工程渣土高強度免燒陶粒的制備與性能

李大山，樊傳剛，葛雪祥，章 敏，尤振楓，吳人杰，牛茂祥，朱澤天

(1.杭州余杭水務(wù)控股集團有限公司，浙江杭州 311100；2.安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院，安徽馬鞍山243032)

陶粒是一種人造輕集料，具有密度小、強度高、孔隙率大、導熱系數(shù)低且吸附性強等特性，廣泛用于建筑保溫、坑基填筑、水處理、園藝等領(lǐng)域[1-3]。目前，人造陶粒主要以頁巖、黏土等天然礦物或污泥、粉煤灰等工業(yè)廢渣為主要原料，摻加少量粘結(jié)劑、造孔劑等經(jīng)高溫燒脹法制備而成[4-5]。燒結(jié)陶粒因具有較高的強度和優(yōu)異的孔結(jié)構(gòu)，且能資源化利用固體廢棄物和低品位原料而具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，在節(jié)能減排的時代背景下，高溫燒制不僅阻礙陶粒的綠色低碳化發(fā)展，且顯著增加產(chǎn)品的制備能耗。

工程渣土是城市建筑垃圾的主要組成部分。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，地鐵建設(shè)、隧道建設(shè)、地下管網(wǎng)建設(shè)等地下空間開挖工程日益增多，導致渣土產(chǎn)出量急劇增加[6]。建筑拆除產(chǎn)生的廢棄磚石等建筑垃圾因顆粒強度良好，已作為再生混凝土集料或塘渣回填料用于工程建設(shè)[7]。然而，地下工程開挖產(chǎn)生的廢棄工程渣土因顆粒細小、強度低、含水率高，大多以露天堆放和填埋等方式處理[8]。這不僅占用土地資源，且污染環(huán)境。同時，工程渣土的外運效率已成為制約我國大城市工程建設(shè)周期的重要因素。因此，工程渣土的再生資源化成為城市可持續(xù)發(fā)展的必然要求。胡凱等[9]以寧波工程渣土為原料，在1 260 ℃燒制出表觀密度為1.23 g/cm3的輕質(zhì)陶粒，盡管制得的陶粒強度優(yōu)異，但較高的燒成能耗制約了渣土陶粒的推廣；唐紹春等[10]采用普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，實現(xiàn)了建筑淤泥免燒陶粒的制備，然而水泥摻量高達40%，制備成本較高。文中以杭州市余杭區(qū)工程渣土為主要原料，采用新型土壤固化劑為膠凝材料，研究渣土組成、固化劑用量及養(yǎng)護方式對渣土免燒陶粒性能的影響，探討利用工程渣土制備低成本綠色免燒陶粒的可行性，以期為工程渣土資源化利用提出可行方案。

1 試驗原料與方法

1.1 原料

工程渣土取自杭州市臨平自來水廠一期工程，按土質(zhì)可分為2種，即表層0～1.5 m的黃色黏質(zhì)土和1.5 m 以下的灰黑色砂質(zhì)土。采用液塑限聯(lián)合測試儀測試渣土的液限與塑限含水率，結(jié)果如表1。采用馬爾文激光粒度儀(Malvern Mastersizer 2000)分析渣土的粒度分布，結(jié)果如圖1。

表1 2種土樣的塑性指數(shù)Tab.1 Plasticity index of two soil samples

圖1 2種渣土的粒度分布Fig.1 Particle size distribution of two kinds of muck

由表1 可見：黏質(zhì)土的塑性指數(shù)為14.52，屬于粉質(zhì)黏土類；砂質(zhì)土塑性指數(shù)為6.79(＜10)，屬于粉土類。由圖1可見：黏質(zhì)土的中值粒徑D50僅為27.54 μm，砂質(zhì)土D50為44.40 μm，且黏質(zhì)土D50＜10 μm的顆粒質(zhì)量分數(shù)占22.4%，遠高于砂土(7.2%)。黏質(zhì)土具有比砂質(zhì)土更寬的粒度分布范圍、更小的粒徑，這也是其可塑性較高的原因之一[11]。試驗用的膠凝材料為融工博大環(huán)保技術(shù)材料研究院開發(fā)的新型土壤固化劑，為灰白色粉體，主要由硅酸鹽水泥、礦渣微粉和激發(fā)劑組成，其與固化劑的主要化學組成見表2。由表2可見：2種渣土的化學組成相近，SiO2質(zhì)量分數(shù)均超過70%，但黏質(zhì)土中Al2O3含量更高。

