河道底泥制備陶粒輕骨料的工藝條件及性能*

章泓立 吳思民 金利學(xué) 王軍良 林春綿#

(1.浙江工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江大東吳集團(tuán)建設(shè)新材料有限公司,浙江 湖州 313000)

潔凈的河道不但能使城市生態(tài)煥發(fā)生機(jī)，也是自然和人居環(huán)境的調(diào)節(jié)器，治理改善河道環(huán)境，特別是對(duì)于有害河道底泥的清除和資源化利用[1-3]是當(dāng)前亟待解決的一個(gè)重大生態(tài)環(huán)境問題。陶粒輕骨料具有隔水保氣、保溫隔熱、輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)良特性。以往的陶粒輕骨料制備原材料主要是黏土和頁巖等自然礦物[4-6]，隨著行業(yè)的發(fā)展，污泥、海泥以及生活垃圾等固體廢物也可用來制備陶粒輕骨料。FURLANI等[7]以紙?jiān)筒Ａг鼮橹饕牧?，添加赤泥、黃黏土和高嶺石3種礦物制成陶粒，制得的陶粒表觀密度約930 kg/m3；CHEN等[8]利用水庫(kù)底泥在回轉(zhuǎn)窯中燒制輕骨料陶粒，最佳燒制條件為預(yù)熱溫度500 ℃、燒制溫度1 200 ℃，該輕骨料陶粒的表觀密度約880 kg/m3；朱富杰等[9]利用白泥、黏土以及油頁巖制備出堆積密度355 kg/m3的超輕陶粒。但這些研究均存在固體廢物利用率低或陶粒實(shí)用性不高等問題。

本研究以河道底泥、污水污泥以及廢棄建筑泥漿這些固體廢物為主要原材料來制備陶粒輕骨料，旨在為河道底泥制備陶粒輕骨料提供技術(shù)指導(dǎo)，也為河道底泥等固體廢物提供了一條可行且實(shí)用的資源化利用途徑。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

河道底泥為寧波北侖某河道清淤開挖采集所得；廢棄建筑泥漿為臺(tái)州臨海某建筑工地鉆孔灌樁泥漿；污水污泥為杭州某污水處理廠二沉池出水污泥；黏土取自江蘇金壇。利用X射線熒光光譜(XRF)法測(cè)定原材料主要化學(xué)成分，利用灼燒法測(cè)定原材料有機(jī)物含量。測(cè)定結(jié)果以及燒制傳統(tǒng)陶粒輕骨料的化學(xué)成分適宜范圍[10]見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)所用原材料化學(xué)成分及適宜范圍1)Table 1 Chemical composition and fitting range of raw materials %

1.2 陶粒燒制

原材料經(jīng)(105±1) ℃烘干至恒重，研磨過100目標(biāo)準(zhǔn)篩。按質(zhì)量配比稱重混合，加入適量純水并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中混凝土砌塊制作需要進(jìn)行造粒成型，成型生料為長(zhǎng)度20 mm、粒徑12 mm的規(guī)則圓柱。將成型生料放置于105 ℃恒溫干燥2 h，隨后置于KSKQ-6-14旋轉(zhuǎn)管式反應(yīng)爐，以10～40 ℃/min速率升溫至1 100～1 250 ℃，并保持0～50 min，然后自然降溫制得陶粒輕骨料。

1.3 性能測(cè)試

陶粒輕骨料表觀密度和吸水率按照《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)進(jìn)行測(cè)定?？箟簭?qiáng)度測(cè)定參考文獻(xiàn)[11]，每種配方的陶粒輕骨料各取8個(gè)單顆粒進(jìn)行測(cè)定然后取平均值，抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：S為抗壓強(qiáng)度，MPa；Pc為剛斷裂時(shí)的壓力，N；X為受力前的最大直徑mm。

