胡凱，張澤勇，周強新，方宇軒，李文，張煒，張穩(wěn)，樊賽飛

（1.中建三局第三建設工程有限責任公司，湖北武漢 430070；2.中建三局城市投資運營有限公司，湖北武漢 430070）

0 引 言

在城市建設工程中，尤其是大規(guī)模、深層地下空間的開發(fā)過程（各類建構筑物、管網(wǎng)等基礎開挖工程）會產(chǎn)生數(shù)量極其龐大的工程建筑渣土，其占建筑垃圾總比重70%以上，帶來的環(huán)境與安全問題也逐步凸顯[1-3]。而另一方面，工程渣土具有較好的物理與化學穩(wěn)定性，例如：土體顆粒較大、比表面積小、含薄膜水少及透水性能好[4]，并且工程渣土的氧化物組成以硅鋁質材料為主，具有制備輕質陶粒的可行性。

目前，國內利用工程渣土燒制陶粒的研究通常是在渣土中摻入粉煤灰、秸稈以及其他添加劑，改善原料的化學組成及燒脹效果，以達到制備陶粒輕質的目的。張磊等[5]以盾構渣土-粉煤灰為主要原料，在焙燒溫度為1170～1250 ℃制備了700～900 密度等級、筒壓強度為4.9～12.6 MPa 的渣土陶粒。張騰飛等[6]以工程渣土-粉煤灰-秸稈為主要原料，在焙燒溫度為1170～1180 ℃制備了900 密度等級、筒壓強度為6.5 MPa的渣土陶粒。張國良[7]以工程渣土、粉煤灰、污泥、秸稈為主要原料，在焙燒溫度為1250 ℃制備了500 密度等級、筒壓強度為2 MPa 的渣土陶粒。

在以往的工作中，工程渣土燒制陶粒的焙燒制度確定多為經(jīng)驗取值。為了提高實驗方案的設計效率，本文采用了綜合熱分析（TG-DSC）與高溫顯微鏡技術輔助確定焙燒制度。以某工程渣土為原材料，設計正交燒成實驗，研究了焙燒溫度、焙燒時間、預燒時間對陶粒表觀密度、單顆粒強度和吸水率的影響，確定了陶粒最佳燒成工藝。在此基礎上研究了不同焙燒制度下陶粒的物理性能和微觀結構。

1 實 驗

1.1 原材料

工程渣土：主要晶相為白云母（33.8%）、石英（23.8%）、鈉長石（17.4%）以及正長石（13.6%），XRD 衍射圖譜見圖1，化學成分如表1 所示。

圖1 工程渣土的XRD 圖譜

Riley[8]通過大量實驗表明，當原料中的難熔成分硅、鋁氧化物（SiO2，Al2O3）之和與助熔成分（Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等）總和的比值在3.5～10.0 時，適合燒制多孔高強陶粒。當原料成分SiO2為55%～65%、Al2O3為18%～25%、Fe2O3+FeO 為6%～10%、CaO+MgO 為3.5%～5.0%、K2O+Na2O 為1.5%～4.0%、燒失量為3%～5%時，比較適合燒制具有一定強度的陶粒[9]。因此，理論上以工程渣土直接焙燒輕質高強陶粒方案可行。

1.2 實驗方法

1.2.1 陶粒制備

將工程渣土破碎后放入105 ℃烘箱中干燥48 h，隨后經(jīng)過球磨機磨細至小于0.075 mm（200 目）的粉末試樣，隨后加入質量分數(shù)為20%～30%的水，混合攪拌，手工成型制成直徑為10～15 mm 的料球；在105 ℃條件下烘干2 h，存放待用。

1.2.2 TG-DSC 分析

使用德國耐馳公司生產(chǎn)的STA449F3 型綜合熱分析儀對原料進行TG-DSC 分析。將5.83 mg 的工程渣土試樣在參比組為空的Al2O3坩堝，測試范圍為32～1450 ℃、升溫速率為10℃/min，氮氣氛圍，記錄其質量、吸放熱隨溫度變化。

1.2.3 高溫顯微鏡分析

使用美國TA 公司生產(chǎn)的HM867 型高溫顯微鏡對原料進行熱膨脹行為分析。對工程渣土試樣在測試范圍為25～1300 ℃、升溫速率為10 ℃/min 的氬氣氛圍下的體積隨溫度的變化及特征溫度進行測試。

1.2.4 X 射線衍射分析

原料及陶粒的晶相組成采用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的為Empyrean 型X 射線衍射儀進行分析。其中，原料中加入10%剛玉后對其晶相組成進行分析，測試角度為5°～80°，掃描速度為2°/min。

