影響燒結(jié)陶粒性能的因素分析

張其勇,徐 郡,趙蔚琳

(1.山東華材工程檢測鑒定有限公司，山東 濟(jì)南 250022;.濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

陶粒是一種球形顆粒，是一種加熱燒結(jié)制成的人造輕骨料，屬于一種蜂窩狀結(jié)構(gòu)的新型建筑材料，具有、強(qiáng)度高、吸水率低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于建材與化工等領(lǐng)域。當(dāng)前，為解決工業(yè)廢料的問題，許多學(xué)者研究以工業(yè)廢料為原料燒制陶粒。孫文慧[1]利用尾泥、污泥和石灰石燒制了高強(qiáng)陶粒。費(fèi)欣宇[2]用赤泥、糖蜜酒精廢液等制備了赤泥基陶粒。王德民[3]以低硅鐵尾礦為原料制備了建筑陶粒。李楊[4]以黃金尾礦分選長石后的剩余尾礦，添加膨潤土、煤粉制備了燒結(jié)高強(qiáng)陶粒。劉晨[5]以東湖淤泥為主體原料，添加鐵尾礦砂和活性炭燒結(jié)制備了燒結(jié)淤泥陶粒。林慧[6]采用贊比亞銅尾礦為原料燒制高強(qiáng)陶粒。本文作者的研究團(tuán)隊(duì)也分別利用火山灰和金尾礦制備了燒結(jié)陶粒[7-9]。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了工業(yè)廢料制備陶粒的可行性，本文擬進(jìn)一步以金尾礦、粉煤灰、煤粉為原料制備燒結(jié)陶粒，探討金尾礦和粉煤灰的摻入質(zhì)量、金尾礦的粒度和加熱升溫速率對燒結(jié)陶粒的筒壓強(qiáng)度、堆積密度和吸水率的影響。目的是為工業(yè)廢料進(jìn)一步加工成陶粒提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 原料的化學(xué)成分

本實(shí)驗(yàn)所用的原料與文獻(xiàn)[8-9]相同，表1給出金尾礦和粉煤灰的化學(xué)組成。從組成成分中可以看出兩種原料滿足于陶粒制品對原料的要求。

表1 金尾礦和粉煤灰的化學(xué)組成 %

2 陶粒的制備過程

陶粒制備需經(jīng)原料破碎，配料與混合、成球、煅燒燒結(jié)以及冷卻等過程。具體過程如下：分別將金尾礦、粉煤灰、煤粉通過球磨機(jī)進(jìn)行研磨，將粉末狀的金尾礦、粉煤灰、煤粉按一定比例混合并加入一定量的水?dāng)嚢?，再制成直徑約為10mm球形顆粒；再將其放置在干燥箱內(nèi)干燥，干燥后再放入電阻爐中進(jìn)行預(yù)熱與焙燒，焙燒后冷卻至室溫制得陶粒產(chǎn)品。

3 陶粒性能測試方法

陶粒性能測試依照《輕集料及其試驗(yàn)方法》(GB/T17431.2-1998)[11-12]方法進(jìn)行。

4 結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)對陶粒進(jìn)行初試燒，確定了煅燒制度為：在450℃溫度下預(yù)熱60min；在1130℃溫度下焙燒，且保溫120min。再通過改變金尾礦的摻入量、粉煤灰的摻入量、金尾礦的粒度和升溫速率的變化，分析燒結(jié)陶粒性能的變化規(guī)律。

4.1 金尾礦的摻入量比對陶粒性能的影響

為探討金尾礦的摻入量對陶粒性能的影響，在保證粉煤灰、煤粉和水的質(zhì)量比為35∶5∶30的情況下，依次在質(zhì)量比為45～75情況下改變金尾礦摻入量，制成陶粒后檢測陶粒的各項(xiàng)性能。其結(jié)果如圖1所示。

圖1 金尾礦摻入量比對陶粒性能的影響

圖1表明隨金尾礦摻入量的增加，陶粒的筒壓強(qiáng)度從4.99MPa增加到6.13MPa后又降低到5.52MPa。在金尾礦摻入量比為65時(shí)，筒壓強(qiáng)度最強(qiáng)。堆積密度越來越大，在金尾礦摻入量比為65時(shí)，堆積密度隨著金尾礦摻入量的增加而下降。吸水率隨金尾礦摻入量比的增加而逐漸下降。分析其原因?yàn)榻鹞驳V摻入量比的增加，SiO2含量增高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越致密，陶粒強(qiáng)度增強(qiáng)，堆積密度增大；但是過高的SiO2含量，會(huì)引起陶粒燒結(jié)困難，陶粒燒結(jié)會(huì)發(fā)生膨脹，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，堆積密度降低。陶粒內(nèi)部氣孔越來越少，導(dǎo)致了吸水率降低。

