利用建筑垃圾和水稻秸稈制備陶粒的研究★

陳成俠 陳玲玲 王傳虎

(1.安徽珍昊環保科技有限公司，安徽 滁州 233100；2.蚌埠學院土木與水利工程學院，安徽 蚌埠 233030； 3.蚌埠學院材料與化學工程學院，安徽 蚌埠 233030)

1 概述

我國每年產生的建筑垃圾約3億t，如果不去及時處理加以綜合利用，建筑垃圾不僅占用大量土地，還會造成水土流失和環境污染，對生態環境和人體健康構成威脅。我國作為農業大國，水稻秸稈資源豐富，但卻不能很好的轉化利用，違燒現象屢禁不絕，這不僅造成了能源浪費、污染環境，還對公路、森林以及航空造成威脅[1]。

使用建筑垃圾和水稻秸稈，經過破碎、篩選、混合、成球、預熱、煅燒等工序制得陶粒，拓寬了建筑垃圾和水稻秸稈利用途徑。

陶粒除用作輕骨料外，因其表面粗糙、孔隙率高、比表面積大、化學性質穩定、不含有害物質，易于再生，并且重復利用率高等特點使其可以作為吸附材料。

2 材料與方法

2.1 儀器

電磁式制樣粉碎機、箱式電阻爐、電熱恒溫干燥箱、電子天平、X射線衍射儀、坩堝、燒杯、李氏比重瓶等。

2.2 藥品

氫氧化鈉、鹽酸、氟化鉀、氯化鉀、硝酸鉀、乙二胺四乙酸二鈉、硫酸銅、三乙醇胺、鈣黃綠素、甲基百里香酚藍、酒石酸鉀鈉、硝酸、氨水、酚酞、磺基水楊酸鈉、醋酸、乙酸鈉、PAN、苦杏仁酸、酸性格蘭K、萘酚綠B、甲基橙、碳酸鈣等，均為分析純。

2.3 試驗方案

試驗流程如圖1所示。

原材料的成分依據GB/T 16399—1996粘土化學分析方法，陶粒吸水率、表觀密度依據CJ/T 299—2008水處理用人工陶粒濾料和GB/T 17431.2—2010輕集料試驗方法。

2.4 單因素控制變量試驗

2.4.1原料配比選擇

由于建筑垃圾為主要原材料，水稻秸稈為輔助材料，所以建筑垃圾和水稻秸稈配比選取四組，分別為9∶1，8∶2，7∶3，6∶4。通過單因素控制變量初步確定了煅燒工藝，在相應的煅燒溫度T1、煅燒時間t1、預熱溫度T2、預熱時間t2的條件下，分別對上述四組配比進行煅燒試驗。并對燒制陶粒的外觀、表觀密度及1 h吸水率進行測定，選取最佳配料比。

取適量建筑垃圾粉末，緩慢加入一定量的水進行混合，手工成球，使其直徑大于5 mm。然后將生料球放入電熱恒溫鼓風干燥箱于(105±2)℃干燥1 h，以除去生料球中的水分，避免煅燒時料球因含水較多破裂，干燥后的料球備用。

2.4.2煅燒溫度的選擇

在煅燒時間t1取10 min，預熱溫度T2取450 ℃，預熱時間t2取20 min的環境下，分別在煅燒溫度T1為1 000 ℃,1 050 ℃,1 100 ℃,1 150 ℃,1 200 ℃下進行燒制。并對燒制陶粒的外觀、表觀密度及1 h吸水率進行測定，選取最優煅燒溫度T1。

2.4.3煅燒時間的選擇

在確定了煅燒溫度T1，預熱溫度T2取450 ℃，預熱時間t2取20 min的環境下，分別在煅燒時間t1為5 min,10 min,15 min,20 min,25 min下進行燒制。并對燒制陶粒的外觀、表觀密度及1 h吸水率進行測定，選取最佳煅燒時間t1。

2.4.4預熱溫度的選擇

在確定了煅燒溫度T1、煅燒時間t1，預熱時間t2取20 min的環境下，分別在預熱溫度T2為350 ℃,400 ℃,450 ℃,500 ℃,550 ℃下進行燒制。并對燒制陶粒的外觀、表觀密度及1 h吸水率進行測定，選取最佳預熱溫度T2。

2.4.5預熱時間的選擇

在確定了煅燒溫度T1、煅燒時間t1，煅燒溫度T1，煅燒時間t1取10 min，預熱溫度T2取450 ℃的環境下，分別在預熱時間t2為10 min,15 min,20 min,25 min,30 min下進行燒制。并對燒制陶粒的外觀、表觀密度及1 h吸水率進行測定，選取最佳預熱時間t2。

2.5 正交設計試驗

通過單因素試驗確認了燒制建筑垃圾—水稻秸稈纖維陶粒的大致煅燒工藝，配比試驗確認了最佳的原料配比。繼續通過一組正交設計試驗，綜合考察建筑垃圾—水稻秸稈纖維陶粒的最佳煅燒工藝條件。