表2 原料的主要化學組成Tab.2 Main chemical composition of raw materials

1.2 陶粒的制備

采用“輥壓+盤式”的造粒方式，以土壤固化劑膠結(jié)工程渣土制備免燒陶粒，制備工藝流程如圖2。將2 種工程渣土破碎、除雜，并干燥至含水率＜2%。稱量一定質(zhì)量的砂質(zhì)土、黏質(zhì)土和土壤固化劑，采用強制式攪拌機將黏質(zhì)土、砂質(zhì)土及由質(zhì)量比為1∶1的黏質(zhì)土和砂質(zhì)土混合而成的復合渣土(簡稱復合渣土)分別與固化劑混合成粒度小于1 mm的均勻粉料。將粉料各分成2 份，一份加水攪拌制成含水率為10%的半干粉料，并立即以輥壓造粒機制成直徑8 mm、厚5 mm的橢球形初坯顆粒。利用盤式造粒機將另一份粉料與初坯顆粒包裹，制備出粒徑8～20 mm的球形陶粒。將成型的陶粒坯體置于恒溫恒濕養(yǎng)護箱內(nèi)，經(jīng)20 ℃養(yǎng)護7～28 d和60 ℃養(yǎng)護3～14 d，制得免燒陶粒試樣。

圖2 渣土免燒陶粒的制備工藝Fig.2 Preparation process of waste soil non-sintered ceramsite

1.3 陶粒的性能表征

根據(jù)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》[12]，采用阿基米德排水法測試陶粒試樣的表觀密度，并以試樣浸水1 h后的吸水量評價陶粒試樣的吸水率；采用5 L容量筒測試陶粒試樣的堆積密度；采用液壓式混凝土壓力機測試陶粒試樣的筒壓強度，將測試后的陶粒試樣以8 mm方孔篩篩分，以篩下陶粒的質(zhì)量分數(shù)作為試樣的壓縮破碎率。將干燥至恒重的陶粒試樣浸水12 h、攪拌5 min 后，采用孔徑為75 μm的標準方孔篩濾去細顆粒，干燥后計算質(zhì)量損失，用以表征陶粒試樣的含泥量。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Hitachi Regulus 8100)分析免燒陶粒的微觀結(jié)構(gòu)，并使用X 射線衍射儀(X ray diffractometer,XRD，D8 Advance)分析渣土及陶粒的礦物組成。

2 結(jié)果與分析

2.1 渣土組成對陶粒性能的影響

土壤固化劑摻量14%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，60 ℃養(yǎng)護7 d制得3種免燒陶粒的物理力學性能如表3。

表3 3種渣土為原料制備免燒陶粒的物理力學性能Tab.3 Physical and mechanical properties of non-sintered ceramsites prepared from three kinds of waste soil

由表3 可見：3 種陶粒的堆積密度為1 000～1 100 kg/m3，表觀密度為1 670～1 740 kg/m3；以黏質(zhì)土制得陶粒的堆積密度與表觀密度最低，分別為1 012，1 679 kg/m3；以砂質(zhì)土制得陶粒的堆積密度與表觀密度最高，分別達1 064，1 739 kg/m3。這是因為黏質(zhì)土粒徑較小、黏聚性高，可迅速團聚成疏松多孔的顆粒結(jié)構(gòu)；砂質(zhì)土粒徑較大、顆粒致密，成型后顆粒密度更高，表觀密度也更高[13]。此外，陶粒的吸水率與表觀密度正相關(guān)。以黏質(zhì)土制得的陶粒因具有疏松多孔結(jié)構(gòu)而吸水率最高(15.41%)；以砂質(zhì)土制得的陶粒因砂質(zhì)土密度最大而吸水率最小，僅14.02%。較高的吸水率有利于陶粒發(fā)揮吸附過濾作用，但其作為混凝土輕集料使用時，易導致混凝土需水量增大，工作性能不佳。

