吳忠市陶粒頁巖燒脹性能影響因素的探討

牛改玲

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊，寧夏 銀川 750021)

陶粒輕集料是一種人造建筑材料，有質(zhì)量輕、堅硬、透水、保溫、耐腐蝕等特點，廣泛應(yīng)用于新型建筑材料、輕質(zhì)混凝土、污水處理等方面[1-2]。目前，我國生產(chǎn)陶粒的巖石主要是粉砂巖、泥巖、粘土、頁巖等。筆者試驗所用樣品是寧夏吳忠市陶粒頁巖，經(jīng)過破碎或粉碎過篩、預(yù)熱、高溫焙燒、冷卻制成陶粒成品。通過正交試驗研究焙燒條件對陶粒性能的影響，獲取了吳忠市陶粒頁巖的最佳焙燒工藝參數(shù)，并依據(jù)GB/T17431.2-2010《輕集料及其試驗方法》測試在最佳焙燒工藝參數(shù)下燒出的陶粒樣品的表觀密度，并測試陶粒化學(xué)成分，找出影響陶粒膨脹性能的化學(xué)因素。

通過實驗室系統(tǒng)采樣分析及概略研究，陶粒頁巖的焙燒工藝參數(shù)與化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)可以作為野外地質(zhì)人員評價陶粒頁巖礦產(chǎn)資源質(zhì)量好壞的理論依據(jù)，做出吳忠市陶粒頁巖是否有工業(yè)價值或近期能否利用的評價。

1 樣品的地質(zhì)特征及礦物成分、化學(xué)成分

陶粒頁巖礦層賦存于古生界石炭系靖遠組(C1-2j)及上碳統(tǒng)羊虎溝組(C2y)，巖性為棕紅色或紫紅色砂質(zhì)頁巖，南北礦段共劃分28個礦層。礦層連續(xù)對應(yīng)性較差，呈透鏡狀產(chǎn)出。普查區(qū)北礦段礦層傾向159～264°、39～104°，傾角26～88°；南礦段礦層傾向210～291°，傾角51～74°。

礦層礦石巖性為砂質(zhì)頁巖，礦石呈棕紅色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理構(gòu)造，巖石由粘土礦物(80%)、鐵質(zhì)(10%)及砂質(zhì)石英(5%～10%)組成(表1)。粘土礦物呈顯微鱗片狀、隱晶狀，沿層理具明顯定向性，少量粘土礦物變成絹云母，斷續(xù)定向分布。鐵質(zhì)呈隱晶狀及浸染狀散布于巖石中，使巖石整體顯紅褐色。砂質(zhì)石英呈不規(guī)則粒狀混雜于粘土礦物中，粒徑＜0.06mm，略均勻散布。

表1 礦層樣品化學(xué)組分分析結(jié)果表 (單位：%)

2 燒脹性能試驗

2.1 主要儀器設(shè)備

顎式破碎機、電熱鼓風(fēng)干燥箱、1 200℃馬弗爐、1 300℃馬弗爐、0.1mg電子天平

2.2 試驗樣品的制備

陶粒樣品經(jīng)過顎式破碎機加工后再用圓盤粉碎機粉碎至通過14目篩后充分混勻，分2份。1份粉碎至200目，用做化學(xué)分析；另1份加入20%的自來水?dāng)嚢璩赡鄨F，隨后搓成10～15mm粒徑樣球，用于焙燒試驗。

將上述樣球放入溫度為105℃的烘箱干燥，時間約為4h左右，等樣球烘干后裝好待燒。

2.3 樣品的預(yù)熱與焙燒過程

先將干燥后的樣球放入事先制成的鋼板槽上，放入已達450℃的馬弗爐中進行樣球的預(yù)熱，達到預(yù)熱時間9min時，立即將盛放樣球的鋼板從預(yù)熱爐中取出，迅速放入已達高溫1 100℃的馬弗爐中進行焙燒，繼續(xù)升溫達到焙燒溫度1 170℃后開始計時，到時間8min后立刻取出，放涼。用兩臺不同功率的馬弗爐各自進行預(yù)熱與焙燒，主要原因是由低溫預(yù)熱到高溫焙燒造成環(huán)境突變，樣品容易充分燒脹；另外馬弗爐高溫焙燒與實際生產(chǎn)中回轉(zhuǎn)窯焙燒環(huán)境相似[1]。如果使用同一臺馬弗爐完成兩個過程，升溫緩慢，樣品的環(huán)境變化不明顯，易于造成樣品膨脹不充分，甚至造成有的膨脹樣品燒結(jié)。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 最佳焙燒工藝參數(shù)的選擇

將每個樣品按250g的質(zhì)量準(zhǔn)備4份，每份再等分5份；將預(yù)熱溫度(第一參數(shù))分別設(shè)定為400℃、450℃、500℃、550℃、600℃[1-3]，預(yù)熱時間(第二參數(shù))分別設(shè)定為7min、8min、9min、10min、11min，焙燒溫度(第三參數(shù))分別設(shè)為1 120℃、1 145℃、1 170℃、1 195℃，焙燒時間(第四參數(shù))分別設(shè)7min、8min、9min、10min、11min，在第二、三、四參數(shù)條件下相同時，試燒樣品的膨脹效果好，對應(yīng)的預(yù)熱溫度為第一最佳參數(shù)。