1.3 實驗方案設計

由圖2 可以看出，工程渣土的質量損失基本可以分為5個階段：（1）室溫～200 ℃，該階段質量損失率約0.84%，主要是原料中自由水與吸附水的蒸發(fā)；（2）200～600 ℃，該階段質量損失率約2.65%，主要是原料中含碳有機物等可燃性物質、部分未揮發(fā)完全的吸附水、結晶水的揮發(fā)；（3）600～800 ℃，該階段主要是未完全反應的有機物充分的反應，原料質量略微降低；（4）800～1200 ℃：該階段質量損失不超過1.16%，工程渣土質量基本穩(wěn)定，說明熱失重基本完成；（5）1200 ℃以上，該階段原料重新出現(xiàn)質量損失的趨勢，這可能與氧化鐵的氧化還原反應有關。

由于吸附水、結晶水的燒失以及有機物的揮發(fā)，原料在84.8 ℃以及420.3 ℃處質量損失的速率最大。為了防止在升溫過程中氣體產(chǎn)生速率過快，導致陶粒炸裂影響后續(xù)燒成工藝，選用在420 ℃保溫進行預燒處理。DSC 曲線中1055.5 ℃處放熱速率最快，這是由于硅和鋁的氧化物開始反應生成莫來石晶體。為保證燒成陶粒具有較高強度，選擇焙燒溫度高于1055.5 ℃。

圖3 為工程渣土試樣體積隨煅燒溫度的變化曲線。

圖3 工程渣土試樣體積隨煅燒溫度變化

由圖3 可見，工程渣土的熱燒脹過程可以分為4 個階段：（1）在1000 ℃以下時，試樣體積沒有太大變化，這是由于液相沒有產(chǎn)生，即使試樣在升溫過程中存在碳酸鹽分解、結晶水和自由水的揮發(fā)，產(chǎn)生的氣體也會因為沒有液相的裹挾而直接逃逸，試樣無法膨脹；（2）在1000～1132 ℃時，試樣體積開始下降，這是因為液相開始產(chǎn)生，然而剛產(chǎn)生的液相太少，難以包裹試樣內部產(chǎn)生的氣體，液相反而會填補之前升溫過程中由于氣體逃逸產(chǎn)生的孔洞，造成試樣體積下降；（3）在1132～1200℃時，試樣燒結過程明顯，試樣內部固體顆粒相互粘結并且伴隨著晶粒的長大，陶粒內部孔隙迅速減少，其總體積迅速收縮，由于大量晶相的形成，此時陶粒開始具備一定的強度；（4）在1200 ℃以上時，試樣表面可以產(chǎn)生黏度較低、數(shù)量較多的液相，升溫過程中產(chǎn)生的氣體可以被液相包裹在試樣內部，試樣體積迅速膨脹。

根據(jù)高溫顯微鏡及DSC 實驗結果，選取陶粒焙燒溫度為1120～1300 ℃，預燒時間為5～30 min、焙燒時間10～70 min，研究這3 個因素對渣土陶粒性能的影響。

為了防止由于升溫速率過快導致陶粒在焙燒過程中由于氣體速率過快，而引起陶粒炸裂的情況，料球放入馬弗爐中于室溫下開始加熱，固定升溫速率為5 ℃/min；為了讓更多的玻璃體在冷卻過程中轉化為穩(wěn)定的晶體，采用隨爐冷卻的緩慢冷卻制度。

1.4 性能測試與表征

根據(jù)GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗方法》測試陶粒的表觀密度和吸水率。借鑒Yashima 等[10]提出的輕集料單顆粒強度測試方法測試陶粒的單顆?？箟簭姸龋?/p>

測試時取10 個尺寸接近的陶粒進行測試，取其平均值。

陶粒的礦相組成使用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的Empyrean銳影系列多功能X 射線衍射儀對試樣5°～80°進行掃描，并對試樣進行XRD 譜圖分析。使用德國Zeiss 公司生產(chǎn)的EVO10型掃描電子顯微鏡系統(tǒng)對陶粒微觀形貌進行分析。

2 結果與分析

2.1 焙燒溫度對陶粒性能的影響

焙燒溫度是影響陶粒密度、吸水率以及強度的最主要因素[11-13]。這主要是由于焙燒溫度直接決定了液相量、液相黏度以及氣體產(chǎn)生的速率與數(shù)量，最終影響氣體主動脫逸與被高溫液相被動包裹的“動態(tài)平衡”過程，這也是決定陶粒能否實現(xiàn)“輕質”最主要的過程[14]。因此，在焙燒制度中首先確定最佳焙燒溫度。在預燒溫度420 ℃，預燒時間15 min，焙燒時間20 min 條件下，研究焙燒溫度對工程渣土陶粒性能的影響，結果見表2。

