工程渣土烧制轻质陶粒的实验研究

胡凯，张泽勇，周强新，方宇轩，李文，张炜，张稳，樊赛飞

（1.中建三局第三建设工程有限责任公司，湖北武汉 430070；2.中建三局城市投资运营有限公司，湖北武汉 430070）

0 引 言

在城市建设工程中，尤其是大规模、深层地下空间的开发过程（各类建构筑物、管网等基础开挖工程）会产生数量极其庞大的工程建筑渣土，其占建筑垃圾总比重70%以上，带来的环境与安全问题也逐步凸显[1-3]。而另一方面，工程渣土具有较好的物理与化学稳定性，例如：土体颗粒较大、比表面积小、含薄膜水少及透水性能好[4]，并且工程渣土的氧化物组成以硅铝质材料为主，具有制备轻质陶粒的可行性。

目前，国内利用工程渣土烧制陶粒的研究通常是在渣土中掺入粉煤灰、秸秆以及其他添加剂，改善原料的化学组成及烧胀效果，以达到制备陶粒轻质的目的。张磊等[5]以盾构渣土-粉煤灰为主要原料，在焙烧温度为1170～1250 ℃制备了700～900 密度等级、筒压强度为4.9～12.6 MPa 的渣土陶粒。张腾飞等[6]以工程渣土-粉煤灰-秸秆为主要原料，在焙烧温度为1170～1180 ℃制备了900 密度等级、筒压强度为6.5 MPa的渣土陶粒。张国良[7]以工程渣土、粉煤灰、污泥、秸秆为主要原料，在焙烧温度为1250 ℃制备了500 密度等级、筒压强度为2 MPa 的渣土陶粒。

在以往的工作中，工程渣土烧制陶粒的焙烧制度确定多为经验取值。为了提高实验方案的设计效率，本文采用了综合热分析（TG-DSC）与高温显微镜技术辅助确定焙烧制度。以某工程渣土为原材料，设计正交烧成实验，研究了焙烧温度、焙烧时间、预烧时间对陶粒表观密度、单颗粒强度和吸水率的影响，确定了陶粒最佳烧成工艺。在此基础上研究了不同焙烧制度下陶粒的物理性能和微观结构。

1 实 验

1.1 原材料

工程渣土：主要晶相为白云母（33.8%）、石英（23.8%）、钠长石（17.4%）以及正长石（13.6%），XRD 衍射图谱见图1，化学成分如表1 所示。

图1 工程渣土的XRD 图谱

Riley[8]通过大量实验表明，当原料中的难熔成分硅、铝氧化物（SiO2，Al2O3）之和与助熔成分（Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等）总和的比值在3.5～10.0 时，适合烧制多孔高强陶粒。当原料成分SiO2为55%～65%、Al2O3为18%～25%、Fe2O3+FeO 为6%～10%、CaO+MgO 为3.5%～5.0%、K2O+Na2O 为1.5%～4.0%、烧失量为3%～5%时，比较适合烧制具有一定强度的陶粒[9]。因此，理论上以工程渣土直接焙烧轻质高强陶粒方案可行。

1.2 实验方法

1.2.1 陶粒制备

将工程渣土破碎后放入105 ℃烘箱中干燥48 h，随后经过球磨机磨细至小于0.075 mm（200 目）的粉末试样，随后加入质量分数为20%～30%的水，混合搅拌，手工成型制成直径为10～15 mm 的料球；在105 ℃条件下烘干2 h，存放待用。

1.2.2 TG-DSC 分析

使用德国耐驰公司生产的STA449F3 型综合热分析仪对原料进行TG-DSC 分析。将5.83 mg 的工程渣土试样在参比组为空的Al2O3坩埚，测试范围为32～1450 ℃、升温速率为10℃/min，氮气氛围，记录其质量、吸放热随温度变化。

1.2.3 高温显微镜分析

使用美国TA 公司生产的HM867 型高温显微镜对原料进行热膨胀行为分析。对工程渣土试样在测试范围为25～1300 ℃、升温速率为10 ℃/min 的氩气氛围下的体积随温度的变化及特征温度进行测试。

1.2.4 X 射线衍射分析

原料及陶粒的晶相组成采用荷兰帕纳科公司生产的为Empyrean 型X 射线衍射仪进行分析。其中，原料中加入10%刚玉后对其晶相组成进行分析，测试角度为5°～80°，扫描速度为2°/min。