由抗壓強(qiáng)度和表觀密度(ρ，kg/m3)的比值，計(jì)算綜合指數(shù)N(N進(jìn)行無量綱處理)，N越大則制備的陶粒輕骨料性能越好，計(jì)算公式見式(2)。

(2)

陶粒輕骨料的微觀形貌利用HitachiS-4700掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 煅燒溫度和保溫時(shí)間對(duì)陶粒輕骨料性能的影響

在煅燒階段主要有兩個(gè)因素影響陶粒性能，分別是煅燒溫度和保溫時(shí)間。分別選取煅燒溫度1 100、1 125、1 150、1 175、1 200、1 225、1 250 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其他條件控制為(河道底泥+廢棄建筑泥漿)∶污水污泥∶黏土=60∶20∶20(質(zhì)量比，下同)，保溫時(shí)間30 min，升溫速率20 ℃/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。陶粒輕骨料吸水率有隨著煅燒溫度的升高而下降的趨勢(shì)，由15.0%下降到2.9%。綜合指數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的情況，其最大值出現(xiàn)在1 175 ℃時(shí)，為868.6。最大抗壓強(qiáng)度也出現(xiàn)在1 175 ℃時(shí)，為9.37 MPa。煅燒溫度超過1 225 ℃后，吸水率驟降，表觀密度和抗壓強(qiáng)度驟增。

圖1 煅燒溫度對(duì)陶粒輕骨料性能的影響Fig.1 Influence of calcination temperature on the performance of ceramsite lightweight aggregate

陶粒煅燒過程是十分復(fù)雜的[12]。當(dāng)溫度達(dá)到1 000 ℃時(shí)，熔融液相大量產(chǎn)生，促進(jìn)原子的重新排列以及物質(zhì)傳遞過程，物質(zhì)微粒間的孔隙在此時(shí)被液相填充而迅速減少；當(dāng)溫度超過1 150 ℃時(shí)，物質(zhì)微粒接觸面產(chǎn)生塑性形變，塑性形變使得接觸面增大，增大的接觸面增強(qiáng)黏附作用，發(fā)生更嚴(yán)重的形變；當(dāng)溫度在1 175 ℃附近時(shí)，熔融液相繼續(xù)增多，封住了微粒間的孔隙，產(chǎn)生的氣體無法逸散而出并在液相界面膨脹成圓孔，此溫度下圓孔數(shù)量劇增，陶粒整體進(jìn)入膨脹階段；隨著溫度繼續(xù)升高(大于1 175 ℃)，物質(zhì)微粒接觸面擴(kuò)增到一定程度，引發(fā)陶粒燒結(jié)致密化，孔隙收縮減少，吸水率降低，表觀密度增大。

考慮到陶粒輕骨料在1 175 ℃時(shí)的表觀密度最小且抗壓強(qiáng)度和綜合指數(shù)最大，選擇1 175 ℃為最優(yōu)煅燒溫度。

分別選取保溫時(shí)間0、10、15、20、25、30、40、50 min，其他條件控制為(河道底泥+廢棄建筑泥漿)∶污水污泥∶黏土=60∶20∶20，煅燒溫度1 175 ℃，升溫速率20 ℃/min，陶粒輕骨料的性能見圖2。

從圖2可以看出，陶粒輕骨料的表觀密度以20min為分界點(diǎn)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，0～20 min由1 325 kg/m3下降至1 060 kg/m3，20～50 min由1 060 kg/m3上升至1 430 kg/m3。吸水率在10 min時(shí)出現(xiàn)驟降，之后隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢下降，10 min時(shí)的吸水率為7.7%，最小吸水率出現(xiàn)在40 min時(shí)，為3.3%。未進(jìn)行保溫的陶粒輕骨料抗壓強(qiáng)度明顯不足，僅有2.94 MPa，而進(jìn)行保溫的陶粒輕骨料抗壓強(qiáng)度則明顯提高，并于15 min達(dá)到最大值。這是因?yàn)槿廴谝合喈a(chǎn)生氣泡，彈性隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)而增大，當(dāng)液相層較薄時(shí)氣體容易向外逸散，表觀密度緩慢變大而吸水率逐漸變小，若此階段保溫時(shí)間過長(zhǎng)就會(huì)使微孔連通成大孔出現(xiàn)燒結(jié)甚至炸裂現(xiàn)象。保溫時(shí)間為15 min時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，且表觀密度處于低值，綜合指數(shù)處于高值，因此保溫時(shí)間宜選擇15 min。

