城鎮(zhèn)建設(shè)棄土制備輕集料陶粒及其性能研究

楊 戈 劉永川 陳瑞曉 羅 娜

河南建筑材料研究設(shè)計院有限責(zé)任公司（450002）

0 前言

隨著我國城市化的推進(jìn)和現(xiàn)代化的建設(shè)，產(chǎn)生的建筑垃圾也在逐漸增多，并成為困擾我國發(fā)展的一大難題。目前，建筑垃圾大部分為建設(shè)棄土，存在數(shù)量龐大、成分復(fù)雜、處理困難等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今城市可持續(xù)發(fā)展中亟待解決的問題。城鎮(zhèn)建設(shè)棄土是隧道、地鐵、基坑及地下管廊等建筑工程中產(chǎn)生的廢棄土。我國每年產(chǎn)出1.19億t以上建筑棄土，但其資源化利用率不足1%[1]。建設(shè)棄土一般直接運(yùn)往郊區(qū)等偏遠(yuǎn)地方，通過露天堆放或填埋的方式處理，既占用土地資源，又存在環(huán)境污染的問題。

用城鎮(zhèn)棄土代替部分黏土來燒制陶粒既節(jié)省黏土，又保護(hù)農(nóng)田，也起到了一定的環(huán)保作用，解決了城鎮(zhèn)棄土的處理問題，達(dá)到了廢棄物資源化的目的。陶粒是具有多孔輕質(zhì)、保溫隔熱及耐久性高等優(yōu)點(diǎn)的綠色建筑材料，具有球狀的外形，表面光滑而堅硬，內(nèi)部呈蜂窩狀，有密度小、熱導(dǎo)率低、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。燒結(jié)法是目前最為常見的一種陶粒制備工藝，而且已經(jīng)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。燒結(jié)法主要是通過調(diào)節(jié)基體材料和輔助材料的配比，經(jīng)過研磨混勻后造粒，并在高溫下進(jìn)行物料燒結(jié)，冷卻后最終得到陶粒成品。燒結(jié)過程中，隨溫度升高，原料逐漸熔融并形成具有一定黏度的固、液混合相，同時釋放出H2O、CO、CO2、SO2和SO3等氣體，氣體溢出使固、液混合相發(fā)泡膨脹，整個過程中始終存在“內(nèi)部氣體強(qiáng)烈逸出與被外部適宜黏度液相抑制”的動態(tài)平衡[2]。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后，氣體產(chǎn)生量逐漸減少，陶粒內(nèi)部形成許多封閉、半封閉的孔隙。最終，經(jīng)冷卻后形成典型的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。燒結(jié)法制備的陶粒具有硬度高、孔隙豐富、膨脹系數(shù)大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。

文章以建筑棄土和粉煤灰為原材料共同制備燒結(jié)陶粒，旨在確定試驗的可行性，為城鎮(zhèn)棄土處理探索新的途徑。棄土陶粒的質(zhì)量受到原材料的組成、配合比、燒制溫度、燒制時間等多方面的影響，并且任何一個條件的改變都有可能導(dǎo)致棄土陶粒質(zhì)量發(fā)生較大的改變，所以研制出棄土陶粒的最佳材料組成、配合比、燒制溫度和燒制時間至關(guān)重要。

因此，文章研制了不同密度等級的棄土陶粒，并探究了原材料配方和燒制工藝對棄土陶粒性能的影響規(guī)律，進(jìn)而確定不同密度等級棄土陶粒的最優(yōu)配方和工藝。在此基礎(chǔ)上研究了不同密度等級棄土陶粒的物理力學(xué)性能。

1 棄土陶粒的制備

1.1 原料

建設(shè)棄土選自鄭州市軌道交通7號線站線施工及盾構(gòu)產(chǎn)生的建設(shè)棄土。建設(shè)棄土的化學(xué)成分見表1。

表1 建設(shè)棄土的主要化學(xué)成分（%）

粉煤灰選自偃師首陽山電廠，化學(xué)成分見表2。材料性能滿足JC/T 409—2016《硅酸鹽建筑制品用粉煤灰》[3]技術(shù)要求。

表2 粉煤灰的化學(xué)成分（%）

1.2 試驗方法

將原料分別在105℃干燥至恒重、干法球磨、過200目篩，得到粉料。將各原料按照設(shè)定的質(zhì)量比配料，并加入15%～18%的水?dāng)嚢杈鶆?，揉搓形成直?～2 cm的小球生坯。

將生坯置于105℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥至恒重。

將干燥后的生坯置于300℃～350℃電阻爐內(nèi)，預(yù)燒30 min。預(yù)燒后的球坯轉(zhuǎn)入高溫馬弗爐內(nèi)，然后以810℃/min的加熱速度升溫至試驗要求的溫度（1 150℃～1 250℃），焙燒15 min，焙燒后的陶粒樣品自然冷卻。

