黃河流域沉沙池泥沙制備陶粒及其性能研究

楊麗艷，馬 鑫，梅銳鋒，楊大山，梁家麟，李春全，孫志明

［1.中國礦業(yè)大學（北京）化學與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.內(nèi)蒙古水利科學研究院］

黃河是中華民族的母親河，在中國經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位。然而，由于其中含有大量泥沙，黃河也是世界上最為復(fù)雜、難治理的河流之一［1-4］。黃河泥沙量大面廣，如不加以整治和利用，會嚴重危及兩岸人民群眾的生命財產(chǎn)安全［5-6］。另一方面，黃河泥沙作為一種特殊的自然資源，可被廣泛應(yīng)用于建筑、沉陷地填充及河堤建設(shè)等領(lǐng)域［7-11］，不僅可以減少礦產(chǎn)資源的使用，還可以緩解當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的壓力。

陶粒因輕質(zhì)、高強、多孔而具備優(yōu)良的使用性能，在建材、園藝、凈水等行業(yè)應(yīng)用廣泛［12-13］。傳統(tǒng)陶粒制備的基體材料多以黏土、頁巖礦物等為主。由于中國礦產(chǎn)資源日益減少以及固體廢棄物急劇增加［14-16］，目前對陶粒基體材料的研究逐漸集中在粉煤灰、礦物尾礦及建筑廢料等固體廢棄物上［17-21］。黃河沉沙池中的泥沙雖成分復(fù)雜，但是一種潛在的陶粒制備原料。另一方面，現(xiàn)今對陶粒制備工藝條件的研究主要集中在煅燒溫度及時間，考察因素比較單一［18-22］，對影響陶粒性能較大的預(yù)熱條件、升溫速率等因素的研究較少，且現(xiàn)有研究中工業(yè)廢棄物的利用率仍偏低。基于此，本研究以黃河流域沉沙池泥沙為主要原料，煤粉為造孔劑，系統(tǒng)研究了煤粉用量、煅燒溫度、煅燒時間、升溫速率、預(yù)熱條件等主要因素對所制備陶粒性能的影響規(guī)律，并得出了其優(yōu)化的制備工藝及機理。

1 實驗

1.1 原料

黃河泥沙取自于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟孿井灘沉沙池，其主要的理化性質(zhì)及成分分析如表1～3 所示。由表1可以看出，沉沙池泥沙粒徑較小，可直接用來制備陶粒。由表2 可以看出，其主要化學成分為SiO2和Al2O3，其成分和含量（質(zhì)量分數(shù)，下同）皆在Riley 三相區(qū)間（SiO2：40%～79%，Al2O3：10%～25%，助溶劑：13%～26%）。由表3可以看出，該泥沙主要礦物成分為石英，還含有一定量的白云母、方解石和鈉長石等礦物。煤粉來自寧夏回族自治區(qū)石嘴山市寧夏煤業(yè)有限責任公司洗選中心太西洗煤廠跳汰中煤，灰分為39.1%。表4為煤粉灰分的主要化學成分及含量分析結(jié)果，表5 為煤粉灰分的主要礦物成分及含量分析結(jié)果。由表4～5 可知，煤粉灰分的主要化學成分為SiO2和Al2O3，主要礦物為高嶺石和石英。

表1 泥沙粒度分析結(jié)果Table 1 Granularity analysis results of sediment

表2 泥沙的主要化學成分及含量分析結(jié)果Table 2 Main chemical components and content analysis results of sediment

表3 泥沙的主要礦物成分及含量分析結(jié)果Table 3 Main mineral composition and contentanalysis results of sediment

表4 煤粉灰分的主要化學成分及含量分析結(jié)果Table 4 Main chemical components and content analysis results of pulverized coal ash

表5 煤粉灰分的主要礦物成分及含量分析結(jié)果Table 5 Main mineral composition and content analysis results of pulverized coal ash

1.2 黃河泥沙陶粒的制備工藝

按照原料配比分別稱取相應(yīng)質(zhì)量的泥沙和煤粉，將原料混合均勻后加入30%的水攪拌，然后置于造粒機中造粒得到生料球，將生料球放入干燥箱中干燥至恒重，將干燥好的生料球放入電阻爐中，在一定的焙燒條件下煅燒，最終得到黃河泥沙陶粒。通過對工藝條件的控制，研究煤粉的用量、煅燒溫度、煅燒時間、升溫速率、預(yù)熱溫度、預(yù)熱時間對陶粒性能的影響規(guī)律，確定黃河泥沙陶粒的優(yōu)化制備工藝。

