花崗巖尾泥與渣土制備輕質(zhì)陶粒的研究

權(quán)宗剛，陳媛媛，劉蓉，趙寧，王東利，陳曉鵬，全萍

（1.西安墻體材料研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西西安 710061；2.深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣東深圳 518055；3.中鐵九局集團(tuán)第三建設(shè)有限公司，廣東佛山 528200）

0 前 言

以花崗巖尾泥為代表的石礦尾泥的資源化利用，是目前行業(yè)研究的重點(diǎn)之一?；◢弾r尾泥是花崗巖經(jīng)選礦、鋸切、沖洗排放的泥狀廢棄物，是固體廢棄物的主要組成部分，而大量尾泥未得到有效利用?；◢弾r尾泥主要成分是石英，且富堿，干燥后粉體松散，無法直接作為農(nóng)耕土壤或建筑用料，這不僅直接造成尾泥的堆積問題，還存在污染耕地、揚(yáng)塵等嚴(yán)重的環(huán)保問題，推動(dòng)花崗巖尾泥的資源化利用迫在眉睫。

目前，石礦尾泥的主要利用方式包括：作為水泥原料、建筑板材原料、陶瓷釉料等[1-4]。馬軍雷等[5]將石英尾泥與粉煤灰合理配比后完全取代黏土配方，生產(chǎn)出穩(wěn)定的低堿高質(zhì)量水泥熟料，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。曾偉和侯龍[6]使用長(zhǎng)石尾泥經(jīng)提純、磁選和脫水，生產(chǎn)了一種70~150 目的釉用長(zhǎng)石原料，其工藝簡(jiǎn)單可靠，成品經(jīng)濟(jì)效益較高。然而，目前在石礦尾泥中僅石英尾泥具有一定的規(guī)模研究，而其它石礦尾泥，尤其是花崗巖尾泥的綜合利用尚未見研究報(bào)道。

陶粒是一種新型輕質(zhì)、保溫、高強(qiáng)、多功能的人造輕骨料，在裝配式建筑PC 構(gòu)件、混凝土橋梁工程、公共建筑輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)工程、高層超高層結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土工程、道路工程等工程中具有良好的應(yīng)用前景。陶粒工藝適用性較好，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資源，使用工程渣土、粉煤灰、污泥、廢渣尾礦等固體廢棄物作為原料，生產(chǎn)不同堆積密度的陶粒產(chǎn)品。張文軍等[7]研究了安山巖尾泥輕質(zhì)陶粒的制備工藝，拓展了安山巖尾泥的增值利用途徑。

本文以湖北地區(qū)花崗巖尾泥和工程渣土作為主要原料，木屑和Fe2O3為發(fā)氣材料，研究了原料配比和復(fù)配發(fā)氣劑配比對(duì)陶粒產(chǎn)品膨脹性能的影響，提出了花崗巖尾泥的最大摻配比例和復(fù)配發(fā)氣劑最佳配比，以期為花崗巖尾泥輕質(zhì)陶粒的生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)主要原料為湖北地區(qū)花崗巖尾泥和渣土，如圖1所示?；◢弾r尾泥呈灰色，屬軟巖尾礦類，含有砂質(zhì)顆粒，尾泥的黏土性質(zhì)顯著；渣土呈紅灰色塊狀、顆粒狀?；◢弾r尾泥和渣土的主要化學(xué)成分和礦物組成如表1、表2 所示?；◢弾r尾泥是一種以非黏土礦物石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、云母為主要組成的高SiO2、高熔劑K2O、Na2O 的瘠性原料，燒失量?jī)H為0.67%；渣土是一種以非黏土礦物石英、長(zhǎng)石以及少量黏土質(zhì)礦物伊利石和蒙脫石為主要礦物成分的原料?；瘜W(xué)組成的分析結(jié)果顯示，花崗巖尾泥具有組成陶粒的Si、Al、Mg、Fe、Ca、K、Na 等適宜的基礎(chǔ)成分，構(gòu)成了形成陶粒的必要條件。但是其塑性指數(shù)為5.62，無法單獨(dú)成球造粒，因此在制備陶粒時(shí)需配合摻入渣土。木屑為市購(gòu)天然松木木屑。Fe2O3為化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)試劑。

表1 花崗巖尾泥及渣土的主要化學(xué)成分%

圖1 原料概況

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

花崗巖尾泥和渣土分別在100 ℃下干燥8 h，破碎粉磨至200 目細(xì)度。原料分別按照配比設(shè)計(jì)以質(zhì)量百分比配料、混合，加入18%~20%的水進(jìn)行拌和，搓制成7~10 mm 的生料球。各組配方的生料球經(jīng)干燥后在馬弗爐中400 ℃預(yù)燒10 min，然后分別在1100、1120、1150、1180、1200、1230 ℃下焙燒10 min。冷卻后對(duì)陶粒樣品進(jìn)行堆積密度、表觀密度、1 h 吸水率等性能分析，測(cè)試方法按照GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗(yàn)方法第2 部分：輕集料試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