1.3 实验方案设计

由图2 可以看出，工程渣土的质量损失基本可以分为5个阶段：（1）室温～200 ℃，该阶段质量损失率约0.84%，主要是原料中自由水与吸附水的蒸发；（2）200～600 ℃，该阶段质量损失率约2.65%，主要是原料中含碳有机物等可燃性物质、部分未挥发完全的吸附水、结晶水的挥发；（3）600～800 ℃，该阶段主要是未完全反应的有机物充分的反应，原料质量略微降低；（4）800～1200 ℃：该阶段质量损失不超过1.16%，工程渣土质量基本稳定，说明热失重基本完成；（5）1200 ℃以上，该阶段原料重新出现质量损失的趋势，这可能与氧化铁的氧化还原反应有关。

由于吸附水、结晶水的烧失以及有机物的挥发，原料在84.8 ℃以及420.3 ℃处质量损失的速率最大。为了防止在升温过程中气体产生速率过快，导致陶粒炸裂影响后续烧成工艺，选用在420 ℃保温进行预烧处理。DSC 曲线中1055.5 ℃处放热速率最快，这是由于硅和铝的氧化物开始反应生成莫来石晶体。为保证烧成陶粒具有较高强度，选择焙烧温度高于1055.5 ℃。

图3 为工程渣土试样体积随煅烧温度的变化曲线。

图3 工程渣土试样体积随煅烧温度变化

由图3 可见，工程渣土的热烧胀过程可以分为4 个阶段：（1）在1000 ℃以下时，试样体积没有太大变化，这是由于液相没有产生，即使试样在升温过程中存在碳酸盐分解、结晶水和自由水的挥发，产生的气体也会因为没有液相的裹挟而直接逃逸，试样无法膨胀；（2）在1000～1132 ℃时，试样体积开始下降，这是因为液相开始产生，然而刚产生的液相太少，难以包裹试样内部产生的气体，液相反而会填补之前升温过程中由于气体逃逸产生的孔洞，造成试样体积下降；（3）在1132～1200℃时，试样烧结过程明显，试样内部固体颗粒相互粘结并且伴随着晶粒的长大，陶粒内部孔隙迅速减少，其总体积迅速收缩，由于大量晶相的形成，此时陶粒开始具备一定的强度；（4）在1200 ℃以上时，试样表面可以产生黏度较低、数量较多的液相，升温过程中产生的气体可以被液相包裹在试样内部，试样体积迅速膨胀。

根据高温显微镜及DSC 实验结果，选取陶粒焙烧温度为1120～1300 ℃，预烧时间为5～30 min、焙烧时间10～70 min，研究这3 个因素对渣土陶粒性能的影响。

为了防止由于升温速率过快导致陶粒在焙烧过程中由于气体速率过快，而引起陶粒炸裂的情况，料球放入马弗炉中于室温下开始加热，固定升温速率为5 ℃/min；为了让更多的玻璃体在冷却过程中转化为稳定的晶体，采用随炉冷却的缓慢冷却制度。

1.4 性能测试与表征

根据GB/T 17431.2—2010《轻集料及其试验方法》测试陶粒的表观密度和吸水率。借鉴Yashima 等[10]提出的轻集料单颗粒强度测试方法测试陶粒的单颗粒抗压强度：

测试时取10 个尺寸接近的陶粒进行测试，取其平均值。

陶粒的矿相组成使用荷兰帕纳科公司生产的Empyrean锐影系列多功能X 射线衍射仪对试样5°～80°进行扫描，并对试样进行XRD 谱图分析。使用德国Zeiss 公司生产的EVO10型扫描电子显微镜系统对陶粒微观形貌进行分析。

2 结果与分析

2.1 焙烧温度对陶粒性能的影响

焙烧温度是影响陶粒密度、吸水率以及强度的最主要因素[11-13]。这主要是由于焙烧温度直接决定了液相量、液相黏度以及气体产生的速率与数量，最终影响气体主动脱逸与被高温液相被动包裹的“动态平衡”过程，这也是决定陶粒能否实现“轻质”最主要的过程[14]。因此，在焙烧制度中首先确定最佳焙烧温度。在预烧温度420 ℃，预烧时间15 min，焙烧时间20 min 条件下，研究焙烧温度对工程渣土陶粒性能的影响，结果见表2。