由表3 還可看出，在固化劑摻量14%的條件下，3 種免燒陶粒的筒壓強度差異顯著。以砂質(zhì)土制得陶粒的筒壓強度最低，僅5.05 MPa；以復合渣土制得陶粒的筒壓強度最高，達7.97 MPa。陶粒的筒壓強度體現(xiàn)固化劑膠結(jié)土壤顆粒的能力，含泥量則體現(xiàn)陶粒表面土壤顆粒的黏附效果。盡管黏質(zhì)土具有較高的黏聚性，但在水中浸泡12 h 后，其表面未被充分膠結(jié)的細顆粒重新融入水中，導致陶粒含泥量達1.92%，比以砂質(zhì)土制得陶粒的含泥量(1.05%)高出近1 倍；使用復合渣土制得陶粒的含泥量最低，僅0.82%，表明混合砂土與固化劑相互反應(yīng)，在顆粒表面形成了致密的結(jié)構(gòu)層。

上述分析表明，以質(zhì)量比為1∶1的黏質(zhì)土與砂質(zhì)土混合而成的復合渣土有利于高強度免燒陶粒的制備。一方面是由于黏質(zhì)土的顆粒細，可填充在砂質(zhì)土顆粒間隙，并與固化劑的水化產(chǎn)物膠結(jié)形成致密的整體；另一方面，砂質(zhì)土中含有較多的SiO2，可與土壤固化劑反應(yīng)形成更多的水化膠黏體。單獨使用砂質(zhì)土制備陶粒，其可塑性低，不利于顆粒團聚形成致密的基體。

2.2 固化劑用量對陶粒性能的影響

為得到復合渣土免燒陶粒的最佳固化劑用量，分析固化劑摻量為8%～16%時60 ℃養(yǎng)護7 d免燒陶粒的物理性能，結(jié)果如圖3～5。由圖3 可見，固化劑摻量為8%～16%時，免燒陶粒堆積密度波動于1 040～1 080 kg/m3，表觀密度維持在1 750～1 780 kg/m3范圍，陶粒的堆積密度與表觀密度并未受固化劑摻量的影響。

圖3 固化劑摻量對陶粒堆積密度與表觀密度的影響Fig.3 Effect of curing agent dosage on the bulk density and apparent density of ceramsite

盡管固化劑摻量并未影響陶粒的密度，但對強度的影響顯著。如圖4所示，當固化劑摻量由8%增至16%時，60 ℃養(yǎng)護7 d 免燒陶粒的筒壓強度由4.02 MPa 增至8.62 MPa，壓縮后試樣的破碎率由51.02%降至34.97%。其中：摻入14%固化劑時免燒陶粒的筒壓強度約8.05 MPa，壓縮破碎率為40.39%，達到高強陶粒的強度指標；摻入10%固化劑時，免燒陶粒的筒壓強度僅4.02 MPa，壓縮破碎率超過50%。由此可見，固化劑摻量是影響免燒陶粒強度的主要因素。在免燒陶粒養(yǎng)護階段，土壤固化劑內(nèi)部的部分熟料礦物不斷水化，產(chǎn)生C S H 及鈣礬石等凝膠狀與針狀水化礦物。一方面，水化產(chǎn)物填充于渣土顆粒的堆積空隙，將渣土顆粒交聯(lián)固結(jié)在一起，并提升渣土顆粒的致密性；另一方面，土壤固化劑中的硫酸鹽礦物與渣土中的活性SiO2微粒反應(yīng)，促使其生成水化膠凝產(chǎn)物，將土壤微粒聚結(jié)成整體。

圖4 固化劑摻量對陶粒筒壓強度與壓縮破碎率的影響Fig.4 Effect of curing agent dosage on the cylindercompressive strength and compression crushing rate of ceramsite

在土壤固化劑水化產(chǎn)物膠黏與填隙作用下，免燒陶粒形成致密的整體。由圖5可見，隨著固化劑摻量的增加，免燒陶粒的吸水率與含泥量均呈逐漸降低的趨勢。其中，固化劑摻量8%的免燒陶粒試樣，吸水率高達19.56%，且試樣浸泡12 h 后的含泥量高達5.16%，高于混凝土用輕集料含泥量＜3%的指標要求[12]。然而，當固化劑摻量增加到10%，免燒陶粒的含泥量降至2.05%，吸水率降至16.22%；在固化劑摻量增至16%時，陶粒的吸水率低于15%，且含泥量僅0.66%。表明采用土壤固化劑膠結(jié)渣土制得的免燒陶粒不僅具有較高的致密度，且水穩(wěn)性優(yōu)異。

圖5 固化劑摻量對陶粒吸水率的影響Fig.5 Effect of curing agent dosage on the water absorption of ceramsite

