利用红泥岩制备轻质球形陶粒的试验研究.doc

利用红泥岩制备轻质高强球形陶粒的试验研究黄少文 郭灿贤 徐玉华（南昌大学材料科学与工程学院，南昌，330047）摘要：研究了利用红泥岩烧制轻质陶粒的制备工艺；分析检测了红泥岩陶粒的物理性能和孔隙结构，并对红泥岩的烧胀机理进行了探讨。研究结果表明：利用单组分红泥岩可烧制容重等级为900的高强陶粒，掺少量有机废料作发泡剂则可烧制出轻质高强红泥岩陶粒。关键词：红泥岩；陶粒；烧胀性；轻质高强Abstract: The manufacturing process of light ceramisite with burning red mudstone were investigated in this paper. The physical properties and pore structure of the red mudstone ceramisite has been tested. The burning expansion mechanism of the red mudstone were discussed. The experiments results show that the heigh-strength and 600 volume density grade ceramisite could be maded with one-component red mudstone. The light and heigh-strength ceramisite could be burned by adding a small quantity of organic waste as a blowing agent in red mudstone.Key words: red mudstone; ceramisite; burning expansivity; lightweight and high strength轻质陶粒是轻型混凝土材料的人造轻骨料，它与水泥、石灰、石膏等胶凝材料配合可制成具有保温、隔热和吸声等特性的轻质板材和砌块，广泛应用于建筑物的轻型墙体、屋面、隔热层和热工构筑物。随着我国墙材改革和建筑节能政策的深入贯彻，轻质陶粒在新型建材中的用量迅速上升，成为陶粒用途的主要部分。此外，轻质球形陶粒用于曝气生物滤池的填料具有挂膜性好，水流阻力小和易清洗的特点，已越来越多地取代传统的石英填料和塑料填料，在污水处理工程中获得了大量的应用。轻质陶粒的原料来源较广，大多数粘土类原料和粉煤灰、煤矸石、炉渣等工业废渣都可用于制备轻质陶粒。但各类原料的工艺性能特别是烧胀性有很大差别，可以直接烧胀（不掺发泡剂）而达到应用要求的原料（天然陶粒原料）并不多见。由于用天然陶粒原料制备轻质陶粒可以大大简化生产工艺和降低生产成本，使其成为陶粒企业努力寻找的理想原料1。红泥岩是分布于我国南方的一种紫红色致密状泥岩，仅江西境内就有红泥岩沉积的大小盆地30余个2，分布广，储量多。对红泥岩的组成和工艺性能的研究发现，红泥岩具有天然陶粒原料的物理化学特性，以红泥岩为原料可制备出性能优良的轻质高强球形陶粒。1 红泥岩的组成及烧胀性评价按照原料中碱性氧化物含量的多少可将红泥岩分为碱性红泥岩和酸性红泥岩两类。本研究选用江西南城的酸性红泥岩，其化学成分见表1，物相分析（XRD）见图1。