淤泥-粉煤灰-頁(yè)巖混合坯體的燒結(jié)性能研究

宋謀勝，楊金玉，張杰，任標(biāo)翔

（銅仁學(xué)院 物理與電子工程系，貴州 銅仁 554300）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染尤其是河道的淤泥污染也越來(lái)越嚴(yán)重[1]。河道淤泥是一種以SiO2、Al2O3為主的黏土質(zhì)材料，其中包括石英、長(zhǎng)石、高嶺石、蒙脫石等礦物，另含有少量碳酸鹽和微量硫酸鹽、磷酸鹽及有機(jī)物[2]。我國(guó)河湖眾多，河道淤泥排放量巨大，盡管一些地方已將其固化用于市政道路工程中的路基材料[3]，但目前仍以簡(jiǎn)單粗放的堆場(chǎng)法處置為主，使得淤泥的資源化利用率極有限。由于淤泥大多受到污染，發(fā)黑發(fā)臭，且含有毒性較大的重金屬元素，直接堆放或填埋不僅會(huì)占用大量土地而導(dǎo)致土地資源更加貧瘠，還會(huì)污染地表/地下水資源和空氣，產(chǎn)生二次污染。研究表明[4-5]，淤泥的組成與黏土接近，能夠取代黏土生產(chǎn)燒結(jié)磚，且在燒結(jié)時(shí)可使淤泥中的重金屬得到有效固化[6]。但淤泥的干燥收縮較大、易開(kāi)裂，可適當(dāng)添加粉煤灰、煤渣等瘠性料來(lái)降低收縮對(duì)坯體的影響。粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來(lái)的細(xì)灰，一般是燃煤電廠(chǎng)排出的主要固體廢物，它基本屬于粉土，其結(jié)晶體主要是石英、莫來(lái)石、磁鐵礦等，玻璃體包括光滑的球體形粒子。頁(yè)巖是自然界中很常見(jiàn)的一種沉積巖，成分復(fù)雜，其中混雜有石英、長(zhǎng)石的碎屑以及其他化學(xué)物質(zhì)，是由黏土或者泥沙物質(zhì)經(jīng)壓實(shí)、脫水、重結(jié)晶后形成的。利用淤泥作為替代原料來(lái)生產(chǎn)新型綠色建筑材料，如燒制陶粒、燒結(jié)磚、多孔磚，是處置淤泥的重要技術(shù)思路，這不僅解決制磚原料來(lái)源，而且實(shí)現(xiàn)了河道淤泥的資源化利用，避免了城市中淤泥的二次污染，從而帶來(lái)了全新的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[7-9]。

在粉煤灰與淤泥污染日愈嚴(yán)重的情形下，開(kāi)展對(duì)粉煤灰與淤泥的資源化利用研究具有重要的實(shí)際意義[10]。利用淤泥、粉煤灰等固體廢棄物制備綠色建材符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，為國(guó)家關(guān)于發(fā)展新型墻體材料的政策所鼓勵(lì)和支持。本文以錦江淤泥為主要原料，再摻加適當(dāng)?shù)姆勖夯摇㈨?yè)巖等物質(zhì)，設(shè)計(jì)了不同的原料配比與焙燒溫度進(jìn)行燒結(jié)，從而研究燒成體的燒結(jié)性能，旨在為銅仁錦江淤泥的資源化再利用探索新途徑。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料及主要儀器設(shè)備

淤泥：來(lái)自于銅仁市錦江河道，曬干細(xì)碎后呈灰褐色，黏土質(zhì)，含一定砂粒，密度 2.4～2.7 g/cm3，粒徑 30～50 μm，塑性指數(shù)10%～17%；粉煤灰：銅仁市大龍電廠(chǎng)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，呈灰黑色，密度 1.9～2.2 g/cm3，緊堆密度 0.97～1.22 g/cm3，顆粒呈多孔型蜂窩狀，粒徑小于15 μm；頁(yè)巖：采自川硐鎮(zhèn)郊，細(xì)碎后呈灰黃色，為粉砂質(zhì)黏土，密度2.7～3.0 g/cm3。