由表2 可见：（1）随着焙烧温度的升高，陶粒的密度呈下降趋势，而强度先提高后降低。陶粒的颜色由红色转变为黑色，这是Fe2O3逐渐转化为FeO 所导致[15]，这说明焙烧温度的升高促进了Fe2O3的氧化还原反应，期间O2的释放促进了陶粒的膨胀。（2）焙烧温度在1120～1160 ℃时，陶粒密度没有较大变化，这是由于陶粒表面形成的液相量不足，无法包裹陶粒内部产生的气体，同时在较低温度下陶粒内部发气量较少，未能膨胀，其结构较致密，密度较高而吸水率较低。（3）焙烧温度在1180～1260 ℃时，试样产生的液相较多，且具有合适的黏度，能一定程度上包裹住陶粒内部产生的气体，而气体又难以逃逸出陶粒表面，因此，陶粒的外壳光滑无孔，陶粒吸水率依然较低，但此时陶粒体积开始膨胀内部多孔，密度和强度开始降低。（4）当焙烧温度达到1280 ℃时，陶粒表面出现贯穿孔洞，这是因为液相黏度过低，同时较高温度下陶粒发气速率较快，发生气体逃逸，多孔外壳不但增加了陶粒的吸水率，也降低了陶粒强度。

表2 焙烧温度对工程渣土陶粒性能的影响

图4 为不同焙烧温度时渣土陶粒的XRD 图谱。

图4 不同焙烧温度时渣土陶粒的XRD 图谱

由图4 可见，焙烧温度在1120～1300 ℃时，陶粒的晶相主要为石英、莫来石（3Al2O3·2SiO2）和铁铝氧化物（Al3Fe5O12）。随着焙烧温度的升高，石英晶相的衍射峰强度逐渐降低，莫来石晶相衍射峰强度逐渐升高。当焙烧温度达1300℃时，陶粒的主要晶相转变为莫来石。而莫来石具有较高的力学强度，是高强轻骨料强度的主要来源[16-18]。这也是焙烧温度从1120 ℃上升到1160 ℃时陶粒强度显著提高的原因。但当焙烧温度到达1180 ℃以上，莫来石晶相对陶粒强度的贡献远远不足以抵消陶粒膨胀引起强度的下降，因此陶粒强度迅速降低。综合考虑焙烧温度对陶粒密度、吸水率与单颗粒强度的影响，选择最佳焙烧温度为1260 ℃。

2.2 焙烧时间对陶粒性能的影响

固定焙烧温度为1260 ℃，预烧温度为420 ℃，预烧时间15 min，焙烧时间对工程渣土陶粒性能的影响见表3。

表3 焙烧时间对工程渣土陶粒性能的影响

由表3 可见：（1）随着焙烧时间的延长，陶粒的密度先减小后增大，吸水率整体呈现先增大后减小的趋势，而强度逐渐降低，当焙烧时间为50 min 时，陶粒密度达到最小值，同时吸水率达到最大值。（2）当焙烧时间在30 min 及以下时，陶粒的焙烧不够充分，液相不够充足，仅仅只能包裹部分气体。随着焙烧时间的延长，液相量增加，能包裹住的气体数量也逐渐增加，陶粒密度以及强度降低。（3）当焙烧时间为40～50 min 时，陶粒外部液相量与内部发气反应速率较为平衡，陶粒的烧胀效果较好，密度较低且具有一定的强度。当焙烧时间在60 min以上时，陶粒的密度开始增大，吸水率及强度有所降低。这可能是过长的焙烧时间导致液相形成过多，液相开始回填陶粒内部发气反应留下的孔洞，以及陶粒内部发气反应速率随着时间的推移逐渐降低的双重作用。而在此焙烧时间内产生过多的液相会导致颗粒间黏度降低，气体膨胀力更易对流动的液相造成影响，陶粒内部微孔结构被破坏，连通孔洞逐渐转化为大孔，从而降低陶粒的强度[19-20]。

