利用淤積海泥制陶粒的研究

利用淤積海泥制陶粒的研究

1輕骨料陶粒和超輕粒中國是一個長海的國家。隨著沿海地區(qū)工業(yè)的快速發(fā)展，大量礦渣堆積在沿海許多地方，導(dǎo)致了嚴(yán)重的海上污染和航行堵塞。我們經(jīng)過非常細(xì)致的調(diào)查研究后發(fā)現(xiàn),用其制造超輕陶粒無論是在技術(shù)上還是在經(jīng)濟(jì)上都具有良好的可行性。輕骨料陶粒主要是用來配制輕骨料混凝土,在國外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。盡管目前我國的人造輕骨料的產(chǎn)量還不高,應(yīng)用還不普遍,但我國具有發(fā)展輕骨料生產(chǎn)的豐富的淤積海泥和工業(yè)廢料,輕骨料混凝土的開發(fā)與應(yīng)用是我國建筑工程材料必然的發(fā)展方向之一。超輕陶粒是堆積密度不大于500kg/m3的輕骨料,可配制表觀密度1200～1400kg/m3及以下的保溫或結(jié)構(gòu)保溫混凝土,能滿足制作密度等級為600～800系列輕骨料混凝土小砌塊和輕質(zhì)墻板的要求,市場潛力巨大。利用淤積海泥燒制超輕陶粒項目已通過了省級鑒定。2海泥的積累2.1原生粘土的處理淤積海泥是工業(yè)和日常生產(chǎn)排放的廢水、廢渣及地表土經(jīng)水運漂流到海岸線淤積起來的粘土,屬于次生粘土,比原生粘土要細(xì)。由于較重、較堅硬的砂粒、石子等,已先行沉積而除去,因此其具有良好的可塑性。2.2礦物成分及礦物成分經(jīng)過對青島市海岸線淤積海泥的調(diào)查、取樣和分析表明,有機質(zhì)含量為1%～3%;礦物成分主要是伊利石、水云母高嶺石蒙脫石等粘土質(zhì)礦物另外還有長石石英等少量非粘土質(zhì)礦物。粘土質(zhì)礦物中,伊利石約占60%,水云母約占25%,高嶺石約占10%,蒙脫石約占3.5%,其間還夾雜少量的有膨脹作用的貝殼、珊瑚屑等。2.3粘結(jié)劑的用量大,容易成球淤積海泥的粒度分布如表1。從表1的分析結(jié)果可以看出,淤積海泥的顆粒極細(xì),大于5μm的顆粒含量小于40%,而小于5μm的顆粒含量高達(dá)61.57%,且其礦物成分主要是粘土質(zhì)礦物,因此,其可塑性非常好,無需再添加任何粘結(jié)劑就可以很容易地成球,這對簡化成球工序是十分有利的。2.4物理分化首先在青島市海岸線有代表性的區(qū)域采集樣品,再分別進(jìn)行烘干和均化處理,然后進(jìn)行化學(xué)分析,結(jié)果如表2。3海泥沉積過程中對超輕陶粒的沉積3.1粘土膨脹機理在焙燒過程中,淤積海泥中的粘土質(zhì)礦物在高溫作用下軟化并具有一定的粘度,此時在自重的作用下沿著傾斜的旋窯向下滾動時形成球形顆粒,生產(chǎn)出粒型系數(shù)接近于1的球型陶粒。同時在粘土質(zhì)礦物軟化的溫度范圍內(nèi),粘土的某些礦物成分會產(chǎn)生膨脹性氣體在氣體壓力的作用下已經(jīng)軟化的粘土發(fā)生膨脹,形成多孔結(jié)構(gòu)。其膨脹機理包括如下幾個方面:(1)粘土質(zhì)礦物在膨脹溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生的氣體壓力小于膨脹孔隙孔壁的破裂強度,從而避免膨脹性氣體外逸造成陶粒爆裂而形成不規(guī)則粒型。(2)含結(jié)晶水礦物在高溫下脫水形成膨脹性水蒸氣參與粘土的膨脹過程。(3)有機質(zhì)將粘土質(zhì)礦物中的氧化鐵還原成氧化亞鐵并產(chǎn)生膨脹性氣體CO2,海泥中的貝殼、珊湖屑等也分別釋放出膨脹性氣體CO2,二者均以微小封閉氣泡的形式均勻分散于部分熔化的粘土液相中,冷卻后即形成多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)。3.2原料配比的影響化學(xué)成分對粘土質(zhì)礦物的膨脹有很大的影響。試驗表明,根據(jù)計算各化學(xué)成分之間的比值,可以大致判斷原料的膨脹性能。海泥中SiO2、Al2O3是難熔成分,它和易熔成分(CaO、MgO、K2O、Na2O、Fe2O3)的質(zhì)量比,一般應(yīng)控制在3.5～10.0。當(dāng)比值較小時,陶粒燒成溫度較低,對膨脹有利。