數(shù)顯式陶瓷吸水率測(cè)定儀：TXY型，湘潭湘儀公司；電子天平：AUY120型，日本島津公司；萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：RGM-4100型，深圳瑞格爾公司。

1.2 試樣制備

由于從錦江河中挖出的淤泥含水率高，需先將之自然曬干后使含水率降至10%以下。然后將淤泥、粉煤灰、頁(yè)巖機(jī)械破碎后放在100℃的干燥箱中恒溫烘干8 h以去除原料中的吸附水，然后對(duì)這3種烘干料進(jìn)行球磨并過(guò)180目篩分別獲得淤泥、粉煤灰、頁(yè)巖等細(xì)粉料，如此能達(dá)到除雜目的，以避免焙燒時(shí)因雜質(zhì)而致坯塊爆裂變形。將淤泥、粉煤灰、頁(yè)巖粉按表1的比例稱(chēng)量后球磨2 h混合均勻，隨后分別在25 kN和40 kN壓力下壓制成37 mm×6.5 mm×6.5 mm條狀樣品和Φ50 mm×8 mm圓餅狀樣品。所有壓坯塊分別在1100～1160℃內(nèi)每隔20℃溫度下焙燒2 h后隨爐冷卻，即得到所需要的燒成制品。為了對(duì)比，本實(shí)驗(yàn)也壓制了相同形狀的普通黏土坯體，在相同溫度下燒結(jié)成黏土燒結(jié)體。

表1 坯塊配方的組成 %

1.3 性能測(cè)試方法

根據(jù)GB/T 3810.3—2016《陶瓷磚試驗(yàn)方法》，利用阿基米德排水法原理，采用數(shù)顯式陶瓷吸水率測(cè)定儀來(lái)測(cè)量圓餅狀樣品的吸水率、顯氣孔率和體積密度。根據(jù)GB5101—2003《燒結(jié)普通磚》，采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)三點(diǎn)彎曲法測(cè)試條狀樣品的抗折強(qiáng)度，加載速度5mm/min，跨度L=28mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 樣品的燒成特征

圖1為不同配方的錦江淤泥-粉煤灰-頁(yè)巖坯體在1100～1160℃下燒成的樣品外觀(guān)形貌。

圖1 樣品在不同燒結(jié)溫度下的形貌

由圖1可見(jiàn)，所有燒成的樣品均呈棕褐色。同一樣品隨著燒結(jié)溫度的升高，顏色由棕黃色逐漸變成深褐色。在同一燒結(jié)溫度下，隨著粉煤灰、頁(yè)巖粉摻量的增加，樣品顏色越來(lái)越深。在低溫?zé)Y(jié)下，樣品顏色與普通黏土燒結(jié)磚顏色相近，表明本淤泥的成份與黏土接近。施可夫[11]也曾證實(shí)河道淤泥屬于以SiO2為主的黏土質(zhì)材料，與黏土磚成份大體一致。同時(shí)，燒結(jié)溫度越高，樣品的燒成收縮變形越明顯，尤其是在1160℃的燒成樣品收縮變形較為嚴(yán)重，而未摻加粉煤灰的L1、L4、L7樣品收縮更加嚴(yán)重，表明粉煤灰有助于抑制淤泥塊的燒結(jié)收縮與開(kāi)裂。研究表明[12]，淤泥和粉煤灰含有較多的氧化鐵，高溫?zé)Y(jié)時(shí)氧化鐵會(huì)還原產(chǎn)生氣體，內(nèi)部形成通孔，導(dǎo)致燒成體變形和變色。因此，在淤泥坯塊焙燒過(guò)程，坯塊的配方組成、焙燒制度和保溫時(shí)間對(duì)燒成品的外觀(guān)顏色和形狀尺寸尤為重要，如控制不好則燒成塊會(huì)出現(xiàn)欠火候或過(guò)火候現(xiàn)象。