圖2 保溫時(shí)間對(duì)陶粒輕骨料性能的影響Fig.2 Influence of holding time on the performance of ceramsite lightweight aggregate

2.2 升溫速率對(duì)陶粒輕骨料性能的影響

升溫速率主要影響各原材料中物質(zhì)的分解和反應(yīng)速度，這與陶?？紫逗陀再|(zhì)層的形成關(guān)系密切從而間接影響了陶粒輕骨料性能。分別選取升溫速率10、15、20、25、30、35 ℃/min，其他條件控制為(河道底泥+廢棄建筑泥漿)∶污水污泥∶黏土=60∶20∶20，煅燒溫度1 175 ℃，保溫時(shí)間15 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 升溫速率對(duì)陶粒輕骨料性能的影響Fig.3 Influence of heating rate on the performance of ceramsite lightweight aggregate

當(dāng)升溫速率從10 ℃/min增大到25 ℃/min時(shí)，陶粒輕骨料的表觀密度逐漸上升，并于25 ℃/min時(shí)達(dá)到最大值(1 130 kg/m3)。以15 ℃/min為分界線，吸水率在升溫速率>15 ℃/min時(shí)整體呈上升趨勢(shì)，在15 ℃/min時(shí)達(dá)到最小值，為6.3%?？箟簭?qiáng)度隨著升溫速率的升高而增大，由10 ℃/min的1.61 MPa提高到35 ℃/min的10.89 MPa。

當(dāng)升溫速率≤25 ℃/min時(shí)，陶粒輕骨料表觀密度的持續(xù)上升可能是因?yàn)槲镔|(zhì)分解或反應(yīng)產(chǎn)氣速度慢于熔融液相形成速度，氣體不足，導(dǎo)致圓孔形成受阻，而圓孔的數(shù)量直接決定了表觀密度以及吸水率。當(dāng)升溫速率繼續(xù)增大時(shí)，物質(zhì)分解反應(yīng)愈發(fā)劇烈，產(chǎn)生的氣體足以在熔融液相表面形成相當(dāng)規(guī)模的圓孔，表觀密度也就相對(duì)降低，但由于圓孔數(shù)量隨著升溫速率增加持續(xù)增長(zhǎng)，所以吸水率在15 ℃/min后總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。而抗壓強(qiáng)度之所以與升溫速率變化趨勢(shì)一致可能是由于相同條件下，越早達(dá)到相關(guān)物質(zhì)熔融溫度，形成的釉質(zhì)層則越厚，抗壓強(qiáng)度也就越大。

升溫速率為35 ℃/min時(shí)，綜合指數(shù)和抗壓強(qiáng)度均最大，且表觀密度僅為900 kg/m3左右，因此升溫速率宜定為35 ℃/min。

2.3 物料配比對(duì)陶粒輕骨料性能的影響

尋找最優(yōu)配方比例需對(duì)原材料進(jìn)行混料實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[13]。將各種原材料配比設(shè)置上下限：40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)≤河道底泥≤60%，10%≤廢棄建筑泥漿≤30%，10%≤污水污泥≤20%，10%≤黏土≤30%。為了在盡可能少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)下獲取較優(yōu)配方比例，選取增強(qiáng)型極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)[14]進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，其他制備條件分別為煅燒溫度1 175 ℃，保溫時(shí)間15 min，升溫速率35 ℃/min，不同物料配比制備的陶粒輕骨料性能測(cè)定結(jié)果見圖4。