2.6 陶粒產品性能分析

觀察陶粒成品的外觀顏色、表層結構以及內部孔隙， 并對陶粒成品進行XRD衍射試驗，定性分析陶粒成品的化學組分。

3 結果與討論

3.1 測定原材料的成分

通過試驗，最終測定采集的建筑垃圾化學成分和燒失量如表1所示。

表1 建筑垃圾主要化學成分

通過查閱資料上述成分組合能夠成功燒制陶粒。

3.2 單因素控制變量試驗

3.2.1煅燒溫度的選擇結果

在煅燒時間t1取10 min，預熱溫度T2取450 ℃，預熱時間t2取20 min的環境下，分別在煅燒溫度T1為1 000 ℃,1 050 ℃,1 100 ℃,1 150 ℃,1 200 ℃下進行燒制，試驗結果如表2所示。

表2 煅燒溫度的影響

由表2可知，最佳煅燒溫度T1選擇1 150 ℃。

3.2.2煅燒時間的選擇結果

在煅燒溫度T1取1 150 ℃，預熱溫度T2取450 ℃，預熱時間t2取20 min的環境下，分別在煅燒時間t1為5 min,10 min,15 min,20 min,25 min下進行燒制，試驗結果如表3所示。

表3 煅燒時間的影響

由表3可知，最佳煅燒時間t1選擇10 min。

3.2.3預熱溫度的選擇結果

在煅燒溫度T1取1 150 ℃，煅燒時間t1取10 min，預熱時間t2取20 min的環境下，分別在預熱溫度T2為350 ℃,400 ℃,450 ℃,500 ℃,550 ℃下進行燒制，試驗結果如表4所示。

表4 預熱溫度的影響

由表4可知，預熱溫度為400 ℃時，1 h吸水率和其他條件下的1 h吸水率差別較大，取陶粒進行破碎，發現陶粒內部尚未完全膨脹。最佳預熱溫度T2選擇450 ℃。

3.2.4預熱時間的選擇結果

煅燒溫度T1取1 150 ℃，煅燒時間t1取10 min，預熱溫度T2取450 ℃的環境下，分別在預熱時間t2為10 min,15 min,20 min,25 min,30 min下進行燒制，試驗結果如表5所示。

表5 預熱時間的影響

由表5可知，預熱時間為10 min時，1 h吸水率和其他條件下的1 h吸水率差別較大，取陶粒進行破碎，發現陶粒內部尚未完全膨脹。最佳煅燒時間t2選擇15 min。

通過以上四組單因素控制變量試驗，初步確定建筑垃圾—水稻秸稈纖維陶粒的煅燒工藝，煅燒溫度T1為1 150 ℃，煅燒時間t1為10 min，預熱溫度T2為450 ℃，預熱時間t2為15 min。

3.3 原料配比試驗

通過四組試驗，測定陶粒的外觀、表觀密度及1 h吸水率，選取最佳配料比，試驗結果如表6所示。

表6 原料配比的影響

由表6可知，建筑垃圾和水稻秸稈最佳配比為7∶3。

3.4 正交設計試驗

取四個變量，分別為：預熱溫度、預熱時間、煅燒溫度、煅燒時間，每個變量取3個水平，預熱溫度取400 ℃，450 ℃，500 ℃，預熱時間取10 min，15 min，20 min，煅燒溫度取1 130 ℃，1 150 ℃，1 170 ℃，煅燒時間取5 min，10 min，15 min。試驗設計如表7所示。

表7 正交設計試驗

試驗結果如表8所示。

表8 正交設計試驗結果

由表8可知，試驗6和試驗8的1 h吸水率過大，取陶粒進行破碎，發現陶粒內部尚未完全膨脹。最佳試驗結果為試驗9。

3.5 陶粒產品性能分析

3.5.1形貌特征

外觀上呈現暗黃色，表面是一層釉化的材質，從外表上看，建筑垃圾—水稻秸稈纖維陶粒外表面粗糙，光滑度低，表面有孔隙，如圖2所示。對陶粒進行破碎處理以便觀察其內部結構，陶粒斷面是一層暗黃色的類似晶體的外殼，陶粒內部呈現黑色，并且具有很多氣孔，如圖3所示。

3.5.2XRD衍射試驗

XRD衍射圖譜如圖4所示。

結果表明：燒制的建筑垃圾—水稻秸稈纖維陶粒的主要礦物成分有石英(SiO2)、黏土類高嶺石(Al2[Si2O5]·(OH)4)、莫來石(Al6Si2O13)、方解石(CaCO3)及赤鐵礦(Fe2O3)等，并且雜峰比較多，含有許多非晶質的煤。

3.6 結論

以建筑垃圾為主要原料，水稻秸稈為輔助原料。經過單因素試驗、原料配比試驗以及正交設計試驗，分析試驗結果以及相關試驗現象，得出以下結論：

1)建筑垃圾—水稻秸稈纖維陶粒的最佳原料配比為7∶3，最佳煅燒工藝：煅燒溫度為1 150 ℃，煅燒時間為5 min，預熱溫度為500 ℃，預熱時間為20 min。

2)引起陶粒膨脹反應的氣體為建筑垃圾里的碳酸鹽分解產生的二氧化碳、水稻秸稈燃燒產生的一氧化碳及二氧化碳、氧化鐵被還原產生的一氧化碳和二氧化碳。

3)煅燒過程盡量快速升溫，緩慢升溫的情況下水稻秸稈直接完全燃燒不能引起料球膨脹，同時料球其他材料會在煅燒的過程中占據秸稈的位置，最終使燒制的陶粒內部孔隙不明顯。

4)燒制的陶粒成品表觀密度為1 165 kg/m3，1 h吸水率為6.3%，達到試驗預期。