吳忠市陶粒頁巖燒脹性能影響因素的探討

牛改玲

(中國建筑材料工業地質勘查中心寧夏總隊，寧夏 銀川 750021)

陶粒輕集料是一種人造建筑材料，有質量輕、堅硬、透水、保溫、耐腐蝕等特點，廣泛應用于新型建筑材料、輕質混凝土、污水處理等方面[1-2]。目前，我國生產陶粒的巖石主要是粉砂巖、泥巖、粘土、頁巖等。筆者試驗所用樣品是寧夏吳忠市陶粒頁巖，經過破碎或粉碎過篩、預熱、高溫焙燒、冷卻制成陶粒成品。通過正交試驗研究焙燒條件對陶粒性能的影響，獲取了吳忠市陶粒頁巖的最佳焙燒工藝參數，并依據GB/T17431.2-2010《輕集料及其試驗方法》測試在最佳焙燒工藝參數下燒出的陶粒樣品的表觀密度，并測試陶粒化學成分，找出影響陶粒膨脹性能的化學因素。

通過實驗室系統采樣分析及概略研究，陶粒頁巖的焙燒工藝參數與化學成分數據可以作為野外地質人員評價陶粒頁巖礦產資源質量好壞的理論依據，做出吳忠市陶粒頁巖是否有工業價值或近期能否利用的評價。

1 樣品的地質特征及礦物成分、化學成分

陶粒頁巖礦層賦存于古生界石炭系靖遠組(C1-2j)及上碳統羊虎溝組(C2y)，巖性為棕紅色或紫紅色砂質頁巖，南北礦段共劃分28個礦層。礦層連續對應性較差，呈透鏡狀產出。普查區北礦段礦層傾向159～264°、39～104°，傾角26～88°；南礦段礦層傾向210～291°，傾角51～74°。

礦層礦石巖性為砂質頁巖，礦石呈棕紅色，砂質結構，頁理構造，巖石由粘土礦物(80%)、鐵質(10%)及砂質石英(5%～10%)組成(表1)。粘土礦物呈顯微鱗片狀、隱晶狀，沿層理具明顯定向性，少量粘土礦物變成絹云母，斷續定向分布。鐵質呈隱晶狀及浸染狀散布于巖石中，使巖石整體顯紅褐色。砂質石英呈不規則粒狀混雜于粘土礦物中，粒徑＜0.06mm，略均勻散布。

表1 礦層樣品化學組分分析結果表 (單位：%)

2 燒脹性能試驗

2.1 主要儀器設備

顎式破碎機、電熱鼓風干燥箱、1 200℃馬弗爐、1 300℃馬弗爐、0.1mg電子天平

2.2 試驗樣品的制備

陶粒樣品經過顎式破碎機加工后再用圓盤粉碎機粉碎至通過14目篩后充分混勻，分2份。1份粉碎至200目，用做化學分析；另1份加入20%的自來水攪拌成泥團，隨后搓成10～15mm粒徑樣球，用于焙燒試驗。

將上述樣球放入溫度為105℃的烘箱干燥，時間約為4h左右，等樣球烘干后裝好待燒。

2.3 樣品的預熱與焙燒過程

先將干燥后的樣球放入事先制成的鋼板槽上，放入已達450℃的馬弗爐中進行樣球的預熱，達到預熱時間9min時，立即將盛放樣球的鋼板從預熱爐中取出，迅速放入已達高溫1 100℃的馬弗爐中進行焙燒，繼續升溫達到焙燒溫度1 170℃后開始計時，到時間8min后立刻取出，放涼。用兩臺不同功率的馬弗爐各自進行預熱與焙燒，主要原因是由低溫預熱到高溫焙燒造成環境突變，樣品容易充分燒脹；另外馬弗爐高溫焙燒與實際生產中回轉窯焙燒環境相似[1]。如果使用同一臺馬弗爐完成兩個過程，升溫緩慢，樣品的環境變化不明顯，易于造成樣品膨脹不充分，甚至造成有的膨脹樣品燒結。

3 試驗結果與討論

3.1 最佳焙燒工藝參數的選擇

將每個樣品按250g的質量準備4份，每份再等分5份；將預熱溫度(第一參數)分別設定為400℃、450℃、500℃、550℃、600℃[1-3]，預熱時間(第二參數)分別設定為7min、8min、9min、10min、11min，焙燒溫度(第三參數)分別設為1 120℃、1 145℃、1 170℃、1 195℃，焙燒時間(第四參數)分別設7min、8min、9min、10min、11min，在第二、三、四參數條件下相同時，試燒樣品的膨脹效果好，對應的預熱溫度為第一最佳參數。