1.3 配比設(shè)計

根據(jù)研究需要配比設(shè)計如表3所示，表中A組為基準(zhǔn)組，B組復(fù)摻10%的秸稈，C組燒結(jié)溫度與A組、B組不同。B組、C組為對照組，以研究原料、焙燒溫度和配比優(yōu)化對棄土陶粒堆積密度的影響。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 原材料配比對棄土陶粒堆積密度的影響

根據(jù)表3和表4可知，A組和B組試樣的堆積密度隨粉煤灰摻量的增加均呈下降趨勢，但B組試樣在復(fù)摻秸稈后棄土陶粒的堆積密度下降幅度要比A組試樣大，且燒制的陶粒收縮比例較大，粒徑不宜控制，可能是由于秸稈低溫條件下產(chǎn)氣較多，低溫時陶粒表面還沒能產(chǎn)生足夠的液相黏度，產(chǎn)生的氣體不能被充分包裹，導(dǎo)致大部分氣體都從陶粒中逸出所致。這也是造成B組試樣在復(fù)摻秸稈后棄土陶粒的堆積密度下降趨勢要比A組試樣大的重要原因，因此不建議復(fù)摻秸稈。

表3 原材料試驗配比

2.2 焙燒溫度對棄土陶粒堆積密度的影響

經(jīng)過大量試驗研究，發(fā)現(xiàn)焙燒溫度是燒制符合性能要求陶粒的主要因素[4]。燒制溫度過低，陶粒表面呈麻面且無釉色，因此有必要明確溫度對棄土陶粒堆積密度的影響。同一配比C組試樣的堆積密度比A組試樣明顯降低。由表4可知，同一配比下，C組試樣的堆積密度比A組試樣明顯降低，可能是隨著焙燒溫度的升高，陶粒逐步產(chǎn)生液相，同時陶粒內(nèi)部的產(chǎn)氣成分隨著焙燒時間的延長逐漸釋放出足夠的膨脹氣體，而此時外部的骨架成分逐漸呈現(xiàn)黏度并將內(nèi)部膨脹氣體有效包裹。當(dāng)內(nèi)部氣體大于外部骨架約束力時，陶粒體積逐漸膨脹，進(jìn)而造成陶粒堆積密度降低。當(dāng)焙燒溫度1 170℃時，棄土陶粒燒結(jié)非常充分，陶粒表面生成一層光滑的釉質(zhì)層，即為棄土陶粒的最佳燒成溫度。

表4 原材料配比對棄土陶粒堆積密度的影響

2.3 配比優(yōu)化后對棄土陶粒物理性能的影響

D組試驗是按最佳焙燒溫度1 170℃下進(jìn)行棄土陶粒的制備，棄土陶粒的各種物理性能變化規(guī)律見圖5。

由表5中棄土陶粒性能按照GB/T 17431.2-2010《輕集料及其試驗方法第2部分:輕集料試驗方法》進(jìn)行陶粒的堆積密度、筒壓強(qiáng)度及1 h吸水率測試。在GB/T 17431.2—2010中陶粒按照堆積密度進(jìn)行劃分和規(guī)定，陶粒的堆積密度越大，其規(guī)定的吸水率越小，筒壓強(qiáng)度越高。由于筒壓強(qiáng)度是反映陶粒強(qiáng)度大小的指標(biāo)，堆積密度是反映陶粒輕質(zhì)程度的指標(biāo)，因此以陶粒的筒壓強(qiáng)度、堆積密度為考核指標(biāo)，筒壓強(qiáng)度越大時，陶粒性能越好。而堆積密度越小時，陶粒性能越好。表5中按配比優(yōu)化后制備的棄土陶粒密度等級為600～900級，且物理性能均能滿足符合GB/T 17431.1—2010的技術(shù)要求。

表5 配比優(yōu)化后對棄土陶粒物理性能的影響

3 結(jié)語

在制備棄土陶粒時摻加秸稈，秸稈產(chǎn)氣量太大，制備出的棄土陶粒堆積密度下降，體積收縮比例較大，粒徑不宜控制，陶粒性能不佳，不宜摻加使用。

原料配比、燒制工藝是影響棄土陶粒堆積密度重要因素。城鎮(zhèn)棄土與粉煤灰按一定比例試配，預(yù)熱溫度300℃～350℃，預(yù)熱時間30 min，焙燒時間15 min，焙燒溫度1 170℃時，可制備出密度等級為600～900滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17431.1—2010要求的棄土陶粒。