本實(shí)驗(yàn)旨在研究分析花崗巖尾泥和渣土制備陶粒的膨脹性能，得到陶粒產(chǎn)品中花崗巖尾泥的最大摻量，進(jìn)而在工業(yè)生產(chǎn)中高效利用花崗巖尾泥，并推動(dòng)固體廢物資源綜合利用。根據(jù)Riley 三角形形成適宜膨脹性能的化學(xué)成分范圍，成陶成分SiO2含量為40%～79%，Al2O3含量為10%～25%，助熔成分K2O、Na2O、CaO、MgO 和FeO 等堿性氧化物含量為13%～26%，進(jìn)行配方設(shè)計(jì)。通過分別調(diào)整花崗巖尾泥和渣土的比例，以及在其最大摻配比例基礎(chǔ)上的復(fù)配發(fā)氣劑配比，對(duì)陶粒膨脹性能進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 原料配比對(duì)陶粒膨脹性能的影響

花崗巖尾泥富含RO 和R2O 助熔成分相，且不能單獨(dú)成球造粒，因此需要配合渣土以調(diào)整坯體整體成陶成分和助熔成分相。助熔成分相過多時(shí)，膨脹性能變差；而助熔成分相過少時(shí)，膨脹不易發(fā)生。為研究原料配比對(duì)陶粒膨脹性能的影響，根據(jù)花崗巖尾泥、渣土基本性能，以不同比例的花崗巖尾泥和渣土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)配比設(shè)計(jì)，并外摻加入2%木屑和5%Fe2O3。通過陶粒樣品的焙燒實(shí)驗(yàn)，確定膨脹性能和最大摻配比例，實(shí)驗(yàn)配比見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)配比設(shè)計(jì)

在不同焙燒溫度下按不同原料配比制得的陶粒樣品堆積密度和1 h 吸水率如圖2 所示，樣品形貌如圖3 所示。

圖2 不同焙燒溫度下原料配比對(duì)陶粒性能的影響

圖3 不同焙燒溫度下不同原料配比制得的陶粒樣品

由圖2、圖3 可見，隨著焙燒溫度的升高，所有樣品的堆積密度都逐漸降低。其中，A64 樣品的堆積密度從967 kg/m3下降至522 kg/m3，降幅最大；A37 樣品的堆積密度從743 kg/m3下降至563 kg/m3，降幅最小。焙燒后，所有樣品均未產(chǎn)生明顯的炸裂，說明花崗巖尾泥適合作為生產(chǎn)陶粒的原料，其化學(xué)組成和物相組成均滿足陶粒制備的要求。陶粒的吸水率與表面開口孔隙的結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)陶粒在建筑材料中的使用具有一定影響。隨著焙燒溫度的升高，所有樣品均呈現(xiàn)吸水率下降的趨勢(shì)，說明焙燒溫度的升高使陶粒表面更為致密。然而，A82 樣品在1200 ℃時(shí)以及A46 樣品在1230 ℃時(shí)的吸水率突然增大，這說明在此焙燒溫度下，樣品中氣體開始大量聚集，促使孔隙貫通，并提高了開口孔隙率。

陶粒樣品的主要性能如表4 所示。

表4 不同原料配比制得陶粒樣品的主要性能

由圖3、表4 可見：

（1）A82 和A73 樣品在1150～1200 ℃間50 ℃的焙燒溫度范圍內(nèi)可燒制成平均堆積密度分別為968、956 kg/m3的陶粒；A64 樣品在1120～1200 ℃間80 ℃的焙燒溫度范圍內(nèi)可燒制成平均堆積密度為702 kg/m3的陶粒；A55、A46 和A37 在1100～1200 ℃間100 ℃的焙燒溫度范圍內(nèi)可燒制成平均堆積密度分別為802、660、675 kg/m3的陶粒。由此可見，隨著花崗巖尾泥摻量的遞減，焙燒陶粒樣品燒成溫度范圍逐漸增寬，堆積密度逐漸下降。A82 和A73 樣品具有較高的堆積密度和較窄的燒成溫度范圍，這是由于花崗巖尾泥中陶組分SiO2和R2O 助熔成分相對(duì)較高，因此陶粒樣品整體熔結(jié)密實(shí)，高溫時(shí)表面呈現(xiàn)玻化，氣孔微小。