1.3 陶粒的性能測試

1.3.1 堆積密度

將量筒放在電子天平上，加入一定質(zhì)量的陶粒，使陶粒的上平面與量筒的刻度線在水平視線上保持一致，讀出陶粒的質(zhì)量與體積，陶粒的堆積密度計算公式為式（1）。

式中：ρ為陶粒的堆積密度，kg/m3；m為陶粒質(zhì)量，kg；V為陶粒體積，m3。

1.3.2 1 h吸水率

稱取一定質(zhì)量的陶粒于燒杯中，向燒杯中加入一定體積的水沒過陶粒，1 h后，取出陶粒，用潮濕的毛巾將陶粒表面水分擦干，再次稱量陶粒質(zhì)量，陶粒的1 h吸水率計算公式為式（2）。

式中：p為吸水率，%；m1為干燥陶粒質(zhì)量，g；m2為吸水陶粒質(zhì)量，g。

1.3.3 壓裂力

將單顆陶粒置于萬能試驗機上，以10 mm/min的速度施加壓力直至陶粒破裂，記錄傳感器所示的試驗力峰值，每組測試10 個陶粒，取平均值為該組陶粒的壓裂力值。

1.3.4 筒壓強度

將陶粒倒入高度為100 mm的承壓筒內(nèi)，敲擊承壓筒周圍數(shù)次使陶粒與筒口平齊，然后將承壓筒放在萬能試驗機正下方，以500 N/s 的速率勻速加載荷，當沖壓深度為20 mm時記下壓力值，陶粒的筒壓強度計算公式為式（3）。

式中：f為筒壓強度，MPa；P為壓入深度為20 mm 時的壓力值，N；A為沖壓面積，mm2。

1.4 陶粒的表征方法

采用SU8010 型掃描電子顯微鏡對陶粒樣品進行微觀形貌檢測，將陶粒破碎制樣后進行噴金導(dǎo)電處理，然后放入掃描電鏡儀器中對表面形貌進行拍攝得到陶粒SEM微觀形貌圖；采用D8 ADVANCE X射線衍射儀對陶粒樣品進行XRD 檢測，使用Jade 6.0 分析軟件對衍射數(shù)據(jù)分析整理得到陶粒的物相組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤粉用量對陶粒性能的影響

在預(yù)熱溫度為500 ℃、預(yù)熱時間為20 min、煅燒溫度為1 100 ℃、煅燒時間為30 min、升溫速率為20 ℃/min 煅燒條件下，探究煤粉用量對泥沙陶粒性能的影響規(guī)律，并對不同煤粉用量條件下制備的陶粒樣品的壓裂力、堆積密度、吸水率進行檢測結(jié)果見圖1。由圖1 可知，隨著煤粉用量的增加，陶粒的壓裂力先增加后減小，在煤粉用量為10%（質(zhì)量分數(shù)）時達到最大值；另一方面，隨著煤粉用量的增加，樣品堆積密度不斷減小，吸水率則不斷增加。這是由于煤粉在陶粒制備過程中燃燒放熱，煤粉用量的增加會提高實際煅燒溫度，使陶粒釉化率升高，造成壓裂力有所增大；同時陶粒內(nèi)部細小孔洞也逐漸增多，使得陶粒密度降低，而吸水率增加；當煤粉用量達到10%時，陶粒壓裂力最大，堆積密度較小，所以確定煤粉的優(yōu)化用量為10%。

圖1 煤粉用量對泥沙陶粒性能的影響Fig.1 Influence of the amount of pulverized coal on the performance of silt ceramsite

2.2 煅燒溫度對陶粒性能的影響

在煤粉用量為10%、預(yù)熱溫度為500 ℃、預(yù)熱時間為20 min、煅燒時間為30 min、升溫速率為20 ℃/min 煅燒條件下，研究煅燒溫度對泥沙陶粒性能的影響規(guī)律，并對不同煅燒溫度條件下制備的陶粒樣品的壓裂力、堆積密度、吸水率、物相組成及微觀形貌等進行檢測，檢測結(jié)果見圖2～4。

圖2 煅燒溫度對泥沙陶粒性能的影響Fig.2 Influence of calcination temperature on the performance of silt ceramsite

