河道底泥陶粒制備原料的塑性指數(shù)預(yù)測(cè)

林春綿，章泓立，王軍良

(浙江工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，浙江 杭州 310014)

陶?？捎糜谒幚頌V料以及建筑輕骨料，而河道底泥陶粒的原料均由固廢組成，其熱值高、能耗低和無二次污染，是一種非常重要的節(jié)能環(huán)保材料。在陶粒生產(chǎn)流程中造粒成型是必須經(jīng)過的重要環(huán)節(jié)之一。工業(yè)上常用對(duì)輥擠壓式造粒機(jī)等[1]機(jī)器進(jìn)行造粒成型。陶粒原料只有在添加適量的水分具備一定的抗壓變形能力后，才能保證經(jīng)過造粒機(jī)的加工后從不規(guī)則的混合料成為具有規(guī)則形狀的陶粒。那么這種抗壓變形能力具體應(yīng)該如何表示并判斷，另外復(fù)雜的原料在混合后是否影響了原本的抗壓變形能力等都有待進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的研究。在陶瓷工藝學(xué)中，可塑性被定義為含水率一定的土料，在外力作用下能塑造成各種形狀而不發(fā)生開裂，當(dāng)外力撤除后保持原型不變的性能[2]。對(duì)于泥料的可塑性測(cè)量和表征方法常用的有液塑限聯(lián)合測(cè)定法[3]和塑性指標(biāo)測(cè)定法[4]。Koening等[5]和孫靖等[6]的研究發(fā)現(xiàn)：泥料本身的一些物理特性是影響泥料可塑性大小的關(guān)鍵因素。比如泥料的顆粒大小、粒度分布和礦物物相組成等，泥料中黏土質(zhì)礦物物相占比越高，其可塑性越強(qiáng)，塑性指標(biāo)測(cè)定結(jié)果越準(zhǔn)確，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果也相應(yīng)地越接近實(shí)測(cè)值。經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：本研究使用的陶粒原材料在化合物及物相組成上與前人研究泥料類似。因此，筆者嘗試引入塑性指數(shù)來分析并推斷使用原料是否滿足陶粒的造粒成型要求。

通過利用液塑限聯(lián)合測(cè)定法對(duì)河道底泥、泥漿等陶粒原材料及各種混料組合的塑性指數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，分析各混料體系下的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的差異和關(guān)聯(lián)性，根據(jù)這些差異和關(guān)聯(lián)性建立一套河道底泥陶粒原料混合體系的塑性指數(shù)預(yù)測(cè)模型，為實(shí)際陶粒生產(chǎn)過程中快速估測(cè)混合原料是否能夠塑造成型提供理論指導(dǎo)，從而便于快速判斷原料是否適合用于陶粒制作。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

河道底泥分別取自紹興支五河以及寧波北侖港某河道，灰黑色；黏土取自江蘇金壇某市郊，棕黃色；污水污泥取自杭州綠治污水處理廠，棕灰色。

1.2 塑性指數(shù)測(cè)定方法

原材料的塑性指數(shù)根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]和肖桂元[8]所述液塑限聯(lián)合測(cè)定法進(jìn)行測(cè)定。

將采集的原材料放置于空曠通風(fēng)的區(qū)域自然風(fēng)干至恒重。利用球磨機(jī)QE-100將風(fēng)干完全的原材料粉碎細(xì)化，由于土料的粒徑分布會(huì)影響到最終測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度，因此把細(xì)化后的原料過0.55 mm篩網(wǎng)從而保證原料粒徑一致、分布均勻，提高結(jié)果準(zhǔn)確性。

取60 g土樣放在塑料碗中調(diào)成均勻膏狀，浸潤(rùn)18 h；將制備試樣填入盛土杯中，填滿后刮平表面；然后將盛土杯放在液塑限聯(lián)合測(cè)定儀升降座上。調(diào)節(jié)升降旋鈕，使底座上升，當(dāng)杯中土樣剛接觸錐尖時(shí)，接觸指示燈立刻發(fā)亮，此時(shí)停止旋動(dòng)，按測(cè)量鍵；圓錐儀自由下落，過5 s，讀出圓錐下沉深度；從盛土杯中取出10～20 g試樣計(jì)算含水率。

將每種原料分別調(diào)制成干、中和濕3 種含水率土樣(分別對(duì)應(yīng)圓錐下沉深度為3～4, 7～9, 15～17 mm)。以含水率為橫坐標(biāo)、圓錐入土深度為縱坐標(biāo)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制關(guān)系曲線，3點(diǎn)應(yīng)在一條直線上。當(dāng)3點(diǎn)不在一條直線上時(shí)，通過高含水率的點(diǎn)和其余2點(diǎn)連成2條直線，在下沉為2 mm處查得相應(yīng)的2 個(gè)含水率，差值小于2%時(shí)，應(yīng)以2點(diǎn)含水率的平均值與高含水率的點(diǎn)連成一直線。當(dāng)2個(gè)含水率的差值不小于2%時(shí)，重做實(shí)驗(yàn)。其中，液限含水率的計(jì)算式為

