不同膨脹劑在制備污泥、粉煤灰-頁巖高性能輕骨料中的作用

元敬順　杜繼軍　黃洪亮　趙　飛

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2.河北張家口市嘉強混凝土攪拌有限公司，河北 張家口 075000)

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不同膨脹劑在制備污泥、粉煤灰-頁巖高性能輕骨料中的作用

元敬順1杜繼軍2黃洪亮1趙飛1

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2.河北張家口市嘉強混凝土攪拌有限公司，河北 張家口 075000)

研究了不同膨脹劑對污泥、粉煤灰-頁巖輕骨料性能的影響，制備了高性能輕骨料.設計配方中選擇了三種膨脹劑，比較了不同膨脹劑的作用效果，分析了導致輕骨料膨脹率、顆粒強度變化的原因.結(jié)果表明：SiC有較強使輕骨料在焙燒時產(chǎn)生膨脹的作用；CaCO3在研究的條件范圍內(nèi)，不能有效的使輕骨料產(chǎn)生膨脹；SiC與CaCO3復合膨脹劑可以使輕骨料在焙燒時膨脹，膨脹率可達到58.28%，添加復合膨脹劑的輕骨料膨脹率普遍低于添加SiC.當污泥摻量為35%、粉煤灰摻量為19.5%、頁巖摻量為45.5%，添加復合膨脹劑的輕骨料在1160 ℃焙燒后，顆粒強度達到11.6 MPa，24 h吸水率小于1.0%，表觀密度為1 090 kg/m3，滿足輕質(zhì)高強低吸水高性能輕骨料的要求.

污泥；碳化硅；碳酸鈣；膨脹劑；高性能輕骨料

0　引　言

隨著經(jīng)濟的全面發(fā)展，輕骨料在高層建筑、公路橋墩、保溫隔熱等方面已廣泛使用，但目前主要應用于保溫和結(jié)構保溫領域，實際使用于結(jié)構領域的還很少，究其原因一是具有高性能的輕骨料較少，二是輕骨料性能穩(wěn)定性欠佳，三是人造輕骨料是經(jīng)燒制而成，配制的輕骨料混凝土成本較高，如果在性能上沒有優(yōu)勢，則其應用必定受到限制.而利用多種巖石、礦物及廢渣、廢液作添加劑制備輕骨料，取得了較好的技術經(jīng)濟效益[1]及社會效益.利用污泥制備輕骨料最早是由S.Nakouzi[2]提出的，是以城市污水處理廠污泥為主要原料，摻加適量粘結(jié)材料和助熔材料，經(jīng)過加工成球，燒結(jié)而成的輕骨料.利用污泥燒制輕骨料，是針對某些有選擇的污泥源，向建筑材料這個廣闊領域去尋找出路，污泥中除含有機物外，主要為硅鋁質(zhì)無機物，與建筑材料常用的粘土原料組分相近.輕骨料、磚瓦以及陶瓷等燒土制品制坯時通常需要混合料有一定含水率和塑性，可直接加入少量脫水污泥與主材料及膨脹劑混合，在回轉(zhuǎn)窯焙燒成輕骨料.

由于單獨的頁巖、粉煤灰或是污泥都不會使輕骨料發(fā)生明顯的膨脹，因此要加入膨脹劑，但若輕骨料膨脹過大，則輕骨料達不到高強的技術要求，文獻[3]利用SiC做膨脹劑制備了輕質(zhì)高強的輕骨料，但膨脹劑SiC成本較高；文獻[4]利用CaCO3做膨脹劑制備了污泥-海泥輕骨料，然而其吸水率較高，達不到輕質(zhì)高強低吸水的技術要求.為了得到輕質(zhì)高強、低吸水的輕骨料，筆者比較了SiC、CaCO3及SiC與CaCO3復合膨脹劑對污泥、粉煤灰-頁巖輕骨料性能的影響，嘗試在輕骨料生產(chǎn)實際過程中引入復合膨脹劑，探索一條既經(jīng)濟又能生產(chǎn)出高性能污泥、粉煤灰-頁巖輕骨料的產(chǎn)業(yè)化途徑.