综上，焙烧温度为1260 ℃、焙烧时间为50 min 时，烧制的陶粒密度最低。

图5 为不同焙烧时间时工程渣土陶粒的XRD 图谱。

图5 不同焙烧时间时渣土陶粒的XRD 图谱

由图5 可见：（1）焙烧时间小于50 min 时，随焙烧时间延长，石英晶相衍射峰强度逐渐降低，莫来石晶相衍射峰强度逐渐上升，Al3Fe5O12衍射峰的数量与强度基本上没有发生较大变化。（2）焙烧时间超过50 min 时，各主要晶相的衍射峰强度与数目没有较大变化，表明在1260 ℃的焙烧温度下，石英晶相需要大约50 min 充分转化为莫来石晶相，延长焙烧时间对Al3Fe5O12晶相的形成没有较为明显的影响。

2.3 预烧时间对陶粒性能的影响

预烧是为了避免陶粒在焙烧阶段发气速率、发气量过大引起陶粒炸裂而设置的阶段。在此阶段陶粒原料中吸附水、结晶水烧失以及部分有机物挥发，并伴随一定量的α-Fe2O3晶相形成，为焙烧阶段陶粒发气膨胀做准备[16]。在预烧温度为420 ℃，焙烧温度为1260 ℃，焙烧时间为50 min 条件下，研究预烧时间对工程渣土陶粒性能的影响，结果见表4。

表4 预烧时间对工程渣土陶粒性能的影响

由表4 可见，预烧时间对陶粒物理性能的影响并不大。当预烧时间在5～15 min 时，随着预烧时间的延长，陶粒的密度以及强度略微降低，同时吸水率增大。这可能是因为较长的预烧时间有利于α-Fe2O3晶相形成，以至于在焙烧阶段发气速率较快，陶粒膨胀程度也会略高，故在预烧时间为15 min 时，陶粒密度达到最低，强度也会随着膨胀程度的提高而降低，而吸水率则会由于更多气体冲破陶粒外壳而增大。

当预烧时间在20 min 及以上时，陶粒的密度及吸水率均有所提高，这可能是因为较多α-Fe2O3的形成导致陶粒内部发气速率更快，更多气体从陶粒表面溢出，陶粒吸水率提高，与此同时，较长的预烧时间会导致焙烧阶段发气总量降低，陶粒体积膨胀降低。而在此期间，陶粒外壳气孔增多会降低其强度。

图6 为不同预烧时间时工程渣土陶粒的XRD 图谱。

图6 不同预烧时间时渣土陶粒的XRD 图谱

由图6 可见，预烧时间对陶粒主要晶相（莫来石、石英和铁铝氧化物）的形成影响并不明显，主要晶相是在高温烧结盟时形成的。

2.4 最佳组陶粒的SEM 分析

以上实验可以确定本实验中工程渣土制备陶粒最佳的煅烧制度为：420 ℃预烧15 min，1260 ℃焙烧50 min，所得的陶粒表观密度为1.23 g/cm3，单颗粒抗压强度为5.6 MPa，24 h 吸水率为1.82%。图7 为该最佳组陶粒的表面与内部结构。

图7 最佳组陶粒的SEM 照片

由图7（a）、7（b）、7（c）可见，陶粒内部具有较多孔洞，基本上不存在未烧结的生料，而外部则为致密的釉质层，几乎没有明显孔洞，能有效阻隔水分进入陶粒内部，因此陶粒的密度及吸水率较低。由图7（d）、7（e）可以看出，陶粒内部分布大小不同的孔洞，这些孔洞大多都是封闭孔洞，这种闭孔结构进一步降低了陶粒的吸水率与表观密度。

3 结 论

（1）通过TG-DSC 测试与高温显微镜联用，可以辅助确定工程渣土较为合适的煅烧温度为1120～1300 ℃、预烧温度为420 ℃。

（2）在陶粒的焙烧制度中，对其性能影响最大的是焙烧温度，其次是焙烧时间。这主要是由于两者影响了陶粒中莫来石晶相的形成以及发气反应。而预烧阶段对后续晶相的形成以及陶粒的性能影响不大。

（3）工程渣土在预烧温度为420 ℃、预烧时间为15 min、焙烧温度为1260 ℃、焙烧时间为50 min、5 ℃/min 升温速率、随炉冷却的条件下可直接煅烧制备表观密度为1.23 g/cm3、24 h 吸水率为1.82%、单颗粒抗压强度为5.6 MPa、具有光滑致密表面的轻质高性能陶粒。