圖4 物料配比對(duì)陶粒輕骨料性能的影響Fig.4 Influence of raw materials proportion on the performance of ceramsite lightweight aggregate

陶粒輕骨料各方面性能指標(biāo)與原材料配比之間的關(guān)系沒有明顯規(guī)律性，但絕大數(shù)配方的表觀密度都達(dá)到輕質(zhì)要求(<900 kg/m3)。最大抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)于河道底泥∶黏土∶廢棄建筑泥漿∶污水污泥=50∶20∶10∶20時(shí)，為12.3 MPa。當(dāng)污水污泥含量占比較高時(shí)，吸水率普遍較高。

綜合分析所有性能指標(biāo)，選取較優(yōu)的物料配比為河道底泥∶黏土∶廢棄建筑泥漿∶污水污泥=47∶17∶16∶20。

2.4 陶粒輕骨料的規(guī)?；a(chǎn)

為了使河道底泥制備陶粒輕骨料這一資源化利用途徑得到推廣和應(yīng)用，同時(shí)為了證明該種工藝的可行性，課題組與湖州某陶粒生產(chǎn)企業(yè)合作，在現(xiàn)有的陶粒生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)了8 h連續(xù)規(guī)?；a(chǎn)?；剞D(zhuǎn)窯規(guī)格Φ2 500 mm×45 000 mm，日產(chǎn)量在450 m3，生產(chǎn)條件參照前文實(shí)驗(yàn)研究得到的適宜工藝條件，生產(chǎn)線規(guī)?；a(chǎn)流程見圖5。

圖5 陶粒輕骨料規(guī)?；a(chǎn)工藝流程示意圖Fig.5 Flow chart of ceramsite lightweight aggregate large-scale production

對(duì)適宜工藝條件生產(chǎn)的陶粒進(jìn)行了宏觀與微觀形貌分析，結(jié)果分別見圖6、圖7。由圖6可見，陶粒輕骨料釉質(zhì)層較厚，基本無裂紋，內(nèi)部形成肉眼可見孔洞，膨脹性能良好，形態(tài)規(guī)則完整。由圖7可見，陶粒輕骨料內(nèi)部孔隙大小合適且分布均勻，表面無裂紋，有適量的連通孔隙。

圖6 陶粒輕骨料的外觀形貌Fig.6 Appearance of ceramsite lightweight aggregate

圖7 陶粒輕骨料的SEM結(jié)果Fig.7 SEM results of ceramsite lightweight aggregate

良好的宏觀和微觀形貌證明了該種物料配比中硅鋁骨架成分與有機(jī)物產(chǎn)氣成分比例合適，從而有足夠的強(qiáng)度使得反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量氣體均勻地被分散包裹其中。此工藝條件下制備的陶粒輕骨料性能優(yōu)異。

按照GB/T 17431.2—2010對(duì)陶粒輕骨料的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見表2。制備的陶粒輕骨料所有指標(biāo)均滿足《輕集料及其試驗(yàn)方法 第1部分：輕集料》(GB/T 17431.1—2010)要求，該種河道底泥資源化利用途徑是可行的[15]。

表2 適宜工藝條件制備的陶粒輕骨料檢測(cè)報(bào)告Table 2 Test report of ceramsite lightweight aggregate with the suitable technological conditions

3 結(jié) 論

(1) 通過單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)比陶粒輕集料性能，得到適宜的陶粒輕集料制備工藝條件：煅燒溫度1 175 ℃，保溫時(shí)間15 min，升溫速率35 ℃/min以及物料配比河道底泥∶黏土∶廢棄建筑泥漿∶污水污泥=47∶17∶16∶20。

(2) 在適宜工藝條件下實(shí)現(xiàn)了陶粒輕骨料的規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)品主要性能均滿足GB/T 17431.1—2010，表明這是一種可行且實(shí)用的河道底泥資源化利用方式。