表1 红泥岩的化学成分（%）SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OLoss红泥岩红泥岩成分范围63.1658.00-69.0018.7014.00-20.005.873.20-7.700.970.11-1.000.410.10-1.302.331.20-3.500.350.10-0.507.267.00-12.00 陶粒原料的组成是影响原料烧胀性能的最重要的因素，根据Riley3对大量粘土和页岩烧胀性的研究，得到具有良好烧性原料的化学组成应符合图2所示相图的环形区域内 。本研究所用红泥岩组成位于图2中R点位置；酸性红泥岩的成分波动范围也都落在图2的膨胀区域内。因此，从化学组成上看，红泥岩具有良好的烧胀性。 100%SiO2 Al2O350% 50%熔剂氧化物 R 图1.红泥岩的XRD图谱 图2 能有效发泡的粘土组成范围M-白云母；Q-石英；K-高岭石 R-红泥岩化学组成点 除化学成分外，粘土矿物的种类对原料的烧胀性也会产生较大影响。吉隆岗的研究3认为，粘土矿物中的蒙脱石、伊利石和绿泥石对膨胀是有利的。图1的XRD图谱的检索结果表明，红泥岩的粘土矿物以白云母为主，有少量高岭石、蒙脱石和绿泥石。半定量分析结果为：白云母72.4%；高岭石18.0%；石英9.6%。白云母的化学成分与伊利石十分相近，和蒙脱石同为二八面体结构。因此，红泥岩的物相组成也反映其具有良好的烧胀性。 此外，红泥岩土质细腻，粘粒含量高，可塑性好（可塑性指数16-25），掺水调成泥团手工成球，料球柔韧光滑，这种致密的料球在煅烧时受气氛影响较小，并有利于发气反应在较宽的温度范围内持续进行4。2.无发泡剂红泥岩陶粒的制备为比较红泥岩与普通粘土和页岩的天然烧胀特性，将红泥岩与粘土（取自江西高安）和页岩（取自江西乐平）在相同试验条件下进行陶粒制备试验。2.1制备方法陶粒制备工艺流程为：原料破碎粉磨（通过80筛）干燥（100，1）成球预烧（600，20）焙烧（1180，8）冷却（出炉自然冷却）成球在自制的直径为500边高500的成球盘中进行，预烧和煅烧分别在2台硅碳棒高温炉中进行，容器采用刚玉坩埚。2.2陶粒性能三种原料烧制的陶粒分别测定堆积密度、表观密度、吸水率和强度。前三项性能依据轻骨料试验方法（GB2842-81）进行；强度测定考虑到试样数量问题而采用测定单粒强度。即每组试样选取82颗粒10颗，在电子万能试验机上测定抗压强度，取10个强度值的平均值作为强度指标。三种陶粒的物理性能测定结果见表2。表2不同原料陶粒的物理性能试样堆积密度（K/3）表观密度（K/3）吸水率（%）单粒强度（N/个）红泥岩陶粒粘土陶粒页岩陶粒810112011501412190619583.0710.4410.21995209377由表2可见，红泥岩陶粒的堆积密度和吸水率都要比粘土陶粒和页岩陶粒小得多，而强度却要比后两种高得多。从陶粒外观观察，红泥岩陶粒粒径有明显增大，表面形成了釉层，水分不易进入，敲开断面疏松多孔。而粘土陶粒和页岩陶粒的粒径均无增大迹象，表面和断面结构都很致密，表面无釉层。这些现象表明，在未掺发泡剂条件下红泥岩能有效烧胀，而粘土和页岩都不具烧胀性；从表面挂釉情况和内部烧结情况来看，红泥岩的耐火度比粘土和页岩都要低，在相同的煅烧温度下红泥岩可形成更多的熔体，熔体在气体驱动下产生气泡并形成具有较高强度的陶粒骨架结构。3.掺发泡剂红泥岩陶粒的制备红泥岩在不掺发泡剂时烧成的球形陶粒堆积密度仍然较高，只适合于作为高强陶粒使用。要制备容重等级更轻的轻质陶粒或超轻陶粒则必须掺加发泡剂。根据红泥岩组成特点，选用了一种木质素类工业废料作发泡剂。陶粒制备方法同2.1，制备工艺参数采用正交试验进行优化。选择发泡剂掺量、煅烧温度、煅烧时间三个因素，各因素分别设计三个水平值，以堆积密度（K）为质量指标。正交设计因素水平表见表3。正交试验表（L9）见表4。