（2）A64 樣品的平均堆積密度與A46 和A37 樣品差距較小，且燒成溫度范圍較寬，1 h 平均吸水率較小。在保證更多地綜合利用花崗巖尾泥的前提下，最大摻配比例選擇為花崗巖尾泥60%、渣土40%。

2.2 復(fù)配發(fā)氣劑配比對(duì)陶粒膨脹性能的影響

復(fù)配發(fā)氣劑選用木屑和Fe2O3。其中木屑作為有機(jī)碳源，能夠在陶粒焙燒過程中參與Fe2O3的氧化還原反應(yīng)，并逸出COx氣體使陶粒坯體燒脹。碳含量和碳鐵比過高或過低均影響料球的膨脹性能。為研究復(fù)配發(fā)氣劑配比對(duì)陶粒膨脹性能的影響，以最大摻配比例花崗巖尾泥60%、渣土40%為主要原料配比，對(duì)復(fù)配發(fā)氣劑比例進(jìn)行調(diào)整。通過陶粒樣品的焙燒實(shí)驗(yàn)，確定最佳膨脹性能，配比見表5。

表5 復(fù)配發(fā)氣劑的配比

在不同焙燒溫度下采用不同復(fù)配發(fā)氣劑制得陶粒樣品堆積密度和1 h 吸水率如圖4 所示，樣品形貌如圖5 所示。

圖4 不同焙燒溫度下復(fù)配發(fā)氣劑配比對(duì)陶粒性能的影響

圖5 不同焙燒溫度采用不同復(fù)配發(fā)氣劑制得陶粒的形貌

由圖4 可見，隨著Fe2O3量的增加，堆積密度降低，1 h 吸水率增加。當(dāng)焙燒溫度1200 ℃時(shí)，B54 樣品的堆積密度為456 kg/m3，較B25（A64）、B34 和B33 樣品分別降低69、124、132 kg/m3。B54 樣品相比B25（A64）、B34 和B33 樣品，復(fù)配發(fā)氣劑中木屑量多，碳鐵比較高，B54 樣品中的發(fā)氣成分總含量高，從而表現(xiàn)出較好的膨脹性能。因此，通過調(diào)節(jié)復(fù)配發(fā)氣劑中木屑和Fe2O3的摻量，采用工藝處理法可以改善陶粒的膨脹性。

陶粒樣品的主要性能如表6 所示。

表6 不同復(fù)配發(fā)氣劑制得陶粒樣品的主要性能

由表6 可見：根據(jù)陶粒形貌、堆積密度和1 h 吸水率，陶粒的焙燒溫度范圍可以被確定。B34、B33、B54 樣品的焙燒溫度范圍均為1100～1200 ℃，較B25（A64）寬，表中列出了密度等級(jí)更為穩(wěn)定的范圍為1150～1200 ℃，并進(jìn)行分析。B25（A64）樣品在1120～1200 ℃間80 ℃的焙燒溫度范圍內(nèi)可燒制成平均堆積密度為702 kg/m3的陶粒，而B33、B34 和B54 樣品則分別在1150～1200 ℃間50 ℃的焙燒溫度范圍內(nèi)可燒制成平均堆積密度分別為578、583、508 kg/m3的陶粒。由此可見，隨著復(fù)配發(fā)氣劑的碳鐵比的遞增，焙燒陶粒樣品的堆積密度逐漸下降。由于所有試樣均在較為合理的輕質(zhì)陶粒主要原料配方A64 的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，因此陶粒產(chǎn)生的?；合啾豢刂圃谳^為合理的范圍內(nèi)。隨著碳鐵比的增高，在早期膨脹過程中膨脹氣體產(chǎn)生量隨之增大，使集料能夠得到充分膨脹，從而實(shí)現(xiàn)陶粒的輕質(zhì)化。因此，B54 樣品的平均堆積密度最低，膨脹性能最佳。

3 結(jié) 論

（1）花崗巖尾泥最大摻配比例選擇為花崗巖尾泥60%、渣土40%。當(dāng)花崗巖尾泥的摻配比進(jìn)一步提高時(shí)，尾泥中助熔成分含量增多，使陶粒樣品更為密實(shí)，不利于陶粒的輕質(zhì)化。

（2）最佳復(fù)配發(fā)氣劑配比選擇為5%木屑+4%Fe2O3。隨著碳鐵比的提高，發(fā)氣成分總含量隨之提高，使陶粒樣品的堆積密度顯著降低，有利于陶粒的輕質(zhì)化。

（3）在1150～1200 ℃的溫度范圍內(nèi)，輕質(zhì)陶粒的平均堆積密度為508 kg/m3，密度等級(jí)為600 級(jí)。