3.1.1 預(yù)熱溫度對陶粒性能的影響

隨著預(yù)熱溫度的升高，陶粒的表觀密度沒有太大的變化，在450℃時陶粒的抗壓強度最高，因此最佳預(yù)熱溫度定為450℃(表2)。

表2 吳忠市陶粒頁巖預(yù)熱溫度與物理性能測試結(jié)果

3.1.2 焙燒溫度對陶粒性能的影響

在最佳預(yù)熱溫度、時間及最佳焙燒時間的前提下變化焙燒溫度，測試其所對應(yīng)的表觀密度(圖1)，確定最佳焙燒溫度。1 110～1 120℃樣球開始脫水，1 145℃開始急劇膨脹，焙燒溫度超過1 170℃后，陶粒表觀密度隨焙燒溫度變化不明顯[5]，1 195℃以后陶粒開始焦化變黑。此樣球膨脹溫度范圍較寬，約為70℃。同樣，可測得其他2份樣球?qū)?yīng)的最佳預(yù)熱時間與最佳焙燒時間，最終得出樣品的最佳焙燒工藝參數(shù)。

圖1 吳忠市陶粒頁巖樣品燒脹曲線

根據(jù)以上方法試驗，得出吳忠市陶粒頁巖樣品膨脹性能的最佳焙燒工藝參數(shù)為：預(yù)熱溫度450℃、預(yù)熱時間9min、焙燒時間8min，焙燒溫度1 170℃。此時陶粒樣品外觀光滑圓潤，膨脹效果最佳，對應(yīng)的表觀密度為902kg/m3，抗壓強度410N。試驗中樣品件數(shù)越多，測得的最佳參數(shù)越精確。

3.2 化學(xué)成分對膨脹性能的影響

實驗室依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14506-2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》對不同的陶粒頁巖樣品進行化學(xué)分析，然后依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17431.1-2010《輕集料及其試驗方法》[12]，用確定的最佳焙燒工藝參數(shù)燒制樣品。樣品自然類型為10個棕紅色砂質(zhì)頁巖樣品、3個灰色砂質(zhì)頁巖樣品、1個灰色粉砂巖、1個灰黑色砂質(zhì)頁巖(表3)。

表3 吳忠市陶粒頁巖化學(xué)與物理性能測試結(jié)果

成陶發(fā)氣成分主要為Fe2O3、FeO、C、有機質(zhì)等，次為微量碳酸鹽和含水礦物。據(jù)化學(xué)成分結(jié)果Fe2O3平均含量為7.09%，處在一般工業(yè)要求5%～10%的指標(biāo)要求中間值；燒失量平均含量8.59%，有機質(zhì)含量不深于標(biāo)準(zhǔn)色要求。因此，礦石中Fe2O3含量偏低，有機質(zhì)和含水礦物含量較高且變化系數(shù)較小，有利于提高礦石的燒脹性能，燒失量主要反應(yīng)了碳或有機質(zhì)(包含水)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，若其含量太低，樣品在高溫焙燒過程中產(chǎn)生的氣體少而不能膨脹[7]，表中礦石燒失量含量多大于8%，燒失量數(shù)據(jù)低于8%則為巖石[8]。但氧化鉀與氧化鈉合量(K2O+Na2O)＞6%時容易引起料球燒結(jié)而影響膨脹性能，以上兩種化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)是區(qū)別巖石與礦石的標(biāo)準(zhǔn)[8]。

礦石中不同的化學(xué)成分分別起著不同的作用，SiO2和Al2O3是燒制陶粒的主要成分，但其合量過高(＞85%)則巖石不具有燒脹性能[6-8]，合量過低影響陶粒的強度。遲培云等[9]通過對原料的化學(xué)成分與膨脹性能關(guān)系的研究認(rèn)為，成陶主要組分Al2O3、SiO2之和與成陶溶劑組分Na2O、K2O、CaO、MgO 等之和的比值在3.5～10。在高溫環(huán)境下，陶粒頁巖在膨脹成陶粒過程中，碳或有機質(zhì)、鐵起到了關(guān)鍵作用，因此實際生產(chǎn)中判斷陶粒頁巖與普通頁巖的直觀方法可以采用目測巖石中是否含黑灰色碳或有機質(zhì)的方法，顏色深則含碳量高容易發(fā)生膨脹，而淺色泥質(zhì)巖石碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低不易膨脹。

4 結(jié)論

(1)本文通過燒脹性能試驗得出吳忠市陶粒頁巖最佳焙燒制度為：預(yù)熱溫度450℃、預(yù)熱時間9min，最佳焙燒溫度1 170℃、時間為8min；此種條件下陶粒表觀密度約為300～930kg/m3。

(2)影響陶粒燒脹性能的因素有化學(xué)成分、粒度大小、塑性指數(shù)、焙燒制度[6-10]等：化學(xué)成分Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O是有益成分，有益成分與SiO2合理搭配才具有良好的燒脹性能[11-12]，SiO2、Al2O3＜85%，K2O、Na2O＜6%，燒失量＞8%時，膨脹性能好，以上各種因素的影響集中體現(xiàn)在燒脹性能，其表象又是陶粒外表的光滑與圓潤程度，燒脹性能可以準(zhǔn)確評定陶粒原料質(zhì)量的好壞，其他因素均不能單獨評價，因此陶粒燒脹試驗可以作為判斷陶粒樣品質(zhì)量好壞的最快捷有效的依據(jù)，其他測試數(shù)據(jù)僅可作為參考。

(3)陶粒是制造商品混凝土的輕骨料，具有節(jié)能環(huán)保、重量輕、隔音、保溫等諸多優(yōu)點，是新型建筑材料。目前，寧夏城鎮(zhèn)建設(shè)對陶粒輕骨料的用量逐年遞增，其產(chǎn)品供不應(yīng)求。該礦的開發(fā)利用符合國家環(huán)保政策，因此，項目建成后將填補寧夏陶土資源開發(fā)新型建材生產(chǎn)項目的空白，為打造中國西部最大的陶板生產(chǎn)、研發(fā)基地奠定了基礎(chǔ)，市場前景廣闊，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。