圖2為不同燒成溫度下樣品燒失率的變化關(guān)系。

由圖2可以看出，樣品的燒失率隨溫度升高幾乎成線(xiàn)性增大。燒失率最小的是1100℃下的純淤泥L1配方，為9.21%。燒失率最大的是1160℃下的L7配方，為14.51%。每個(gè)配方隨溫度升高的燒失率波動(dòng)范圍不大，在1%左右，表明樣品的燒失主要發(fā)生在1100℃以前。另外，摻加了粉煤灰和頁(yè)巖樣品的燒失率明顯高于純淤泥的。尤其是摻加頁(yè)巖的樣品燒失率要明顯大于摻加粉煤灰的樣品。這是因?yàn)閬?lái)自于燃煤電廠(chǎng)的粉煤灰已經(jīng)過(guò)了一次高溫?zé)Y(jié)，不再含有吸附水、結(jié)晶水或其他有機(jī)物質(zhì)。而頁(yè)巖主要由SiO2、Al2O3和Fe2O3組成，烘干時(shí)去除了部分吸附水，在高溫下還會(huì)繼續(xù)失去吸附水、結(jié)晶水和有機(jī)物質(zhì)，甚至某些無(wú)機(jī)質(zhì)也會(huì)發(fā)生分解而揮發(fā)，于是導(dǎo)致了頁(yè)巖含量越高，樣品燒失率則越大，收縮變形也會(huì)相應(yīng)越嚴(yán)重。

圖2 不同燒結(jié)溫度下樣品的燒失率

2.2 燒結(jié)溫度對(duì)試樣基本性能的影響

吸水率、氣孔率和體積密度是燒制品的基本屬性，也是表征燒成體的品質(zhì)和燒結(jié)性能的重要參數(shù)。L1～L7樣品的吸水率、氣孔率和體積密度在不同燒結(jié)溫度下的變化見(jiàn)圖3。

圖3 不同燒結(jié)溫度下樣品的吸水率、氣孔率和密度

由圖3（a）可知，隨燒結(jié)溫度升高，樣品的吸水率快速降低，但在1140～1160℃燒結(jié)溫度內(nèi)L1～L3樣品的吸水率幾乎保持不變，而L4～L7樣品吸水率卻急速下降。吸水率最小的是1160℃燒成的純淤泥L1樣品，為0.22%，吸水率最大的是1100℃燒成的含80%淤泥+20%頁(yè)巖的L7樣品，為21.42%。

由圖3（b）可知，隨燒結(jié)溫度的升高，樣品氣孔率明顯降低，但L1～L3樣品的氣孔率在1140～1160℃燒結(jié)溫度內(nèi)改變不大，表明外加粉料的摻量超過(guò)一定范圍后將會(huì)明顯降低樣品的氣孔率。氣孔率最小的是1160℃燒結(jié)成的純淤泥L1樣品，為0.49%；氣孔率最大的是1100℃燒成的80%淤泥+20%頁(yè)巖的L7樣品，為 38.46%。由圖 3（a）、3（b）可見(jiàn)，在 1100～1140℃和1140～1160℃兩段燒結(jié)溫度內(nèi)，L1～L3和 L4～L7樣品的吸水率和氣孔率均呈現(xiàn)出了相近的變化關(guān)系。由于L1～L3樣品含有大量的淤泥、L4～L7含有較多的粉煤灰和頁(yè)巖，從而致使樣品吸水率在兩段溫度內(nèi)表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，這表明以淤泥為主的樣品，其脫水、無(wú)機(jī)質(zhì)的分解揮發(fā)基本發(fā)生在1140℃以前。