(1)

式中：WL為土的液限含水率，%；m0為鋁盒重量，g；m1為濕土和鋁盒總重，g；m2為干土和鋁盒總重，g。塑限含水率的計(jì)算式為

(2)

式中：WP為土的塑限含水率，%；m′0為鋁盒重量，g；m′1為濕土和鋁盒重量，g；m′2為干土和鋁盒重量，g。塑性指數(shù)的計(jì)算式為

IP=WL-WP

(3)

式中：Ip為塑性指數(shù)；WL為土的液限含水率，%；WP為土的塑限含水率，%。

二元、三元以及四元混料的塑性指數(shù)測(cè)定方法與原材料的測(cè)定方法一致，其中混料的拌和通過手工利用調(diào)土刀充分拌和均勻的方式進(jìn)行。最終各原料的塑性指數(shù)測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 各原料塑性指數(shù)及擬合度Table 1 Plasticity index and fitness of each raw material

1.3 表征方法

對(duì)所有原料的表征檢測(cè)包括元素及礦物物相組成。原料的預(yù)處理包括烘干和細(xì)化。每種原料各取5 g放置于105 ℃烘箱中烘干8 h，將烘干完全的原料研磨過100 目鐵篩網(wǎng)。所有原料的元素組成采用X射線熒光分析儀ARL ADVANT’X(XRF)進(jìn)行檢測(cè)，原料的各元素組成如表2所示。

表2 原材料(干基)化學(xué)組成及有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Chemical composition and organic matter content of raw materials (dry basis)

原料的礦物物相組成檢測(cè)預(yù)處理方法同元素組成一致，采用X射線衍射儀X’Pert Pro檢測(cè)以及High Score軟件分析得到。

2 混料體系塑性指數(shù)模型的建立

對(duì)于黏土質(zhì)泥料的可塑性研究已有一定歷史[9-10]。Baran等[11]通過對(duì)多種黏土的塑性指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，確定每種黏土可加工狀態(tài)下的最佳含水率；Andrade等[12]建立了一套基于壓縮實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型用來評(píng)估黏土的可塑性，通過對(duì)3種不同種類黏土進(jìn)行不同含水率下的阿特伯格塑性指數(shù)以及塑性指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地?cái)M合了理論曲線；徐榮娟[13]采用落錐法測(cè)定多種土樣錐入深度為10 mm和17 mm時(shí)的液限含水率并計(jì)算對(duì)應(yīng)塑性指數(shù)IP17和IP10，發(fā)現(xiàn)兩種塑性指數(shù)之間存在較為顯著的線性相關(guān)性；Ribeiro等[14]通過壓縮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黏土的彈性模量、屈服強(qiáng)度和最大變形強(qiáng)度等參數(shù)受水分及其物相組成的強(qiáng)烈影響。

結(jié)合前人研究成果以及從多元混料的塑性指數(shù)會(huì)隨著各組分含量變化而產(chǎn)生改變的角度考慮，擬采用加權(quán)平均算法對(duì)每種混料塑性指數(shù)理論結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，即

(4)

對(duì)二、三和四元混料分別取多種不同原料組合進(jìn)行塑性指數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，每種組合同時(shí)進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，取平均值，對(duì)比理論值和實(shí)測(cè)值，在理論計(jì)算模型基礎(chǔ)上添加校正因子kp，即