當(dāng)比值較大時,燒成溫度較高,對窯爐和陶粒的燒成不利。根據(jù)上述的化學(xué)成分分析結(jié)果計算得出,本研究所用淤積海泥的該比值為3.76,非常適合于燒制超輕質(zhì)陶粒。另外,氧化鐵和有機質(zhì)的相對含量也會嚴(yán)重影響海泥的膨脹性能。試驗表明,兩者的比值宜控制在1～2。因為淤積海泥的燒失量不完全是有機質(zhì),所以該比值在1左右比較適合于陶粒的膨脹。3.3焙燒溫度對料球膨脹率的影響料球在適宜的焙燒制度下,燒脹后的體積與未燒前的體積之比即為膨脹率。影響料球膨脹率大小的因素主要有原料的礦物組成、化學(xué)成分、顆粒級配、料球的致密程度、含水率以及焙燒溫度等因素。在原料的品質(zhì)和工藝參數(shù)相對穩(wěn)定的前提下,料球的膨脹率主要受焙燒溫度的影響,試驗結(jié)果見表3。由表3的試驗結(jié)果表明該海泥能夠用來燒制超輕陶粒,同時還可以看出,料球的膨脹率隨溫度的升高而增大,但是,溫度過高,膨脹率又開始降低,并會發(fā)生結(jié)窯現(xiàn)象,適宜的焙燒溫度范圍為1050～1250℃。在膨脹溫度范圍內(nèi),溫度越高,所需焙燒時間越短,另外,焙燒時間還受窯爐型式的影響,試驗確定,焙燒時間以4～6min為宜。4海泥生產(chǎn)過程包括超輕陶粒海污泥4.1氣孔率和含水率制備生料球的設(shè)備是擠壓成球機,其特點是適應(yīng)海泥成球,且構(gòu)造簡單,產(chǎn)量高,動力消耗少,運行可靠,調(diào)節(jié)靈活,制備的料球強度也高,氣孔率和含水率較易掌握。制備生料球時,首先將原料海泥進(jìn)行濕度調(diào)整和均化處理,然后擠壓成5～12mm的生料球。通過調(diào)整擠壓成球機各種尺寸孔眼的相對數(shù)量,可以使燒制出的陶粒符合顆粒級配要求。4.2擋火墻內(nèi)溫度燒結(jié)是生產(chǎn)陶粒的最主要工藝環(huán)節(jié)。我們所采用的工藝設(shè)備為縮短的單筒旋窯,內(nèi)設(shè)兩道擋火墻,兩道擋火墻之間為副高溫帶,溫度為700～900℃,第一擋火墻附近為斜截柱狀區(qū)域的高溫帶,溫度為1050～1250℃,窯體高溫區(qū)右側(cè)噴煤嘴附近為降溫區(qū)。調(diào)節(jié)窯體旋轉(zhuǎn)速度,控制料粒在副高溫帶滯留4～5min,在高溫帶滯留20～40s后進(jìn)入降溫區(qū),迅速降至800℃以下,可防止因過燒而回縮或結(jié)塊的發(fā)生。4.3燒結(jié)砂的破碎燒結(jié)后卸出的成品,絕大部分是球形顆粒,小部分燒結(jié)成大塊,還夾雜有少量燒結(jié)砂,為滿足使用要求,需要進(jìn)行破碎和篩分,然后分別用輸送設(shè)備運往堆場。5高溫?zé)煔庵芯酆侠w維復(fù)合質(zhì)粒的制備淤積海泥中Cl-的含量較高,達(dá)到1.02%。因為Cl-對鋼筋構(gòu)成威脅,所以,人們對其在陶粒中的含量極為關(guān)注,Cl-含量高低是影響開發(fā)利用淤積海泥超輕陶粒可行性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素。研究發(fā)現(xiàn),在高溫?zé)煔庵械乃魵獾淖饔孟?NaCl會被分解為Na2O和HCl,HCl隨水蒸氣一起被排除,Na2O與陶粒表面的粘土和粘土中的游離SiO2發(fā)生作用,在陶粒表面形成一層極薄的玻璃質(zhì)層。其反應(yīng)式為:這種玻璃質(zhì)層與陶粒形成一體,沒有界面,堅固結(jié)實,穩(wěn)定性好,因此陶粒的吸水性較低,軟化系數(shù)較大。經(jīng)測定,淤積海泥陶粒中Cl-的含量僅為0.001%,能滿足各種鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土對Cl-含量的要求。6超輕粗骨料與標(biāo)準(zhǔn)密度等級的對比我們參照《輕集料及試驗方法》(GB/T17431-1998)規(guī)定對淤積海泥超輕陶粒的質(zhì)量進(jìn)行了檢驗并與國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的密度等級為400的超輕粗骨料的指標(biāo)進(jìn)行對比,結(jié)果如表4所示。從表4的試驗結(jié)果可以