利用海底淤泥制取陶粒的实验研究

俞彬彬，龚希武，张 艳

(浙江海洋学院 船舶与建筑工程学院，浙江 舟山 316000)

0 引言

海洋经济的开发与建设带动了沿海地区建筑业和海洋运输业的迅猛发展。作为国家海洋经济示范区，浙江省拥有的海岸线长度居全国之首。除了拥有丰富的海洋能资源可用于电力系统开发以外［1］，沿海海岸各类码头、航道的水域中，储积了难以计数的海底淤泥，在进行海洋平台、跨海大桥、航道疏浚等工程建设过程中，挖泥船采出的大量的海底淤泥被运至远洋深水域中倾倒或堆积在海岸形成滩涂，由此造成输运的费用巨大，而且浪费了海底淤泥的潜在应用价值。因此，如何对挖掘出的海底淤泥进行有效合理处置和开发利用是一个需要面对的问题。

近年来，在建筑市场，轻骨料及其混凝土制品正引起广大科技工作者的高度重视。许多学者提出了多种生产陶粒的工艺［2］。其中，利用海底淤泥制造建筑用陶粒，不但会减少建材制造业与农业用地争土，而且还为海底淤泥找到了合理出路，解决了海底淤泥的二次污染问题，达到了废弃物资源化的目的［3－6］。而且建筑隔热、保温、防火正引起人们的日益重视［7－9］，陶粒制品对建筑节能与安全将起到一定的促进作用。但由于地理位置和海域的不同，海底淤泥的矿物组成和化学成份会有所差异，所以在陶粒制取工艺中的参数控制会有所不同。本文基于对舟山海域的海底淤泥的成份分析，开展对海泥陶粒制取工艺的实验研究，期望本研究能对海底淤泥的应用及建筑材料的开发起到一定的参考作用。

1 海泥化学成份及粒度分析

陶粒生产的原料主要来自于粉煤灰、垃圾、粘土、海河底泥等等。但为了达到陶粒的基本物理、力学的常规要求，陶粒的原料要具备两个条件才能产生膨胀:一是有一定的化学组成，并有一定数量的对SiO2和Al2O3起助熔作用的熔剂，使物料在高温下产生足够粘稠的熔融物，以便能够包住气体。二是含有能在物料达到熔融温度时分解放出气体的物质，或是与其它物质反应放出气体。以上两个条件主要决定于原料的化学成份和矿物组成［5－6，10］。

海泥是经水运漂流他处淤积起来的粘土，应属次生粘土，其矿物组成和化学成份会因不同的海域而有所差异。舟山海域海底淤泥的成份分析和粒度分析列于表1和表2。

表1 海底淤泥的成份分析(%)

表2 海底淤泥的粒度分析

可以看出:舟山海域海底淤泥的化学成份基本都处于制取陶粒的适宜范围之内。颗粒粒度较小，小于5 μm的颗粒含量高达60%以上。说明其具备良好的可塑性。

2 实验条件

图1 陶粒制取工艺流程

陶粒制取的工艺流程如图1所示［11］。根据图1，本研究采用配方1－纯海泥和配方2(海泥:其他(粘土、粉煤灰、生活污泥、添加剂等)=1∶1)两种情况进行烧胀性能实验。原料经配比、混合、均化、成球后，成型为直径2 cm、高1 cm的圆柱，约5～6 g。实验设备主要有:电子秤、分析天平、电热鼓风干燥箱(300℃)、箱式电阻炉(1300℃)等。为优化海底淤泥制取陶粒的工艺研究，选择合适的工艺操作参数，研究中主要对干燥温度、预热温度、烧胀温度、烧胀时间四个参数进行实验研究。实验工艺参数主要有:干燥温度 100℃、150℃、200℃、250℃、300℃;预热温度 200℃、300℃、400℃、500℃;预热时间20 min，烧胀温度 1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃;烧胀时间5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min。将生料球放入电热鼓风恒温干燥箱中，在100～300℃的条件下干燥。干燥时间约为1 h;干燥完成后，将箱式电阻炉设置为某个预热温度，把生料球放入箱式电阻炉预热，待预热处理约20 min后再取出。再将箱式电阻炉升温到一定的烧胀温度，将经过预热处理的料球快速移到箱式电阻炉内，让其恒温焙烧，在规定的烧胀时间后取出，在空气中自然冷却，即得到所需的产品。对陶粒的松散容重和吸水率指标进行测量，从而判断各参数的变化对陶粒性能的影响。

3 影响陶粒性能的因素分析

3.1 烧胀性能

采用配方1－纯海泥和配方2(海泥:其他(粘土、粉煤灰、生活污泥、添加剂等)=1∶1)两种情况进行烧胀性能实验。生料球的干燥温度为150℃。预热温度400℃。烧胀温度各取1 000℃、1 050℃、1 100℃、1 150℃、1 200℃、1 250℃，烧胀时间控制15 min，分别研究不同研究条件下的原料烧胀性能。表3表示了不同实验条件下的烧胀系数。

表3 不同实验条件下的烧胀系数

可见，虽然纯海泥具备制作超轻陶粒的化学组成，但具有适宜比例化学成份的纯海泥并不一定具有烧胀性能。决定烧胀性能的因素很多，除它与物料的化学成份，矿物组成，颗粒组成有关外，还与工艺因素，粒球的致密程度等有关。为使物料具备较好的烧胀性能，只有在全面了解物料的矿物组、 ， ，的掺合料，才能达到预期的目的。而上述配方2实验也说明:经过配料调整组分，舟山海域的海泥可烧制出超轻陶粒。