由圖3（c）可知，在1100～1140℃內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度升高，樣品的體積密度快速增大，而后在1140～1160℃樣品的體積密度則迅速減小。體積密度最小的是90%淤泥+5%粉煤灰+5%頁(yè)巖的L3樣品，為1.33 g/cm3；體積密度最大的是純淤泥L1樣品，為2.31g/cm3。各配方樣品在1140℃燒結(jié)溫度下具有最高的體積密度，其中純淤泥樣品具有最大的密度，而隨著外加粉料的增加樣品的密度則相應(yīng)降低。為了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)中也測(cè)出了對(duì)比實(shí)驗(yàn)中普通黏土燒結(jié)體在1140℃下的最高吸水率、氣孔率和體積密度，分別為12.59%、24.75%、1.97 g/cm3?？梢?jiàn)，1140℃燒結(jié)溫度下本實(shí)驗(yàn)配方樣品具有較純黏土燒結(jié)磚更低的吸水率、氣孔率和更致密的結(jié)構(gòu)。

焙燒過(guò)程是非常復(fù)雜的物理-化學(xué)反應(yīng)的綜合過(guò)程，它會(huì)改變?cè)现械牡V物成分，甚至?xí)纬尚碌牡V物相，也會(huì)產(chǎn)生液相至其冷卻時(shí)凝固成玻璃相。由于淤泥、粉煤灰與頁(yè)巖均含有較高的石英相，在冷卻階段，石英在575℃左右產(chǎn)生收縮，由α-型石英急速轉(zhuǎn)變?yōu)棣?型石英，并伴隨外觀(guān)的突然收縮與減小。淤泥坯塊在焙燒時(shí)隨溫度升高，其吸水率、氣孔率持續(xù)減小而體積密度增大，這是因?yàn)樵诔掷m(xù)高溫環(huán)境中，原料內(nèi)形成了更多的熔融液相，液相浸滲入粒子的縫隙中填塞了空隙，致使氣孔率降低。同時(shí)由于熔融相表面張力作用，燒成體內(nèi)部顆粒相互靠攏，從而導(dǎo)致樣品收縮變形，最終得到致密燒成體。一旦燒結(jié)溫度過(guò)高，熔融液相變多，在冷卻凝固成玻璃相時(shí)樣品內(nèi)顆粒粘連的應(yīng)力增大，導(dǎo)致燒結(jié)體收縮變形嚴(yán)重而分裂粒子，甚至撕裂已生成的閉氣孔，結(jié)果在氣孔率下降的同時(shí)也致使燒結(jié)塊的體積密度降低。

2.3 燒結(jié)溫度對(duì)試樣抗折強(qiáng)度的影響

原坯樣燒成后進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試對(duì)研究其在制備建筑材料中的承載強(qiáng)度是極為必要的，它反映了材料內(nèi)部各微觀(guān)粒子的結(jié)合能力。不同燒結(jié)溫度下L1～L7樣品抗折強(qiáng)度的變化見(jiàn)圖4。