表3正交设计因素水平表水平发泡剂掺量（A）/%煅烧温度（B）/煅烧时间（C）/123246110011501180579表4红泥岩陶粒制备正交试验表（L9）试验号ABCK（K/3）1234567891112223331231231231232313120.7320.5870.5540.8070.5810.5250.9090.7330.546极差0.1050.2750.036正交试验结果表明：（1）三个试验因素中，以煅烧温度极差最大，表示其对陶粒膨胀性的影响最敏感；（2）综合考虑陶粒质量、能耗、成本等因素，以试样2、3、6较优，红泥岩陶粒的适宜煅烧温度为1150-1180，保温时间应大于7，发泡剂掺量2%为佳。4.掺发泡剂红泥岩陶粒的物理性能4.1吸水率选取表4中试样2、3、5、6、9，测定它们的2吸水率（%）分别为6.12、4.67、5.19、4.84、6.35，吸水率均较低。这是因为红泥岩陶粒的表面形成了一层致密的釉膜，尽管其内部疏松多孔，但表面开口孔隙很少，且内部孔隙均为封闭的孤立孔，水分不易渗入。这种陶粒对于制备高流动性轻型混凝土是极为有利的。4.2堆积密度正交试验结果表明，在发泡剂掺量2%，煅烧温度在1150以上，保温7以上的红泥岩陶粒容重等级可达600号标准。而且膨化温度范围较宽，比较容易获得均匀的气泡，实现陶粒的轻质化。4.3 筒压强度按正交表（表4）中试样6的条件烧制了10-20粒级的陶粒3L，测定其筒压强度值为3.90MP，达到了特级品陶粒的指标要求5。因此红泥岩陶粒具有轻质高强的特性。5.红泥岩陶粒的结构将红泥岩陶粒断面在扫描电镜（SEM）下观察，结构形貌如图3。（a） （b）图3.红泥岩陶粒结构的SEM图图3（）图显示红泥岩陶粒内部呈蜂窝状结构，孔隙无规则均匀分布，孔洞孤立不连通，孔径1-500，以20-100居多。（）图可见孔洞断口呈白色环状，环厚约1，表明孔壁为一层均匀的玻璃质膜组成，壁面光滑，孔隙周围呈筋状连续分布，无碎屑，表明红泥岩受热产生大量均匀气泡的同时，还能形成连续致密的筋状网络骨架，这是红泥岩陶粒具有较高强度的结构基础。6.红泥岩的烧胀机理红泥岩在煅烧过程中的膨胀是物质发气与高温熔体协同作用的结果。红泥岩中的发气物质有粘土矿物（白云母、蒙脱石等）、铁化合物（F2O3、FO、FS2）、碳酸盐（CCO3、MCO3）和有机物。它们产生气体的反应有：F2O3C（CO）400-8002 FOCO2MCO3500-850MOCO2CCO3800-1000COCO2FS2O2350-450FSSO24FS7 O2500-8002 F2O34SO2红泥岩加热到400后粘土矿物中的晶体配位水开始脱水，其脱水温度较宽。XRD分析表明，红泥岩中的白云母在900以上仍有明显的衍射峰，说明其脱水分解过程可持续到1000左右。尽管红泥岩中的发气反应都发生在1000以下，但由于红泥岩料球致密，产生的气体在料球中的扩散较慢，使发气反应能够缓慢地持续进行。料球在数分钟内由400-500升至1100时，熔体出现，料球开始软化，在1150-1180时，熔体具有适宜的粘度（约108-9泊4），此时气体在气压作用下驱动熔体膨胀，同时气体又受到熔体的束缚作用，达到平衡时，便形成均匀的气泡。在此状态下保温一定时间，即可烧成多孔结构的陶粒。7.结论红泥岩具有适合烧胀的化学成分和矿物组成，其质地细腻，可塑性好，具备天然陶粒原料的物理化学特性；不掺发泡剂的单组分红泥岩可烧制堆积密度为810K/3的高强陶粒，掺加少量有机物废料（2%）即可烧制容重等级为600号的轻质高强陶粒；利用红泥岩制备陶粒具有制备工艺简便，成本低廉，产品质量好的特点；作为一种长期闲置的资源，开发其在陶粒中的应用具有重要的资源利用和环境保护意义。参考文献1 杨时元.陶粒原料性能及