(5)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 原料礦物物相組成與分析

圖1是原料各礦物組成的檢測(cè)結(jié)果。由圖1(a)可知：兩個(gè)不同地點(diǎn)采集得到的河道底泥主要物相都是石英，其次還有小部分方解石。其中，寧波某河道采集得到的河道底泥中還含有少量蒙脫石。石英單晶體通常為六面體結(jié)構(gòu)，單層石英原子間以共價(jià)鍵結(jié)合，強(qiáng)度很高，每一層石英則是通過分子間作用力結(jié)合。在礦物中石英晶體的層間結(jié)合力(分子間作用力)較強(qiáng)[15]，不易斷裂，在加入水后每層石英晶體間形成很薄的水膜，此外，石英晶體的同晶置換量小，最終導(dǎo)致水膜結(jié)合強(qiáng)度較小，而水膜結(jié)合強(qiáng)度是塑性指數(shù)強(qiáng)弱的關(guān)鍵原因之一[16]。由于兩種底泥中含有大量的石英相，所以兩種底泥的塑性指數(shù)較低。而寧波采集的河道底泥之所以有較高的塑性指數(shù)主要在于底泥中存在的少量蒙脫石[17]。蒙脫石的層間結(jié)合力較弱，層間易斷裂且同晶置換量大形成較厚水膜，使得水膜結(jié)合強(qiáng)度較高從而提高了該河道底泥的塑性指數(shù)。圖1(b)反映的是廢棄泥漿的物相組成，該種泥漿主要也是由石英礦組成，其中包含少量高嶺石和磁鐵礦。高嶺石在物相分類上屬于黏土礦物，具有在水中易分散、質(zhì)軟和吸水性強(qiáng)等特點(diǎn)[18]。因此，含高嶺石礦物的物質(zhì)塑性指數(shù)較高。高嶺石雖然能提高塑性指數(shù)，但是在鉆孔灌漿過程中常常會(huì)有少量含鐵物質(zhì)帶入到泥漿中，在物相組成檢測(cè)過程中也發(fā)現(xiàn)了少量磁鐵礦這種非黏土礦物，磁鐵礦顆粒之間存在極強(qiáng)的磁性，有利于黏土顆粒黏聚成團(tuán)，大顆粒物質(zhì)不易在水中均勻分散，同樣也不利于形成較厚水膜降低泥漿整體的塑性指數(shù)。分析圖1(c)可知：本實(shí)驗(yàn)使用黏土主要礦物組分是石英以及少量絹云母、藍(lán)晶石和硅線石。其中絹云母屬于黏土礦物，它是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物質(zhì)[19]。絹云母在水中的分散性非常好，并且具有很強(qiáng)的附著力，所以絹云母的存在對(duì)提高黏土塑性指數(shù)有一定作用。藍(lán)晶石[20]和硅線石[21]同屬于高鋁礦物，在晶系以及晶體形態(tài)上十分接近，易破碎成小顆粒粉末從而有利于提高土料的塑性指數(shù)，少量絹云母、藍(lán)晶石和硅線石礦物組分的存在使得黏土塑性指數(shù)高于底泥。本研究中污泥的物相組成和前面幾種物質(zhì)相似，以石英相為主要礦物組分，如圖1(d)所示。但在污泥中由于有機(jī)物含量高，會(huì)在物相檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)部分鉀鈉長(zhǎng)石的存在。鋁礬土礦[22]和高嶺石非常相似，易破碎形成較厚水膜。此外，污泥中含有的部分有機(jī)物具有較強(qiáng)黏結(jié)性使得污泥塑性指數(shù)較高。

圖1 原材料XRD物相組成圖譜Fig.1 Raw material XRD phase composition

3.2 混料的塑性指數(shù)分析

結(jié)合陶粒燒制最佳原料配方及礦物成分對(duì)原料塑性指數(shù)的影響，最終選取寧波河道底泥-污泥(SS)和寧波河道底泥-黏土(SC)體系作為二元混料塑性指數(shù)研究對(duì)象，三元混料選擇寧波河道底泥、黏土和污泥(SCS)進(jìn)行混料指數(shù)測(cè)定，而四元混料實(shí)驗(yàn)則將寧波河道底泥、黏土、泥漿和污泥(ALL)所有這些原料摻和在一起進(jìn)行研究。各元混料的實(shí)驗(yàn)預(yù)處理均按照單種原料的處理方式進(jìn)行，每種組分的原料占比及最終塑性指數(shù)實(shí)測(cè)值見表3。4 種體系的結(jié)果匯總見表4。

表3 各泥料的配比及塑性指數(shù)Table 3 Proportion and plasticity index of each material

表4 4 種混料體系結(jié)果匯總Table 4 Summary of results of four mixing systems

為了更加清晰地比較預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)結(jié)果之間的關(guān)系，以理論值為橫坐標(biāo)，預(yù)測(cè)值為縱坐標(biāo)，繪制實(shí)測(cè)結(jié)果在模型中的分布圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2 混料塑性指數(shù)結(jié)果匯總Fig.2 Summary of mixed plasticity index results

比較圖2(a，b)可知：SS體系實(shí)測(cè)值各點(diǎn)在模型分布上較之SC體系分散程度更大，說明此模型對(duì)于SC體系的混料塑性指數(shù)預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。在誤差方面，結(jié)合表4可以明顯地發(fā)現(xiàn)SC體系各組分誤差較之SS體系更小。其中SC體系最大相對(duì)偏差為2.8%，遠(yuǎn)小于SS體系的6.7%，此外，SC體系的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差也更小，實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)于預(yù)測(cè)模型擬合度更高。

