花崗巖尾泥與渣土制備輕質陶粒的研究

權宗剛，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計院有限公司，陜西西安 710061；2.深圳職業技術大學，廣東深圳 518055；3.中鐵九局集團第三建設有限公司，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，是目前行業研究的重點之一?；◢弾r尾泥是花崗巖經選礦、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、揚塵等嚴重的環保問題，推動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，生產出穩定的低堿高質量水泥熟料，綜合經濟效益顯著。曾偉和侯龍[6]使用長石尾泥經提純、磁選和脫水，生產了一種70~150 目的釉用長石原料，其工藝簡單可靠，成品經濟效益較高。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道。

陶粒是一種新型輕質、保溫、高強、多功能的人造輕骨料，在裝配式建筑PC 構件、混凝土橋梁工程、公共建筑輕骨料混凝土結構工程、高層超高層結構輕骨料混凝土工程、道路工程等工程中具有良好的應用前景。陶粒工藝適用性較好，可根據當地地質資源，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，生產不同堆積密度的陶粒產品。張文軍等[7]研究了安山巖尾泥輕質陶粒的制備工藝，拓展了安山巖尾泥的增值利用途徑。

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

1 實 驗

1.1 實驗原料

本實驗主要原料為湖北地區花崗巖尾泥和渣土，如圖1所示?；◢弾r尾泥呈灰色，屬軟巖尾礦類，含有砂質顆粒，尾泥的黏土性質顯著；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、鉀長石、斜長石、云母為主要組成的高SiO2、高熔劑K2O、Na2O 的瘠性原料，燒失量僅為0.67%；渣土是一種以非黏土礦物石英、長石以及少量黏土質礦物伊利石和蒙脫石為主要礦物成分的原料?；瘜W組成的分析結果顯示，花崗巖尾泥具有組成陶粒的Si、Al、Mg、Fe、Ca、K、Na 等適宜的基礎成分，構成了形成陶粒的必要條件。但是其塑性指數為5.62，無法單獨成球造粒，因此在制備陶粒時需配合摻入渣土。木屑為市購天然松木木屑。Fe2O3為化學標準試劑。

表1 花崗巖尾泥及渣土的主要化學成分%

圖1 原料概況

1.2 實驗方法

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

本實驗旨在研究分析花崗巖尾泥和渣土制備陶粒的膨脹性能，得到陶粒產品中花崗巖尾泥的最大摻量，進而在工業生產中高效利用花崗巖尾泥，并推動固體廢物資源綜合利用。根據Riley 三角形形成適宜膨脹性能的化學成分范圍，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%，進行配方設計。通過分別調整花崗巖尾泥和渣土的比例，以及在其最大摻配比例基礎上的復配發氣劑配比，對陶粒膨脹性能進行了研究。

2 實驗結果與討論

2.1 原料配比對陶粒膨脹性能的影響

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

表3 實驗配比設計

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，所有樣品均未產生明顯的炸裂，說明花崗巖尾泥適合作為生產陶粒的原料，其化學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構有關，對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，所有樣品均呈現吸水率下降的趨勢，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 ℃時以及A46 樣品在1230 ℃時的吸水率突然增大，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 助熔成分相對較高，因此陶粒樣品整體熔結密實，高溫時表面呈現?；?，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 復配發氣劑配比對陶粒膨脹性能的影響

復配發氣劑選用木屑和Fe2O3。其中木屑作為有機碳源，能夠在陶粒焙燒過程中參與Fe2O3的氧化還原反應，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。為研究復配發氣劑配比對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，對復配發氣劑比例進行調整。通過陶粒樣品的焙燒實驗，確定最佳膨脹性能，配比見表5。

表5 復配發氣劑的配比

在不同焙燒溫度下采用不同復配發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 不同焙燒溫度下復配發氣劑配比對陶粒性能的影響

圖5 不同焙燒溫度采用不同復配發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。當焙燒溫度1200 ℃時，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，復配發氣劑中木屑量多，碳鐵比較高，B54 樣品中的發氣成分總含量高，從而表現出較好的膨脹性能。因此，通過調節復配發氣劑中木屑和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 不同復配發氣劑制得陶粒樣品的主要性能

由表6 可見：根據陶粒形貌、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更為穩定的范圍為1150～1200 ℃，并進行分析。B25（A64）樣品在1120～1200 ℃間80 ℃的焙燒溫度范圍內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，隨著復配發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陶粒主要原料配方A64 的基礎上進行研究，因此陶粒產生的?；合啾豢刂圃谳^為合理的范圍內。隨著碳鐵比的增高，在早期膨脹過程中膨脹氣體產生量隨之增大，使集料能夠得到充分膨脹，從而實現陶粒的輕質化。因此，B54 樣品的平均堆積密度最低，膨脹性能最佳。

3 結 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%。當花崗巖尾泥的摻配比進一步提高時，尾泥中助熔成分含量增多，使陶粒樣品更為密實，不利于陶粒的輕質化。

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

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