綜合成本考慮，制備免燒陶時固化劑摻量宜為14%，故下文分析中固化劑摻量均為14%。

2.3 養(yǎng)護方式對陶粒性能的影響

固化劑通過自身水化礦物與渣土中的活性鋁硅礦物發(fā)生系列化學反應(yīng)，生成大量具有強膠結(jié)性、微膨脹的絮狀凝膠礦物，促使渣土顆粒間的黏結(jié)硬化。然而，這一反應(yīng)過程受溫度的影響顯著。研究表明，養(yǎng)護溫度是決定固化劑反應(yīng)速率的重要因素，也由此影響材料的養(yǎng)護時間[14-15]。因此，進一步研究不同養(yǎng)護溫度下，復合渣土免燒陶粒性能隨養(yǎng)護時間的變化規(guī)律。圖6 為常溫養(yǎng)護(20 ℃)與蒸氣熱養(yǎng)護(60 ℃)條件下，固化劑摻量14%時不同養(yǎng)護齡期復合渣土陶粒的筒壓強度與壓縮破碎率。

圖6 養(yǎng)護方式對陶粒筒壓強度與壓縮破碎率的影響Fig.6 Influence of curing method on the cylinder compressive strength and compression crushing rate of ceramsite

由圖6可見，免燒陶粒經(jīng)不同溫度養(yǎng)護時，筒壓強度均隨養(yǎng)護時間的延長而逐漸增強，但增幅并不相同。20 ℃養(yǎng)護7 d 試樣的筒壓強度達5.90 MPa，但壓縮破碎率接近50%；隨著養(yǎng)護時間的延長，筒壓強度不斷增強，養(yǎng)護至21 d 的免燒陶粒筒壓強度達到7.80 MPa；繼續(xù)養(yǎng)護至28 d 時，筒壓強度基本保持不變，為7.88 MPa，但壓縮破碎率降至31.36%。由此可看出，20 ℃的養(yǎng)護21 d后，復合渣土免燒陶粒的強度即接近最大值。

相比養(yǎng)護時間，養(yǎng)護溫度對筒壓強度的影響顯著。由圖6(b)可見：在60 ℃養(yǎng)護時，試樣3 d的筒壓強度達到6.40 MPa，超過常溫養(yǎng)護14 d 的強度，且試樣的壓縮破碎率僅40.39%，與常溫養(yǎng)護14 d 接近；繼續(xù)養(yǎng)護至7 d，試樣抗壓強度為7.95 MPa，達到常溫養(yǎng)護28 d 的筒壓強度；繼續(xù)養(yǎng)護至14 d，試樣的強度依然保持小幅增長，至8.61 MPa。由此可見，60 ℃養(yǎng)護7 d 的陶粒獲得的強度接近最大值，提高養(yǎng)護溫度可顯著縮短試樣的養(yǎng)護時間，對早期強度發(fā)展有利。

圖7為固化劑摻量為14%時，養(yǎng)護方式對復合渣土免燒陶粒吸水率與含泥量的影響。

圖7 養(yǎng)護方式對陶粒吸水率與含泥量的影響Fig.7 Effect of curing method on the water absorption and mud content of ceramsite

由圖7 可見，2 種養(yǎng)護溫度下，免燒陶粒的吸水率均隨養(yǎng)護時間的延長而逐漸降低。其中：20 ℃養(yǎng)護21 d免燒陶粒的吸水率低于15%，而60 ℃僅養(yǎng)護7 d免燒陶粒的吸水率就可降至15%以下；隨著養(yǎng)護時間的延長，20 ℃常溫養(yǎng)護28 d免燒陶粒的吸水率可降至13.08%。

由圖7還可見：20 ℃養(yǎng)護14 d免燒陶粒的含泥量降至1%左右，并在養(yǎng)護28 d后穩(wěn)定在0.90%以下，顯示出優(yōu)異的耐水性能；常溫養(yǎng)護7 d時，陶粒表面的渣土顆粒未被充分固化，試樣在水中浸泡12 h后含泥量高達1.96%；相反，60 ℃熱養(yǎng)護3 d的免燒陶粒含泥量即降低至1.02%，此后隨養(yǎng)護齡期的延長，陶粒的含泥量降至約0.7%并保持穩(wěn)定。由此說明，常溫養(yǎng)護21 d 或60 ℃養(yǎng)護7 d，陶粒的吸水率與含泥量均降至較低水平，均可滿足建材中的使用要求。

