí)，出現(xiàn)了最高峰，陶粒的堆積密度為1 214 kg/m3，而鋼渣含量33.3wt%(n=1∶2)時(shí)，其堆積密度處于最小值，為1 088 kg/m3.在鋼渣含量40 wt%(n=2:3)和60wt%(n=3∶2)時(shí)，其堆積密度基本相近，大約在1 116 kg/m3附近。陶粒的堆積密度隨著鋼渣含量的增加而增加的主要原因是，鋼渣本身作為一種質(zhì)量較大的物質(zhì)，添加在礦粉中，會(huì)使得兩者復(fù)配混合后的質(zhì)量增大，導(dǎo)致密度明顯增大，鋼渣加入的量越多，其密度會(huì)越大，再有，復(fù)配制成陶粒后經(jīng)過(guò)硬化，期間發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，添加的水玻璃使得各個(gè)分子之間距離減小，使得更緊密的連接在一起。然而鋼渣含量為60 wt%時(shí)的陶粒堆積密度下降，可能與發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的微膨脹有關(guān)。

圖1 鋼渣含量對(duì)陶粒的堆積密度的影響

2.2 吸水率分析

圖2是鋼渣與礦粉不同復(fù)合比例下制備的免燒陶粒的吸水率。從圖中可以看出隨著鋼渣含量的增加，吸水率出現(xiàn)先較小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)鋼渣含量為30 wt%時(shí)，大量的礦粉與鋼渣能夠及時(shí)的接觸，一些水化反應(yīng)發(fā)生得較為劇烈，反應(yīng)發(fā)生需要有水的參加，這時(shí)的吸水率明顯較高。隨著鋼渣含量的增加，吸水率逐漸減小。當(dāng)鋼渣含量為50 wt%時(shí)，其吸水率出現(xiàn)了最低值，為14%.這是因?yàn)殇撛牧吭谠黾?，免燒陶粒的結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，內(nèi)部的孔隙被部分填充，致使吸水率降低。鋼渣含量繼續(xù)增加為60 wt%和66.7 wt%(n=2∶1)時(shí)，其吸水率增加至16%左右保持不變。因?yàn)殇撛c礦粉的量比較接近，反應(yīng)進(jìn)行的慢，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，其中的物理化學(xué)變化已經(jīng)進(jìn)行完全了，總體成分趨于穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)也隨著變得穩(wěn)定了。

圖2 鋼渣含量對(duì)陶粒吸水率的影響

2.3 筒壓強(qiáng)度分析

圖3是免燒陶粒自然養(yǎng)護(hù)7天和28天的筒壓強(qiáng)度。由于免燒陶粒3天的筒壓強(qiáng)度比較低，測(cè)試數(shù)據(jù)不可靠，所以筒壓強(qiáng)度只體現(xiàn)了7天和28天的值。

圖3 鋼渣含量對(duì)陶粒筒壓強(qiáng)度的影響

由圖3可知，隨著養(yǎng)護(hù)期的延長(zhǎng)，制備的免燒陶粒的筒壓強(qiáng)度明顯增加，說(shuō)明自然養(yǎng)護(hù)期間會(huì)發(fā)生一些反應(yīng)變化。隨著鋼渣另外，含量的增加，筒壓強(qiáng)度總體上體現(xiàn)先緩慢上升后降低再增加的趨勢(shì)。當(dāng)鋼渣含量為40 wt%時(shí)，7天和28天筒壓強(qiáng)度都達(dá)到最大值，分別為2.2 MPa和5.7 MPa，說(shuō)明鋼渣與礦粉質(zhì)量比為2∶3時(shí)氧化物配比更合適，期間的反應(yīng)更徹底。鋼渣含量為50 wt%，其7天筒壓強(qiáng)度降低為最低值1.5 MPa，28天筒壓強(qiáng)度降低為最低值3.7 MPa.隨后隨著鋼渣含量的增加，7天筒壓強(qiáng)度略有上升，而28天筒壓強(qiáng)度明顯增加，但仍然低于鋼渣含量40 wt%的強(qiáng)度。由此見(jiàn)可，鋼渣與礦粉質(zhì)量比為40 wt%時(shí)，與水玻璃混合后能使粉體更緊密地連接在一起，發(fā)生的水化反應(yīng)也比較徹底。

2.4 微觀分析

圖4是鋼渣與礦粉不同質(zhì)量比制備的陶粒的SEM圖，(a)、(b)、(c)、(d)和(e)分別為1∶1、1∶2、2∶1、2∶3和3∶2的陶粒在養(yǎng)護(hù)28天時(shí)的SEM圖?？梢詮?a)圖中看出，水化產(chǎn)物主要以粒狀和不規(guī)則產(chǎn)物為主，明顯有大氣孔存在，而(b)圖中結(jié)構(gòu)較為致密，沒(méi)有較大的氣孔出現(xiàn)，粒狀產(chǎn)物比較均勻分布，與圖3中鋼渣與礦粉質(zhì)量比為1∶2時(shí)28天筒壓強(qiáng)度較高一致。(c)圖中明顯有較大的塊狀物出現(xiàn)，這可能與鋼渣含量較高有關(guān)，此外大氣孔比較明顯。雖然有許多較大的氣孔，但塊狀產(chǎn)物的形成彌補(bǔ)了這一缺陷，使陶粒的強(qiáng)度沒(méi)有降低，由圖3可知，此時(shí)的陶粒的筒壓強(qiáng)度保持在5.0 MPa以上。相比(c)圖，(d)圖中除了塊狀產(chǎn)物外，粒狀產(chǎn)物明顯增多，分布在塊狀產(chǎn)物的縫隙之中。相比(b)圖，(d)圖雖然有一些氣孔存在，但塊狀產(chǎn)物的增多正好相互彌補(bǔ)，所以鋼渣與礦粉質(zhì)量比為2∶3時(shí)的陶粒的性能最佳。(e)圖中出現(xiàn)了一些不規(guī)則的絮狀物，表面疏松，這可能是由于礦粉表面被反應(yīng)產(chǎn)物包裹起來(lái)阻止了進(jìn)一步的反應(yīng)。

圖4 鋼渣與礦粉不同質(zhì)量比的免燒陶粒的SEM圖

3 結(jié)論

以鋼渣和礦粉為原料，工業(yè)水玻璃為成球劑，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)制備免燒陶粒，由測(cè)試結(jié)果和分析可知，鋼渣與礦粉質(zhì)量比為2∶3時(shí)制備的免燒陶粒性能最佳，堆積密度為1 116 kg/m3、28天的筒壓強(qiáng)度為5.7 MPa、吸水率為16%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17431.2-2010要求，同時(shí)也提出了一條鋼渣和礦粉固廢再生利用的新途徑。