1　試驗原料及配方設計

1.1原材料

1.1.1主材料

試驗原料主要是粉煤灰、頁巖和污泥，其中粉煤灰采用了張家口發(fā)電廠Ⅱ級粉煤灰；頁巖為河北張家口尚義縣境內(nèi)的紫色頁巖；污泥為張家口鴻澤污水處理廠處理的生活污泥，污泥的含水率在75%～80%之間，粉煤灰、頁巖、污泥化學組成見表1.粉煤灰和頁巖經(jīng)國家新標準方孔篩0.08 mm篩余過后細度為16%和4%.

表1　污泥、頁巖、粉煤灰的化學成分分析

1.1.2膨脹劑

(1)碳化硅

SiC含量為≥90%，外觀為黑色粉末，細度為200目，原唐山碳化硅廠產(chǎn)品.

(2)碳酸鈣

CaCO3含量≥99.0%，市售白色粉末，廠商為天津市風船化學試劑科技有限公司.

1.2配比設計

表2　污泥、粉煤灰-頁巖輕骨料原料配方

設計思路：在配方中，首先考慮膨脹劑品種.選擇碳酸鈣膨脹劑是考慮到在高溫時擬有CO2氣體生成、而九零型碳化硅在高溫時與Fe2O3反應后有CO氣體生成.復合添加劑是為了研究兩種膨脹劑復合的效果.配方編號將添加添加九零型碳化硅系列記為S系列、碳酸鈣的系列記為C系列、復合膨脹劑系列記為F系列，具體材料配方見表2.

筆者采用四種濕污泥直接與主體粉料(污泥+粉煤灰)拌合，制成生料球后經(jīng)一定溫度焙燒，制備輕骨料.設計的配方見表2.

2　輕骨料制備與性能測試

2.1輕骨料制備

(1)原料的混合.

將原料按照各配方用電子天平準確稱量后在水泥凈漿攪拌機中充分攪拌，將攪拌后的混合料用濕潤的毛巾蓋好，放置30 min.

(2)成球.

將放置好的混合料用制丸機成型，在自然環(huán)境下干燥，備燒.

(3)輕骨料焙燒過程.

成型的輕骨料先經(jīng)自然干燥1天，以免在入爐燒制過程中因水分過多而開裂.輕骨料經(jīng)自然干燥之后，放到1 600 ℃快速升溫節(jié)能箱式電爐SSJ-IIE中進行燒結(jié).預熱階段的升溫范圍是0 ℃～200 ℃，控制電阻爐的升溫速率為20 ℃/min；第一升溫階段的升溫范圍是200 ℃～600 ℃，控制電阻爐的升溫速率為10 ℃/min，使爐內(nèi)溫度在40 min內(nèi)由200 ℃升高到600 ℃.第二升溫階段的升溫范圍是600 ℃～預設溫度(本實驗為1 160 ℃和1 170 ℃)，使爐內(nèi)溫度在40 min內(nèi)由600 ℃升高到預設溫度.在預設溫度下恒溫10 min.在恒溫后自然降溫到200 ℃，從爐中取出自然降至室溫，以備后續(xù)性能測試使用.

2.2輕骨料性能測試

2.2.1輕骨料膨脹率的測定方法

膨脹率是指輕骨料燒結(jié)后，體積的增加量與輕骨料燒結(jié)前的體積之比，以百分率表示.采用人工測量的方法：將燒結(jié)好并冷卻到室溫的各組輕骨料挑選形狀較規(guī)則、大小較均勻的10個輕骨料，用游標卡尺測出每個粒徑d 1、d 2、d 3、d 4、d 5、d 6、d 7、d 8、d 9、d 10，取其平均值作為平均粒徑D(單位cm，精確到0.001 cm)，最后公式計算膨脹率(精確到0.01%).

2.2.2輕骨料吸水率和表觀密度的測定方法

輕骨料吸水率依據(jù)GB/T17431.2-2010《輕集料及其試驗方法 第二部分：輕集料試驗方法》進行了1 h和24 h吸水率和表觀密度測定.

2.2.3強度的測定方法

輕骨料的強度采用顆粒壓碎強度表征.本實驗采用電動石灰土無側(cè)限壓力試驗儀測定輕骨料在側(cè)向不受限制的條件下所受到的軸向壓力至輕骨料破損時所受的力，以求得輕骨料的無側(cè)限抗壓強度.