由表2 可見：（1）隨著焙燒溫度的升高，陶粒的密度呈下降趨勢，而強度先提高后降低。陶粒的顏色由紅色轉變?yōu)楹谏?，這是Fe2O3逐漸轉化為FeO 所導致[15]，這說明焙燒溫度的升高促進了Fe2O3的氧化還原反應，期間O2的釋放促進了陶粒的膨脹。（2）焙燒溫度在1120～1160 ℃時，陶粒密度沒有較大變化，這是由于陶粒表面形成的液相量不足，無法包裹陶粒內部產(chǎn)生的氣體，同時在較低溫度下陶粒內部發(fā)氣量較少，未能膨脹，其結構較致密，密度較高而吸水率較低。（3）焙燒溫度在1180～1260 ℃時，試樣產(chǎn)生的液相較多，且具有合適的黏度，能一定程度上包裹住陶粒內部產(chǎn)生的氣體，而氣體又難以逃逸出陶粒表面，因此，陶粒的外殼光滑無孔，陶粒吸水率依然較低，但此時陶粒體積開始膨脹內部多孔，密度和強度開始降低。（4）當焙燒溫度達到1280 ℃時，陶粒表面出現(xiàn)貫穿孔洞，這是因為液相黏度過低，同時較高溫度下陶粒發(fā)氣速率較快，發(fā)生氣體逃逸，多孔外殼不但增加了陶粒的吸水率，也降低了陶粒強度。

表2 焙燒溫度對工程渣土陶粒性能的影響

圖4 為不同焙燒溫度時渣土陶粒的XRD 圖譜。

圖4 不同焙燒溫度時渣土陶粒的XRD 圖譜

由圖4 可見，焙燒溫度在1120～1300 ℃時，陶粒的晶相主要為石英、莫來石（3Al2O3·2SiO2）和鐵鋁氧化物（Al3Fe5O12）。隨著焙燒溫度的升高，石英晶相的衍射峰強度逐漸降低，莫來石晶相衍射峰強度逐漸升高。當焙燒溫度達1300℃時，陶粒的主要晶相轉變?yōu)槟獊硎?。而莫來石具有較高的力學強度，是高強輕骨料強度的主要來源[16-18]。這也是焙燒溫度從1120 ℃上升到1160 ℃時陶粒強度顯著提高的原因。但當焙燒溫度到達1180 ℃以上，莫來石晶相對陶粒強度的貢獻遠遠不足以抵消陶粒膨脹引起強度的下降，因此陶粒強度迅速降低。綜合考慮焙燒溫度對陶粒密度、吸水率與單顆粒強度的影響，選擇最佳焙燒溫度為1260 ℃。

2.2 焙燒時間對陶粒性能的影響

固定焙燒溫度為1260 ℃，預燒溫度為420 ℃，預燒時間15 min，焙燒時間對工程渣土陶粒性能的影響見表3。

表3 焙燒時間對工程渣土陶粒性能的影響

由表3 可見：（1）隨著焙燒時間的延長，陶粒的密度先減小后增大，吸水率整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而強度逐漸降低，當焙燒時間為50 min 時，陶粒密度達到最小值，同時吸水率達到最大值。（2）當焙燒時間在30 min 及以下時，陶粒的焙燒不夠充分，液相不夠充足，僅僅只能包裹部分氣體。隨著焙燒時間的延長，液相量增加，能包裹住的氣體數(shù)量也逐漸增加，陶粒密度以及強度降低。（3）當焙燒時間為40～50 min 時，陶粒外部液相量與內部發(fā)氣反應速率較為平衡，陶粒的燒脹效果較好，密度較低且具有一定的強度。當焙燒時間在60 min以上時，陶粒的密度開始增大，吸水率及強度有所降低。這可能是過長的焙燒時間導致液相形成過多，液相開始回填陶粒內部發(fā)氣反應留下的孔洞，以及陶粒內部發(fā)氣反應速率隨著時間的推移逐漸降低的雙重作用。而在此焙燒時間內產(chǎn)生過多的液相會導致顆粒間黏度降低，氣體膨脹力更易對流動的液相造成影響，陶粒內部微孔結構被破壞，連通孔洞逐漸轉化為大孔，從而降低陶粒的強度[19-20]。