綜上結(jié)果進(jìn)行分析，之所以SC體系預(yù)測(cè)結(jié)果比SS體系更加準(zhǔn)確，是因?yàn)榇嬖谝韵聨追矫嬖颍?) 因?yàn)閮煞N體系混料在礦物組成上的不同，黏土中含有更多的層狀結(jié)構(gòu)礦物，有利于較厚水膜形成，而塑性指數(shù)這一性質(zhì)也是土體吸附與結(jié)合水能力的綜合體現(xiàn)，所以SC體系測(cè)定結(jié)果整體偏大且穩(wěn)定；2) 由于黏土中瘠性料含量明顯小于污泥中瘠性料含量，在實(shí)際生產(chǎn)中坯體泥料的黏粒之間必定存在一定距離，這是因?yàn)榕黧w泥料的黏土粒子之間會(huì)有瘠性料填充，往往瘠性料含量為35%～45%比較適合，而污泥中的瘠性料含量較高，黏土粒子間距離越遠(yuǎn)，水膜厚度和重疊程度差異就更大，導(dǎo)致預(yù)測(cè)值和理論值偏差更大；3) 黏土在顆粒級(jí)配上屬于細(xì)粒土，細(xì)粒土顆粒粒徑較小，比表面積更大，在水中分散程度更高，而污泥顆粒在加入水后由于部分油性有機(jī)物的存在不易分散，粒徑較大，在同等拌合條件下SC體系坯體顆粒與水分子結(jié)合地更加緊密均勻，使得SC體系模型預(yù)測(cè)更精確。四元和三元的結(jié)果比較也證明隨著摻雜原料的種類增加，體系復(fù)雜程度的加深，相對(duì)黏土含量減少，塑性指數(shù)實(shí)驗(yàn)的適用性也隨之下降，從而導(dǎo)致預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值誤差更大。而四元模型預(yù)測(cè)值更加準(zhǔn)確，可能是因?yàn)楫?dāng)體系復(fù)雜到一定程度，每種原料包含的礦物成分相互補(bǔ)充，削弱了對(duì)整體塑性指數(shù)測(cè)定值的影響。當(dāng)然，在測(cè)定過程中部分人為的操作誤差也會(huì)導(dǎo)致偏差的不同。

3.3 混料塑性指數(shù)綜合分析

箱型圖在表征數(shù)據(jù)分散程度上具有優(yōu)勢(shì)，在同一體系中兩種結(jié)果的上下限以及中位數(shù)越接近說明建立的預(yù)測(cè)模型更適用于該種體系。為了更加直觀清晰地比較各體系塑性指數(shù)測(cè)定結(jié)果，找出預(yù)測(cè)模型更適用于哪種體系，根據(jù)表4繪制箱型圖，結(jié)果如圖3所示。

圖3 四種混料體系箱型圖Fig.3 Four mix system box diagrams

圖3展示了4 種體系5 種不同配方塑性指數(shù)實(shí)測(cè)及預(yù)測(cè)結(jié)果在箱型圖中的分布情況，每種體系的左邊箱型圖代表實(shí)測(cè)結(jié)果，右邊箱型圖代表理論結(jié)果。隨著體系中混合原料種類增多，混料整體塑性指數(shù)值逐漸下降。這可能是由于瘠性料的增多導(dǎo)致顆粒間距過大，不易形成較厚水膜，與水分的結(jié)合能力降低導(dǎo)致。對(duì)比二元混料兩種體系的實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)值可以發(fā)現(xiàn)：SS體系最高實(shí)測(cè)值和最低實(shí)測(cè)值之間相差2.4，實(shí)測(cè)值顯著性差異明顯高于預(yù)測(cè)值，但整體平均值兩者相差不大。反觀SC體系，實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)結(jié)果顯著性差異不大，平均結(jié)果更加接近。二元混料試驗(yàn)兩種體系最終測(cè)定塑性指數(shù)都在15左右，說明建立的模型具有一定實(shí)用價(jià)值。當(dāng)混料中的黏土類成分越高，體系復(fù)雜程度越低，模型對(duì)于混料的塑性指標(biāo)預(yù)測(cè)越準(zhǔn)確。

在4 種體系中SC體系兩種測(cè)定結(jié)果箱型圖分布情況最相似，根據(jù)塑性指數(shù)對(duì)應(yīng)土體分類，塑性指數(shù)值大于14屬于黏土類物質(zhì)。這也意味著河道底泥、黏土、泥漿和污泥的混合料具有一定黏度，滿足陶粒造粒成型的需要。

4 結(jié) 論

通過研究得到以下結(jié)論：結(jié)合XRD圖發(fā)現(xiàn)原料中含有的黏土類礦物含量越多，塑性指數(shù)越高；混料體系中包含物質(zhì)的復(fù)雜程度越高，塑性指數(shù)值越低，其中黏土類物質(zhì)占比越高，模型預(yù)測(cè)越準(zhǔn)確；各體系的誤差范圍均小于10%的工程實(shí)驗(yàn)規(guī)定誤差上限，說明此模型可用于此類混料的粗略預(yù)測(cè)。利用底泥、黏土、泥漿和污泥作為原料在理論上具有一定可塑性，滿足陶粒的造粒成型要求。