4.2 粉煤灰摻入量比對陶粒性能的影響

圖2給出了在金尾礦、煤粉、水的一定質(zhì)量比為65∶5∶30的情況下，當(dāng)粉煤灰摻入比從25～55之間變化時(shí)，筒壓強(qiáng)度在6.88MPa和7.72MPa之間范圍內(nèi)波動(dòng)，堆積密度在766kg/m3與779kg/m3之間變化，這表明粉煤灰摻入量的增加對陶粒的筒壓強(qiáng)度和堆積密度的影響不大。而吸水率從6.3%增加到8.2%，說明隨粉煤灰摻入量比值的增加而吸水率略有增加。

圖2 粉煤灰摻入量比對陶粒性能的影響

4.3 金尾礦粒度變化對陶粒性能的影響

為探討原料粒度對陶粒性能的影響，本試驗(yàn)通過控制球磨機(jī)研磨時(shí)間分別獲得180μm、150μm、125μm和75μm粒度的金尾礦，將這些粒度的金尾礦和粉煤灰、煤粉、水在質(zhì)量比為65∶35∶5∶30的情況下進(jìn)行制球燒結(jié)陶粒。對其性能進(jìn)行測試，如圖3所示。從圖中可以看出，金尾礦粒度減小，燒結(jié)陶粒的筒壓強(qiáng)度將增大，堆積密度減小，吸水率增大。根據(jù)陶粒的燒結(jié)機(jī)理分析，原料粒度越小，陶粒在焙燒過程中各物理及化學(xué)變化越完全，使陶粒結(jié)構(gòu)發(fā)育的越好，強(qiáng)度越大。同時(shí)，原料粒度小，比表面積大，等體積陶粒的質(zhì)量就小，導(dǎo)致了陶粒堆積密度減小。此外，原料粒度越小，燒結(jié)越充分，陶粒中的微觀結(jié)構(gòu)為多氣孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了吸水率增大。

圖3 金尾礦粒度對陶粒性能的影響

4.4 升溫速率對陶粒性能的影響

為了研究升溫速率對陶粒性能的影響，采用金尾礦、粉煤灰、煤粉和水的質(zhì)量比為65∶35∶5∶30制成的陶粒球進(jìn)行燒制實(shí)驗(yàn)。在保證燒制過程中所有的條件一定，僅僅改變升溫速率，分別以升溫速率1、3、5、7和9(℃/min)進(jìn)行燒制陶粒，并對其性能測試，如圖4所示。

從圖4中看出，隨著升溫速率的加快，陶粒筒壓強(qiáng)度有微弱減少，堆積密度下降，吸水率增加，根據(jù)陶粒的燒結(jié)機(jī)理分析其原因可能是由于升溫速率加快，使陶粒各物相反應(yīng)不充分，陶粒結(jié)構(gòu)形成不完善，影響了陶粒的性能，導(dǎo)致筒壓強(qiáng)度下降。升溫速率加快，導(dǎo)致陶粒內(nèi)部的液相增多，液相包裹著反應(yīng)中生成的氣體使之不能及時(shí)溢出，使焙燒后的陶粒氣孔增多，堆積密度下降，故吸水率也增大。

圖4 升溫速率對陶粒性能的影響

5 結(jié)論

本文通過對金尾礦和粉煤灰的摻入質(zhì)量比、原料粒度和升溫速率對陶粒性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

(1)在保證粉煤灰、煤粉和水的質(zhì)量比為35∶5∶30的情況下，依次添加金尾礦摻入質(zhì)量比從45到75時(shí)，陶粒筒壓強(qiáng)度和堆積密度有先增大后減小的趨勢。

(2)在保證金尾礦、煤粉和水的質(zhì)量比為65∶5∶30的情況下，從25到55的改變粉煤灰摻入量質(zhì)量比對陶粒的筒壓強(qiáng)度、堆積密度影響不顯著。

(3)含有最小粒度的金尾礦燒制的陶粒有最大的筒壓強(qiáng)度，最小的堆積密度和最大的吸水率。

(4)在金尾礦、粉煤灰、煤粉和水的質(zhì)量配比為65∶35∶5∶30的情況下，以升溫速率1、3、5、7和9(℃/min)進(jìn)行燒制陶粒，發(fā)現(xiàn)升溫速率為9℃/min的陶粒筒壓強(qiáng)度和堆積密度最小，吸水率最大。