綜上，焙燒溫度為1260 ℃、焙燒時間為50 min 時，燒制的陶粒密度最低。

圖5 為不同焙燒時間時工程渣土陶粒的XRD 圖譜。

圖5 不同焙燒時間時渣土陶粒的XRD 圖譜

由圖5 可見：（1）焙燒時間小于50 min 時，隨焙燒時間延長，石英晶相衍射峰強度逐漸降低，莫來石晶相衍射峰強度逐漸上升，Al3Fe5O12衍射峰的數(shù)量與強度基本上沒有發(fā)生較大變化。（2）焙燒時間超過50 min 時，各主要晶相的衍射峰強度與數(shù)目沒有較大變化，表明在1260 ℃的焙燒溫度下，石英晶相需要大約50 min 充分轉化為莫來石晶相，延長焙燒時間對Al3Fe5O12晶相的形成沒有較為明顯的影響。

2.3 預燒時間對陶粒性能的影響

預燒是為了避免陶粒在焙燒階段發(fā)氣速率、發(fā)氣量過大引起陶粒炸裂而設置的階段。在此階段陶粒原料中吸附水、結晶水燒失以及部分有機物揮發(fā)，并伴隨一定量的α-Fe2O3晶相形成，為焙燒階段陶粒發(fā)氣膨脹做準備[16]。在預燒溫度為420 ℃，焙燒溫度為1260 ℃，焙燒時間為50 min 條件下，研究預燒時間對工程渣土陶粒性能的影響，結果見表4。

表4 預燒時間對工程渣土陶粒性能的影響

由表4 可見，預燒時間對陶粒物理性能的影響并不大。當預燒時間在5～15 min 時，隨著預燒時間的延長，陶粒的密度以及強度略微降低，同時吸水率增大。這可能是因為較長的預燒時間有利于α-Fe2O3晶相形成，以至于在焙燒階段發(fā)氣速率較快，陶粒膨脹程度也會略高，故在預燒時間為15 min 時，陶粒密度達到最低，強度也會隨著膨脹程度的提高而降低，而吸水率則會由于更多氣體沖破陶粒外殼而增大。

當預燒時間在20 min 及以上時，陶粒的密度及吸水率均有所提高，這可能是因為較多α-Fe2O3的形成導致陶粒內部發(fā)氣速率更快，更多氣體從陶粒表面溢出，陶粒吸水率提高，與此同時，較長的預燒時間會導致焙燒階段發(fā)氣總量降低，陶粒體積膨脹降低。而在此期間，陶粒外殼氣孔增多會降低其強度。

圖6 為不同預燒時間時工程渣土陶粒的XRD 圖譜。

圖6 不同預燒時間時渣土陶粒的XRD 圖譜

由圖6 可見，預燒時間對陶粒主要晶相（莫來石、石英和鐵鋁氧化物）的形成影響并不明顯，主要晶相是在高溫燒結盟時形成的。

2.4 最佳組陶粒的SEM 分析

以上實驗可以確定本實驗中工程渣土制備陶粒最佳的煅燒制度為：420 ℃預燒15 min，1260 ℃焙燒50 min，所得的陶粒表觀密度為1.23 g/cm3，單顆?？箟簭姸葹?.6 MPa，24 h 吸水率為1.82%。圖7 為該最佳組陶粒的表面與內部結構。

圖7 最佳組陶粒的SEM 照片

由圖7（a）、7（b）、7（c）可見，陶粒內部具有較多孔洞，基本上不存在未燒結的生料，而外部則為致密的釉質層，幾乎沒有明顯孔洞，能有效阻隔水分進入陶粒內部，因此陶粒的密度及吸水率較低。由圖7（d）、7（e）可以看出，陶粒內部分布大小不同的孔洞，這些孔洞大多都是封閉孔洞，這種閉孔結構進一步降低了陶粒的吸水率與表觀密度。

3 結 論

（1）通過TG-DSC 測試與高溫顯微鏡聯(lián)用，可以輔助確定工程渣土較為合適的煅燒溫度為1120～1300 ℃、預燒溫度為420 ℃。

（2）在陶粒的焙燒制度中，對其性能影響最大的是焙燒溫度，其次是焙燒時間。這主要是由于兩者影響了陶粒中莫來石晶相的形成以及發(fā)氣反應。而預燒階段對后續(xù)晶相的形成以及陶粒的性能影響不大。

（3）工程渣土在預燒溫度為420 ℃、預燒時間為15 min、焙燒溫度為1260 ℃、焙燒時間為50 min、5 ℃/min 升溫速率、隨爐冷卻的條件下可直接煅燒制備表觀密度為1.23 g/cm3、24 h 吸水率為1.82%、單顆粒抗壓強度為5.6 MPa、具有光滑致密表面的輕質高性能陶粒。