水化產(chǎn)物在渣土顆粒間的堆積填充是免燒陶粒吸水率降低的主要原因。圖8 為固化劑摻量為14%時，60 ℃養(yǎng)護7 d復合渣土免燒陶粒的微觀形貌。由圖8(a)可見：免燒陶粒60 ℃養(yǎng)護7 d產(chǎn)生豐富的水化產(chǎn)物，并填充在土壤顆粒之間，一方面，減小了顆粒之間的堆積空隙，降低了毛細孔含量，可降低試樣的吸水率；另一方面，絮凝狀的C S H 凝膠體將渣土顆粒膠黏形成致密整體，提升了試樣的整體強度。然而，土壤固化劑并非僅通過自身礦物水化形成膠凝性水化產(chǎn)物。由圖8(b)可見，在渣土顆粒表面也形成了大量絮凝狀的水化產(chǎn)物。表明土壤顆粒中的活性Si，Al組分在土壤固化劑中堿性激發(fā)劑的作用下，經(jīng)溶解-重組形成了新的水化膠黏產(chǎn)物，這些膠黏產(chǎn)物附著在渣土顆粒表面，形成黏附層，可有效降低免燒陶粒的含泥量。

圖8 60 ℃養(yǎng)護7 d免燒陶粒的微觀形貌Fig.8 Microstructure of non-sintered ceramsite after curing at 60 ℃for 7 d

圖9 為固化劑摻量為14%時，復合渣土及其在2 種養(yǎng)護溫度下制得免燒陶粒的XRD 衍射圖譜。由圖9 可見：復合渣土以石英(SiO2)為主要礦物，同時包含少量的斜長石((Na，Ca)Al(Si，Al)3O8)及白云石(CaMg(CO3)2)；使用土壤固化劑膠結(jié)復合渣土制得的免燒陶粒主要礦物與復合渣土相似，但石英相與長石相衍射峰強度明顯減弱，且衍射背底顯示的無定型彌散峰強度增強。表明渣土中的石英相與土壤固化劑發(fā)生水化反應(yīng)，生成無定型非晶結(jié)構(gòu)的水化產(chǎn)物。相比于20 ℃常溫養(yǎng)護的免燒陶粒，60 ℃養(yǎng)護的免燒陶粒中無定型相衍射峰更顯著，且SiO2衍射峰強度更低。進一步表明，高溫養(yǎng)護有利于渣土中活性SiO2與固化劑反應(yīng)形成新的膠凝產(chǎn)物。

圖9 渣土與免燒陶粒的XRD衍射圖譜Fig.9 XRD patterns of waste soil and non-sintered ceramsite

3 結(jié)論

以土壤固化劑膠結(jié)工程渣土制備渣土免燒陶粒，研究渣土組成、固化劑摻量及養(yǎng)護方式對免燒陶粒物理性能的影響，得出如下主要結(jié)論：

1)渣土組成對陶粒性能的影響顯著，黏質(zhì)土免燒陶粒的表觀密度和堆積密度較低、筒壓強度較高，但吸水率與含泥量較高。相反，砂質(zhì)土免燒陶粒的吸水率和含泥量較低，且表觀密度和堆積密度較高，但筒壓強度僅5.05 MPa。使用砂質(zhì)土與黏質(zhì)土組成的復合渣土原料有利于制備高強度的免燒陶粒。

2)固化劑摻量對免燒陶粒的堆積密度與表觀密度無顯著影響，但顯著影響其筒壓強度與含泥量。固化劑摻量為16%時，60 ℃養(yǎng)護7 d 復合渣土免燒陶粒的筒壓強度達8.62 MPa，壓縮破碎率僅34.97%，含泥量僅0.66%；同種條件下，固化劑摻量為14%時，陶粒筒壓強度為8.05 MPa，達到高強陶粒的指標。綜合成本考慮，制備免燒陶粒時固化劑摻量宜為14%；固化劑水化產(chǎn)物的膠黏與填隙作用是渣土顆粒形成致密整體的主要原因。

3)提高養(yǎng)護溫度可加快增強免燒陶粒的強度，固化劑摻量為14%時，20 ℃養(yǎng)護至21 d 復合渣土免燒陶粒的筒壓強度達7.80 MPa、吸水率降至15%以內(nèi)、含泥量低于1%；2 種養(yǎng)護方式下，復合渣免燒陶粒的物理性能均滿足建材使用要求。