圖4 不同燒結(jié)溫度下樣品的抗折強(qiáng)度

由圖4可以看出，與圖3（c）燒成樣品的體積密度隨燒結(jié)溫度的變化趨勢(shì)極為相似，在1100～1140℃下樣品的抗折強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的升高而增加，此后在1140～1160℃下樣品的抗折強(qiáng)度卻急劇下降，在1140℃時(shí)除L2、L3樣品外，各配方樣品具有最高的抗折強(qiáng)度。燒結(jié)樣品強(qiáng)度的提高與在高溫時(shí)樣品內(nèi)結(jié)晶的新生骨架和玻璃相有關(guān)。在高溫下，新產(chǎn)生的熔融液相填滲到晶粒的間隙中，在有效提高致密性的同時(shí)增大了材料的強(qiáng)度。生坯在燒結(jié)過(guò)程中，其內(nèi)部緊鄰的固體顆粒通過(guò)組分離子的換位和在晶格中的重排形成顆粒間固體鍵合，甚至形成熔融的玻璃相，從而獲得強(qiáng)度和顏色[13]。本實(shí)驗(yàn)所用原料均含較高的水鋁硅酸鹽成分，它在堿性環(huán)境下可以激發(fā)出潛在活性，在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中易生成具有一定粘結(jié)強(qiáng)度的膠凝態(tài)物質(zhì)，賦予材料較高的抗折強(qiáng)度。一些研究表明[14]，高溫?zé)Y(jié)有利于莫來(lái)石晶相的生成，從而有助于集料強(qiáng)度的提高。本實(shí)驗(yàn)原料中含有大量的SiO2、Al2O3等成份，它們?cè)诟邷叵乱咨赡獊?lái)石相，從而提高燒結(jié)體的強(qiáng)度。朱哲等[15]就曾發(fā)現(xiàn)東湖淤泥-粉煤灰陶粒的強(qiáng)度提高與燒結(jié)中生成的莫來(lái)石相緊密相關(guān)。

淤泥燒結(jié)樣在兩段溫度內(nèi)抗折強(qiáng)度的逆轉(zhuǎn)變化與在這兩段溫度內(nèi)燒結(jié)條的氣孔率、體積密度的變化和液相的出現(xiàn)緊密相關(guān)。通常，陶瓷材料的強(qiáng)度隨氣孔率的減小而增加，密度的增加而增大，以及隨液相的出現(xiàn)與增多而增大。當(dāng)然除了氣孔的數(shù)量，氣孔的大小、形狀及分布都會(huì)對(duì)材料的強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。在1100～1140℃內(nèi)，燒結(jié)條中液相極少，甚至沒(méi)有，收縮變形較小，并且氣孔率不斷減小、密度不斷增加，導(dǎo)致其抗折強(qiáng)度的提高。在1140～1160℃內(nèi)，樣品氣孔率不斷降低、密度減小。淤泥內(nèi)其他粘結(jié)顆粒雜質(zhì)的揮發(fā)，致使顆粒間結(jié)合力下降，抵抗變形的內(nèi)應(yīng)力相應(yīng)降低，使得試樣抗折強(qiáng)度快速降低。同時(shí)燒結(jié)條收縮變形嚴(yán)重，樣品內(nèi)出現(xiàn)了液相且急劇增多，這些急劇增加的熔融相在隨爐冷卻過(guò)程中，樣品內(nèi)各物質(zhì)的線(xiàn)膨脹系數(shù)不一致而各自凝聚并撕裂燒結(jié)體，從而造成樣品出現(xiàn)了較多較大的宏觀(guān)裂紋和嚴(yán)重收縮變形，結(jié)果致使樣品的強(qiáng)度急劇下降。

經(jīng)測(cè)試，在1120～1140℃下，L1～L7配方樣品的最大抗折強(qiáng) 度 分 別 為 40.38、37.92、34.79、38.28、35.53、42.40、41.34 MPa。另外，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，普通黏土燒結(jié)體在1120～1140℃下的最大抗折強(qiáng)度為33.34 MPa?？梢?jiàn)，本試驗(yàn)7個(gè)配方的錦江淤泥燒結(jié)制品的強(qiáng)度均高于普通黏土燒結(jié)體。

3 結(jié)論

（1）在1100～1160℃內(nèi)，隨燒結(jié)溫度升高，錦江淤泥混合燒結(jié)體的燒失率增大，吸水率、氣孔率急劇降低，密度先增大后減小，燒結(jié)溫度為1140℃，密度最大。

（2）在1100～1160℃內(nèi)，隨著燒結(jié)溫度升高，燒結(jié)樣品的抗折強(qiáng)度先升高后降低，燒結(jié)溫度為1140℃時(shí)，抗折強(qiáng)度較高，且高于普通黏土燒結(jié)樣品。

（3）錦江淤泥作為主要原料用于制備燒結(jié)磚是可行的。