(1)實驗步驟

取一粒測膨脹率后已知直徑Mn2的輕骨料，將輕骨料表面與上下承壓板面擦干凈，將輕骨料安放在試驗機的墊板上，輕骨料的中心應與試驗機上下承壓板中心對準；調(diào)測力計百分表讀數(shù)為零點；開動試驗機，在試驗過程中應連續(xù)均勻地加荷，由電動機以每分鐘12轉(zhuǎn)供驅(qū)給力部分.此時，升降板以每分鐘2 mm的速度上升；當百分表達到峰值時，立即讀出百分表讀數(shù)R，并記錄；再次開動試驗機，使手輪反轉(zhuǎn)，升降板以每分鐘2 mm的速度下降.取剩余九粒輕骨料重復以上步驟.按公式(1)(2)計算顆粒強度.

(1)

(2)

式中σ——軸向壓力(KPa)；

C——測力計校正系數(shù)，取39.71；

R——百分表讀數(shù)(0.01 mm)；

As——校正后試件的斷面積(cm2)；

Mn——n號輕骨料焙燒后的平均直徑(mm).

3　試驗結(jié)果與分析

為了研究膨脹劑對輕骨料性能的影響，筆者試驗通過固定主材料的比例不變，外加不同膨脹劑的方案，制備了輕骨料，測試了輕骨料的性能，性能測試結(jié)果見表3.

表3　不同膨脹劑制備的輕骨料的性能

3.1膨脹劑對輕骨料膨脹率及表觀密度的影響

將表3的數(shù)值縱向進行比較可知，含有SiC膨脹劑均能使輕骨料產(chǎn)生膨脹.SiC作為膨脹劑的輕骨料膨脹率大于復合膨脹劑的輕骨料膨脹率，CaCO3作為膨脹劑的輕骨料(C系列)不能產(chǎn)生膨脹.含有SiC作為膨脹劑，可以使輕骨料產(chǎn)生膨脹，而CaCO3作為膨脹劑不但不能使輕骨料產(chǎn)生膨脹，反而因燒結(jié)和污泥燒失的雙重作用，使輕骨料更加致密化，輕骨料有所收縮.

各系列順序號之間的差別主要是因為化學成分不同，由表4可見，膨脹率S系列與F系列中編號3中SiO2和Al2O3含量較低，助熔成分較高，這種比例在高溫下液相易生成，且液相粘度低，此時釋放的氣體使輕骨料形成膨脹，因此編號為3的輕骨料，膨脹率普遍較高.順序為4中SiO2和Al2O3含量最低，助熔成分含量同順序3，但膨脹率普遍較小，這主要與Fe2O3含量有關，由文獻[5]可知在高溫時與Fe2O3反應后有CO氣體生成，編號4的Fe2O3含量最低，高溫反應時產(chǎn)生的發(fā)氣量不足，因此膨脹率較低.順序1、2的膨脹率較順序3低的原因與SiO2和Al2O3含量較高有關；而順序2的膨脹率低于1的原因也與Fe2O3含量低于1，發(fā)氣量較少有關.

輕骨料的顆粒表觀密度變化隨膨脹率的變化而變化，膨脹率大時，顆粒表觀密度小.添加SiC膨脹劑的輕骨料(S系列)整體值小于復合膨脹劑(F系列)的.CaCO3作為膨脹劑的輕骨料表觀密度大，達不到輕質(zhì)的要求.

表4　不同順序號主體材料化學成分

3.2膨脹劑對輕骨料吸水率的影響

由表3可知，無論添加哪種膨脹劑，輕骨料的吸水率都較小，最大僅為3.08%.經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，吸水率的大小主要受焙燒溫度的影響，隨著焙燒溫度的提高，輕骨料的玻璃體增加，表面孔隙被封住，因此吸水率減小.摻入復合膨脹劑的有膨脹的輕骨料吸水率小于1%，且普遍小于摻入SiC的.

3.3膨脹劑對輕骨料顆粒強度的影響

將表3的數(shù)值縱向進行比較可知，SiC作為膨脹劑的輕骨料強度小于復合膨脹劑的輕骨料強度.CaCO3作為膨脹劑的輕骨料強度最大，但CaCO3作為膨脹劑不能使輕骨料產(chǎn)生膨脹，沒有“輕質(zhì)”的特點.輕骨料的強度與膨脹率的大小相關，由表3可知，膨脹率大，強度低.原料的化學組成決定了輕骨料的膨脹性能，也決定了輕骨料的強度.生產(chǎn)高強輕骨料的原料，要求具有較高的Al2O3，由表4知，順序為1的Al2O3含量高，但由于Fe2O3含量也高，膨脹率高，因此順序號為2強度高普遍比1高.焙燒溫度1 160 ℃，顆粒強度最高的(不考慮負膨脹)為F1，顆粒強度達到11.5 MPa；焙燒溫度1 170 ℃，顆粒強度最高的為F2，顆粒強度達到9.4 MP.