由圖2可知，隨著煅燒溫度的增加，泥沙陶粒的壓裂力和堆積密度逐漸增加，吸水率則逐漸減小。

由圖3a～3b可知，在溫度為1 000 ℃時陶粒由于焙燒不充分，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)相對松散，所以堆積密度和壓裂力相對不高；由圖3c～3f 可知，隨著溫度的升高，有越來越多的玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)形成，這是由于原料中的氧化硅和氧化鋁等成分在高溫條件下發(fā)生高溫固相反應(yīng)，增加了陶粒的致密度，使得泥沙陶粒的堆積密度和壓裂力增加，而吸水率有所降低。

圖3 不同煅燒溫度下制備的泥沙陶粒的SEM微觀形貌Fig.3 SEM microscopic morphology of silt ceramsite at different calcination temperature

由圖4 可知，當煅燒溫度為1 000 ℃時，原料中的方解石和云母等物相消失，而出現(xiàn)了輝石相；隨著煅燒溫度的不斷升高，陶粒中長石的特征峰強度則逐漸增強；當溫度為1 125 ℃時，陶粒表面孔洞較多且內(nèi)部孔洞周圍結(jié)構(gòu)較致密，此時陶粒壓裂力值較大，吸水率較??；而當溫度達到1 150 ℃時，陶粒樣品發(fā)生熔融黏連，難以測其性能。綜上所述，確定泥沙陶粒的優(yōu)化煅燒溫度為1 125 ℃。

圖4 不同煅燒溫度下制備的泥沙陶粒XRD譜圖Fig.4 XRD patterns of silt ceramsite prepared under different calcination temperature

2.3 煅燒時間對陶粒性能的影響

在煤粉用量為10%、預(yù)熱溫度為500 ℃、預(yù)熱時間為20 min、煅燒溫度為1 125 ℃、升溫速率為20 ℃/min 煅燒條件下，研究煅燒時間對泥沙陶粒性能的影響規(guī)律，并對不同煅燒時間條件下制備的陶粒樣品的壓裂力、堆積密度和吸水率進行檢測，結(jié)果見圖5。由圖5 可知，當煅燒時間較短時，陶粒未能充分焙燒；隨著煅燒時間的增加，礦相共融產(chǎn)生的玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)逐漸增多，導(dǎo)致陶粒致密化，從而使壓裂力和堆積密度增加，而吸水率減小；當煅燒時間大于30 min 時，陶粒發(fā)生過燒；在40 min 時，陶粒之間開始出現(xiàn)黏連現(xiàn)象，且隨著煅燒時間的增加，黏連現(xiàn)象逐漸嚴重，原因是煅燒時間過長，礦相共融產(chǎn)生的具有黏性的液相開始相互流動，填充了陶粒的孔隙，使陶粒相互黏連變形，導(dǎo)致壓裂力、堆積密度和吸水率均降低。當煅燒時間為30 min 時，陶粒壓裂力值最大且吸水率相對不高。綜合考慮能耗問題，確定泥沙陶粒的優(yōu)化煅燒時間為30 min。

圖5 煅燒時間對泥沙陶粒性能的影響Fig.5 Influence of calcination time on the performance of silt ceramsite

2.4 升溫速率對陶粒性能的影響

在煤粉用量為10%、預(yù)熱溫度為500 ℃、預(yù)熱時間為20 min、煅燒溫度為1 125 ℃、煅燒時間為30 min 煅燒條件下，研究升溫速率對泥沙陶粒性能的影響規(guī)律，并對不同升溫速率條件下制備的陶粒樣品的壓裂力、堆積密度和吸水率進行檢測，圖6為升溫速率對泥沙陶粒性能的影響規(guī)律。由圖6 可知，隨著升溫速率的增加，泥沙陶粒的壓裂力和堆積密度逐漸減小，而吸水率則逐漸增加。原因是當升溫速率較慢時，陶粒內(nèi)部高溫固相反應(yīng)生成玻璃相的速度較慢，不能及時包裹住原料中有機物和碳酸鹽礦物分解產(chǎn)生的氣體，導(dǎo)致陶?？紫遁^少，密度較高；隨著升溫速率的加快，越來越多的氣體被具有黏性的玻璃相包裹而形成孔洞，使得陶粒結(jié)構(gòu)相對松散，導(dǎo)致密度和壓裂力減小，吸水率增加。綜上所述，確定泥沙陶粒的優(yōu)化升溫速率為20 ℃/min。

圖6 升溫速率對泥沙陶粒性能的影響Fig.6 Influence of heating rate on the perfor-mance of silt ceramsite