3.2 生球干燥温度

海底淤泥含有大量的水分，并且在成球过程中还需要添加一些水分，以便于淤泥成球，因此生成的生料球必须经过干燥处理后才能进行烧胀。否则生料球在烧胀过程中很容易开裂。为了确定一个较佳的干燥温度，需进行试验来确定。图2表示的是分别在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃五种不同的干燥温度下，干燥时间1 h，海底淤泥生料球的失重变化曲线。从图中可以看出:在最初的10～15 min，干燥温度越高，淤泥生料球的失重越大，但在干燥20 min以后，干燥温度较低的100℃、150℃的失重曲线反而更低，显示着在这样的干燥温度下，生料球的失重(水分散失)更大。而且，150℃干燥温度时，水分散失的量最大。因此，可以确定最佳的干燥温度在150℃左右。

图2 不同干燥时间对失重的影响

图3 不同预热温度对工艺的影响

3.3 预热温度

生料球在烧胀之前还需要进行预热处理，以进一步调整生料球的化学组成，达到最佳的烧胀效果。实验参数为:干燥温度150℃、预热时间20 min，烧胀温度1 200℃、烧胀时间15 min。分别在 200℃、300℃、400℃、500℃四种预热温度下进行实验。制成陶粒成品后，对陶粒的松散容重和吸水率指标进行测量。测量所得的曲线如图3所示。在200～400℃间的预热温度，经过预热处理的陶粒产品的松散容重随预热温度升高而显著降低，而当预热温度达到500℃时，烧成的陶粒成品的松散容重却比400℃预热温度情况下的成品的容重更大。虽然随着预热温度升高，陶粒成品的吸水率不断减小，但减小的幅度并不大，从陶粒作为轻骨料的作用来看，400℃是一个比较理想的预热温度。

图4 不同烧胀温度对工艺的影响

图5 不同烧胀时间对工艺的影响

3.4 烧胀温度

图4表示了在干燥温度 150℃、预热时间20 min，烧胀时间15 min的情况下，烧胀温度分别为1 000℃、1 050℃、1 100℃、1 150℃、1 200℃、1 250℃六种温度下的陶粒成品的松散容重和吸水率的变化曲线。可以看出:生料球的膨胀度随着烧胀温度的升高而增大，但是当温度过高(大于1 150℃)，膨胀度又开始降低，表现为松散容重开始增大。而成品的吸水率在过高烧胀温度时，也有开始增大的趋势。同时，考虑到过高烧胀温度时，炉内可能会发生结窑现象。因此，海泥陶粒烧胀的适宜温度约为1 150℃左右。

3.5 烧胀时间

图5表示了在干燥温度 150℃、预热时间20 min，烧胀温度1 200℃的情况下，烧胀时间5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min六种情况下的陶粒成品的松散容重和吸水率的变化曲线。随着烧胀时间从5 min增加到15 min，陶粒的松散容重和吸水率都呈现减小的趋势。但随着烧胀时间的进一步增加，陶粒的松散容重和吸水率都逐渐提高。可能的原因是此时液相粘度太低，陶粒内部的孔隙率增大，导致吸水率增高。吸水率的增大，又可能引起陶粒强度的降低。因此，从产品的角度分析，烧胀时间控制在15 min左右为宜。

3.6 其他因素分析

(1)部分海泥中含盐分较高，Cl－的含量较高。而在建筑生产过程中，Cl－对建筑中的金属材料形成了很大的破坏，因此，必须对陶粒中的Cl－含量进行控制。根据以往学者的研究发现:在高温烟气中的水蒸气的作用下，NaCl会被分解为Na2O和HCl，HCl随水蒸气一起被排除，Na2O与陶粒表面的黏土和黏土中的游离SiO2发生作用，在陶粒表面形成一层极薄的玻璃质层。其反应式为

这种玻璃质层与陶粒形成一体，没有界面，坚固结实，稳定性好，因此陶粒的吸水性较低，软化系数较大。而HCl随水蒸气一起被排除使得陶粒中Cl－的含量大大减少，对现有的实际产品分析测试，其中Cl－的含量仅约0.01%，能够达到建筑钢筋混凝土和预应力混凝土对Cl－含量的要求。

(2)海底淤泥采集后，含水量较大。生产应用中首先要降低它的含水量。可以采用机械脱水或自然阴干的方法。含水量达到标准后才能使用，烧制出的陶粒制品才能满足要求。由于海底淤泥中可能会含有砂石、贝壳等粗颗粒物质，在烧结过程中，这些物质的存在容易造成球体的开裂。所以在海底淤泥的采集中，对海泥的颗粒组成有一定的选择性，要求颗粒越小越好，最好选择含砂量和含粗颗粒物比较少的海底淤泥进行陶粒的生产。

4 结论

(1)利用海底淤泥制取陶粒，不但为淤泥废弃物找到了一条资源化的途径，同时，也提供了一种新型、先进的建筑材料;

(2)纯海泥并不具有适宜的烧胀性能。可以在海泥原料中引入少量的掺合料，从而提高原料的烧胀系数，烧制出超轻的陶粒。在制取陶粒的工艺中，生料球的干燥温度为150℃为宜。预热温度也应当控制在400℃左右。比较合理的烧胀温度为1 150℃;

(3)海底淤泥陶粒烧胀时间过长，导致液相粘度太低，膨胀气体逸出造成陶粒内部孔隙率增大，孔连通程度提高，陶粒的吸水率显著增加，强度明显降低。烧胀时间控制在12～15 min，烧制出的陶粒的综合性能较佳;

(4)在利用海底淤泥进行陶粒生产的过程中，必须对海底淤泥原料的Cl－含量、含水量、含砂量及其他颗粒物质组分进行控制，这样才能提高陶粒产品的性能，满足现实需求。

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