根據(jù)表4推算S系列和F系列的比強度值列于表5.由表5可知，1 160 ℃的F1輕骨料，比強度值最高，由表4知，對應的24 h吸水率僅為0.61%，滿足輕質(zhì)高強低吸水的要求.

表5　S系列和F系列的比強度值(MPa/(kg/m3)

4　結(jié)　論

(1)添加復合膨脹劑膨脹劑的輕骨料的膨脹率整體值小于SiC的.研究中選擇的CaCO3不能有效的使輕骨料膨脹.

(2)膨脹率的大小不僅與SiO2和Al2O3和助熔成分的含量有關，也與Fe2O3的含量有關.助熔成分較高時，在高溫下液相易生成，且液相粘度低，但Fe2O3含量低的，釋放的氣體量不足，不能使輕骨料形成膨脹.系列順序號為3的膨脹率較大.

(3)輕骨料的強度不僅與原料中Al2O3有關，也與膨脹率的大小相關，系列順序號1與2的Al2O3含量接近，但順序2的膨脹率較小，顆粒強度普遍比順序1的高.

(4)當污泥摻量為35%、粉煤灰摻量為19.5%、頁巖摻量為45.5%，添加復合膨脹劑的輕骨料在1 160 ℃焙燒后，其顆粒強度達到11.6 MPa，24 h吸水率為0.61%，表觀密度為1 090 kg/m3，比強度為0.010 6 MPa/(kg/m3)，滿足輕質(zhì)高強低吸水的要求.

[1]楊時元,楊芳潔.輕骨料原料淺析(二)[J].磚瓦世界,2010,No.60(07):45～54

[2]羅暉.污水污泥頁巖建筑材料制備與性能研究[D].重慶大學.2010

[3]元敬順，李鐵華，張會芳.粉煤灰對粉煤灰—污泥輕骨料性能的影響[J].河北建筑工程學院學報，2016,01

[4]劉洋洋,夏霆,王世祥.城市污水廠污泥與海泥制備輕骨料的試驗研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2016,v.42(03):18～21

[5]閆振甲,何艷君.輕骨料生產(chǎn)實用技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006:1～264

Effects of Different Swelling Agents on Sludge and Fly Ash-shale High-performance Lightweight Aggregates Preparation

YUAN Jing-shun1,DU Ji-jun2，HUANG Hong-liang1,ZHAO Fei1

(1.Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075000,China;2.Zhangjiakou Jiaqiang Concrete Mixing Co.,Ltd,Zhangjiakou 075000,China)

To investigate the effects of different swelling agents on the performance of sludge and fly ash-shale lightweight aggregates,and to prepare high-performance lightweight aggregates,in formula design,3 kinds of swelling agents were selected and their effects were compared,and causes of the changes in swelling ratio and particle strength of lightweight aggregates were analyzed.Results showed that SiC had a strong swelling effect on lightweight aggregates during calcinations;CaCO3was ineffective to produce swelling in light aggregates under the conditions of this study;SiC and CaCO3compound swelling agent could produce swelling in lightweight aggregates during calcinations,with swelling ratio reaching up to 58.28%.In addition,the swelling ratio of lightweight aggregates added with compound swelling agents was generally lower than that added with SiC.Moreover,with a sludge content of 35%,a fly-ash content of 19.5% and a shale content of 45.5%,particle strength reached 11.6 MPa,24 h water absorption rate was less than 1.0%,and apparent density was 1,090 kg/m3in the lightweight aggregates added with compound swelling agents after calcinations at 1,160 ℃,which all met the requirements of high-strength,low-water absorption and high-performance lightweight aggregates.

sludge;silicon carbide;calcium carbonate;compound swelling agent;high-performance light-weight aggregate

2015-12-20

河北省科技廳重點基礎研究項目，項目編號14963807D；河北省建設廳建設科技研究指導性計劃項目，項目編號：2014-222

元敬順(1957-)，女，碩士，教授.主要從事建筑材料方面的研究.

TU 528．041

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