2.5 預(yù)熱條件對陶粒性能的影響

在煤粉用量為10%、煅燒溫度為1 125 ℃、煅燒時間為30 min、升溫速率為20 ℃/min 煅燒條件下，探究預(yù)熱溫度和預(yù)熱時間對黃河泥沙陶粒性能的影響規(guī)律，并對不同預(yù)熱條件下制備的陶粒樣品的壓裂力、堆積密度和吸水率進行檢測。預(yù)熱的主要目的是使陶粒中的有機物、碳酸鹽礦物和水等物質(zhì)預(yù)先發(fā)生反應(yīng)，釋放出氣體，并通過調(diào)整生料球中的組分以防止燒結(jié)過程中各組分反應(yīng)劇烈而使陶粒炸裂。圖7 為預(yù)熱溫度對泥沙陶粒性能的影響規(guī)律；圖8為預(yù)熱時間對泥沙陶粒性能的影響規(guī)律。由圖7～8 可知，500 ℃時其吸水率與450 ℃時相差不大，壓裂力稍大，但堆積密度卻明顯增加，450 ℃時其性能已經(jīng)滿足需求，綜合考慮能耗問題，故選擇450 ℃為優(yōu)化預(yù)熱溫度。當預(yù)熱溫度為450 ℃時，所制備陶粒的綜合性能較好；預(yù)熱時間為40 min時，陶粒壓裂力值達到最大且吸水率最小。綜上所述，確定泥沙陶粒的優(yōu)化預(yù)熱溫度為450 ℃，預(yù)熱時間為40 min。

圖7 預(yù)熱溫度對泥沙陶粒性能的影響Fig.7 Influence of preheating temperature on the performance of silt ceramsite

圖8 預(yù)熱時間對泥沙陶粒性能的影響Fig.8 Influence of preheating time on the perfor-mance of silt ceramsite

2.6 優(yōu)化條件下制備的泥沙陶粒分析

圖9～10 分別為在優(yōu)化的煅燒條件下制備的泥沙陶粒的SEM微觀形貌及XRD譜圖。由圖9可知，陶粒表面有不規(guī)則的孔洞，內(nèi)部多孔且孔隙周圍結(jié)構(gòu)致密，原因是高溫下礦相反應(yīng)生成了玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致陶粒結(jié)構(gòu)相對致密，同時有機物和碳酸鹽礦物產(chǎn)生的大部分氣體被這些玻璃相包裹，無法逸出，從而使陶粒內(nèi)部多孔，而少量氣體逃逸至陶粒表面則使陶粒表面出現(xiàn)孔隙。由圖10可知，陶粒中主要礦物為石英和長石，輝石和菱鐵礦特征峰較小，原因是煅燒過程中方解石和云母等發(fā)生物相轉(zhuǎn)變，生成石英和長石族礦物。

在實驗室優(yōu)化條件下制備的泥沙陶粒屬國標900 密度級陶粒，將實驗室制備的泥沙陶粒與GB/T 17431.1—2010《輕集料及其試驗方法》要求的900密度級陶粒進行對比（表6）可知，實驗室制備的黃河泥沙陶粒的堆積密度、吸水率和筒壓強度均達到國家相關(guān)標準。

表6 實驗室優(yōu)化條件下制備的泥沙陶粒與國標900密度級陶粒相關(guān)要求對比Table 6 Comparison of silt ceramsite prepared under opti-mized laboratory condition and the relevant requirements of national standard 900 density ceramsite

3 結(jié)論

1）以黃河流域某沉沙池泥沙為主要原料，煤粉為造孔劑，在泥沙與煤粉的質(zhì)量比為9∶1、煅燒溫度為1 125 ℃、煅燒時間為30 min、升溫速率為20 ℃/min、預(yù)熱溫度為450 ℃、預(yù)熱時間為40 min條件下，制備出了性能良好的陶粒，其堆積密度、吸水率和筒壓強度均符合GB/T 17431.1—2010《輕集料及其試驗方法》的要求。本工作為黃河流域沉沙池泥沙資源化提供了一個可行途徑。2）所制備的黃河泥沙陶粒多孔且具有良好的強度，其制備原理是：高溫導(dǎo)致泥沙中云母、方解石等發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變，生成石英和長石族礦物，并發(fā)生共融生成玻璃相使得陶粒內(nèi)部孔隙周圍結(jié)構(gòu)致密；此外，煤粉和泥沙中的有機物和碳酸鹽等礦物生成的氣體被玻璃相包裹而形成孔洞。