利用淤积海泥制陶粒的研究

利用淤积海泥制陶粒的研究

1轻骨料陶粒和超轻粒中国是一个长海的国家。随着沿海地区工业的快速发展，大量矿渣堆积在沿海许多地方，导致了严重的海上污染和航行堵塞。我们经过非常细致的调查研究后发现,用其制造超轻陶粒无论是在技术上还是在经济上都具有良好的可行性。轻骨料陶粒主要是用来配制轻骨料混凝土,在国外已经得到广泛应用。尽管目前我国的人造轻骨料的产量还不高,应用还不普遍,但我国具有发展轻骨料生产的丰富的淤积海泥和工业废料,轻骨料混凝土的开发与应用是我国建筑工程材料必然的发展方向之一。超轻陶粒是堆积密度不大于500kg/m3的轻骨料,可配制表观密度1200～1400kg/m3及以下的保温或结构保温混凝土,能满足制作密度等级为600～800系列轻骨料混凝土小砌块和轻质墙板的要求,市场潜力巨大。利用淤积海泥烧制超轻陶粒项目已通过了省级鉴定。2海泥的积累2.1原生粘土的处理淤积海泥是工业和日常生产排放的废水、废渣及地表土经水运漂流到海岸线淤积起来的粘土,属于次生粘土,比原生粘土要细。由于较重、较坚硬的砂粒、石子等,已先行沉积而除去,因此其具有良好的可塑性。2.2矿物成分及矿物成分经过对青岛市海岸线淤积海泥的调查、取样和分析表明,有机质含量为1%～3%;矿物成分主要是伊利石、水云母高岭石蒙脱石等粘土质矿物另外还有长石石英等少量非粘土质矿物。粘土质矿物中,伊利石约占60%,水云母约占25%,高岭石约占10%,蒙脱石约占3.5%,其间还夹杂少量的有膨胀作用的贝壳、珊瑚屑等。2.3粘结剂的用量大,容易成球淤积海泥的粒度分布如表1。从表1的分析结果可以看出,淤积海泥的颗粒极细,大于5μm的颗粒含量小于40%,而小于5μm的颗粒含量高达61.57%,且其矿物成分主要是粘土质矿物,因此,其可塑性非常好,无需再添加任何粘结剂就可以很容易地成球,这对简化成球工序是十分有利的。2.4物理分化首先在青岛市海岸线有代表性的区域采集样品,再分别进行烘干和均化处理,然后进行化学分析,结果如表2。3海泥沉积过程中对超轻陶粒的沉积3.1粘土膨胀机理在焙烧过程中,淤积海泥中的粘土质矿物在高温作用下软化并具有一定的粘度,此时在自重的作用下沿着倾斜的旋窑向下滚动时形成球形颗粒,生产出粒型系数接近于1的球型陶粒。同时在粘土质矿物软化的温度范围内,粘土的某些矿物成分会产生膨胀性气体在气体压力的作用下已经软化的粘土发生膨胀,形成多孔结构。其膨胀机理包括如下几个方面:(1)粘土质矿物在膨胀温度范围内产生的气体压力小于膨胀孔隙孔壁的破裂强度,从而避免膨胀性气体外逸造成陶粒爆裂而形成不规则粒型。(2)含结晶水矿物在高温下脱水形成膨胀性水蒸气参与粘土的膨胀过程。(3)有机质将粘土质矿物中的氧化铁还原成氧化亚铁并产生膨胀性气体CO2,海泥中的贝壳、珊湖屑等也分别释放出膨胀性气体CO2,二者均以微小封闭气泡的形式均匀分散于部分熔化的粘土液相中,冷却后即形成多孔质结构。3.2原料配比的影响化学成分对粘土质矿物的膨胀有很大的影响。试验表明,根据计算各化学成分之间的比值,可以大致判断原料的膨胀性能。海泥中SiO2、Al2O3是难熔成分,它和易熔成分(CaO、MgO、K2O、Na2O、Fe2O3)的质量比,一般应控制在3.5～10.0。当比值较小时,陶粒烧成温度较低,对膨胀有利。当比值较大时,烧成温度较高,对窑炉和陶粒的烧成不利。根据上述的化学成分分析结果计算得出,本研究所用淤积海泥的该比值为3.76,非常适合于烧制超轻质陶粒。另外,氧化铁和有机质的相对含量也会严重影响海泥的膨胀性能。试验表明,两者的比值宜控制在1～2。因为淤积海泥的烧失量不完全是有机质,所以该比值在1左右比较适合于陶粒的膨胀。3.3焙烧温度对料球膨胀率的影响料球在适宜的焙烧制度下,烧胀后的体积与未烧前的体积之比即为膨胀率。影响料球膨胀率大小的因素主要有原料的矿物组成、化学成分、颗粒级配、料球的致密程度、含水率以及焙烧温度等因素。在原料的品质和工艺参数相对稳定的前提下,料球的膨胀率主要受焙烧温度的影响,试验结果见表3。由表3的试验结果表明该海泥能够用来烧制超轻陶粒,同时还可以看出,料球的膨胀率随温度的升高而增大,但是,温度过高,膨胀率又开始降低,并会发生结窑现象,适宜的焙烧温度范围为1050～1250℃。在膨胀温度范围内,温度越高,所需焙烧时间越短,另外,焙烧时间还受窑炉型式的影响,试验确定,焙烧时间以4～6min为宜。4海泥生产过程包括超轻陶粒海污泥4.1气孔率和含水率制备生料球的设备是挤压成球机,其特点是适应海泥成球,且构造简单,产量高,动力消耗少,运行可靠,调节灵活,制备的料球强度也高,气孔率和含水率较易掌握。制备生料球时,首先将原料海泥进行湿度调整和均化处理,然后挤压成5～12mm的生料球。通过调整挤压成球机各种尺寸孔眼的相对数量,可以使烧制出的陶粒符合颗粒级配要求。4.2挡火墙内温度烧结是生产陶粒的最主要工艺环节。我们所采用的工艺设备为缩短的单筒旋窑,内设两道挡火墙,两道挡火墙之间为副高温带,温度为700～900℃,第一挡火墙附近为斜截柱状区域的高温带,温度为1050～1250℃,窑体高温区右侧喷煤嘴附近为降温区。调节窑体旋转速度,控制料粒在副高温带滞留4～5min,在高温带滞留20～40s后进入降温区,迅速降至800℃以下,可防止因过烧而回缩或结块的发生。4.3烧结砂的破碎烧结后卸出的成品,绝大部分是球形颗粒,小部分烧结成大块,还夹杂有少量烧结砂,为满足使用要求,需要进行破碎和筛分,然后分别用输送设备运往堆场。5高温烟气中聚合纤维复合质粒的制备淤积海泥中Cl-的含量较高,达到1.02%。因为Cl-对钢筋构成威胁,所以,人们对其在陶粒中的含量极为关注,Cl-含量高低是影响开发利用淤积海泥超轻陶粒可行性和经济性的重要因素。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与陶粒表面的粘土和粘土中的游离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。经测定,淤积海泥陶粒中Cl-的含量仅为0.001%,能满足各种钢筋混凝土和预应力混凝土对Cl-含量的要求。6超轻粗骨料与标准密度等级的对比我们参照《轻集料及试验方法》(GB/T17431-1998)规定对淤积海泥超轻陶粒的质量进行了检验并与国家标准规定的密度等级为400的超轻粗骨料的指标进行对比,结果如表4所示。从表4的试验结果可以