3.1.1 預熱溫度對陶粒性能的影響

隨著預熱溫度的升高，陶粒的表觀密度沒有太大的變化，在450℃時陶粒的抗壓強度最高，因此最佳預熱溫度定為450℃(表2)。

表2 吳忠市陶粒頁巖預熱溫度與物理性能測試結果

3.1.2 焙燒溫度對陶粒性能的影響

在最佳預熱溫度、時間及最佳焙燒時間的前提下變化焙燒溫度，測試其所對應的表觀密度(圖1)，確定最佳焙燒溫度。1 110～1 120℃樣球開始脫水，1 145℃開始急劇膨脹，焙燒溫度超過1 170℃后，陶粒表觀密度隨焙燒溫度變化不明顯[5]，1 195℃以后陶粒開始焦化變黑。此樣球膨脹溫度范圍較寬，約為70℃。同樣，可測得其他2份樣球對應的最佳預熱時間與最佳焙燒時間，最終得出樣品的最佳焙燒工藝參數。

圖1 吳忠市陶粒頁巖樣品燒脹曲線

根據以上方法試驗，得出吳忠市陶粒頁巖樣品膨脹性能的最佳焙燒工藝參數為：預熱溫度450℃、預熱時間9min、焙燒時間8min，焙燒溫度1 170℃。此時陶粒樣品外觀光滑圓潤，膨脹效果最佳，對應的表觀密度為902kg/m3，抗壓強度410N。試驗中樣品件數越多，測得的最佳參數越精確。

3.2 化學成分對膨脹性能的影響

實驗室依據國家標準GB/T14506-2010《硅酸鹽巖石化學分析方法》對不同的陶粒頁巖樣品進行化學分析，然后依據國家標準GB/T17431.1-2010《輕集料及其試驗方法》[12]，用確定的最佳焙燒工藝參數燒制樣品。樣品自然類型為10個棕紅色砂質頁巖樣品、3個灰色砂質頁巖樣品、1個灰色粉砂巖、1個灰黑色砂質頁巖(表3)。

表3 吳忠市陶粒頁巖化學與物理性能測試結果

成陶發氣成分主要為Fe2O3、FeO、C、有機質等，次為微量碳酸鹽和含水礦物。據化學成分結果Fe2O3平均含量為7.09%，處在一般工業要求5%～10%的指標要求中間值；燒失量平均含量8.59%，有機質含量不深于標準色要求。因此，礦石中Fe2O3含量偏低，有機質和含水礦物含量較高且變化系數較小，有利于提高礦石的燒脹性能，燒失量主要反應了碳或有機質(包含水)的質量分數，若其含量太低，樣品在高溫焙燒過程中產生的氣體少而不能膨脹[7]，表中礦石燒失量含量多大于8%，燒失量數據低于8%則為巖石[8]。但氧化鉀與氧化鈉合量(K2O+Na2O)＞6%時容易引起料球燒結而影響膨脹性能，以上兩種化學成分質量分數是區別巖石與礦石的標準[8]。

礦石中不同的化學成分分別起著不同的作用，SiO2和Al2O3是燒制陶粒的主要成分，但其合量過高(＞85%)則巖石不具有燒脹性能[6-8]，合量過低影響陶粒的強度。遲培云等[9]通過對原料的化學成分與膨脹性能關系的研究認為，成陶主要組分Al2O3、SiO2之和與成陶溶劑組分Na2O、K2O、CaO、MgO 等之和的比值在3.5～10。在高溫環境下，陶粒頁巖在膨脹成陶粒過程中，碳或有機質、鐵起到了關鍵作用，因此實際生產中判斷陶粒頁巖與普通頁巖的直觀方法可以采用目測巖石中是否含黑灰色碳或有機質的方法，顏色深則含碳量高容易發生膨脹，而淺色泥質巖石碳質量分數低不易膨脹。

4 結論

(1)本文通過燒脹性能試驗得出吳忠市陶粒頁巖最佳焙燒制度為：預熱溫度450℃、預熱時間9min，最佳焙燒溫度1 170℃、時間為8min；此種條件下陶粒表觀密度約為300～930kg/m3。

(2)影響陶粒燒脹性能的因素有化學成分、粒度大小、塑性指數、焙燒制度[6-10]等：化學成分Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O是有益成分，有益成分與SiO2合理搭配才具有良好的燒脹性能[11-12]，SiO2、Al2O3＜85%，K2O、Na2O＜6%，燒失量＞8%時，膨脹性能好，以上各種因素的影響集中體現在燒脹性能，其表象又是陶粒外表的光滑與圓潤程度，燒脹性能可以準確評定陶粒原料質量的好壞，其他因素均不能單獨評價，因此陶粒燒脹試驗可以作為判斷陶粒樣品質量好壞的最快捷有效的依據，其他測試數據僅可作為參考。

(3)陶粒是制造商品混凝土的輕骨料，具有節能環保、重量輕、隔音、保溫等諸多優點，是新型建筑材料。目前，寧夏城鎮建設對陶粒輕骨料的用量逐年遞增，其產品供不應求。該礦的開發利用符合國家環保政策，因此，項目建成后將填補寧夏陶土資源開發新型建材生產項目的空白，為打造中國西部最大的陶板生產、研發基地奠定了基礎，市場前景廣闊，具有較好的經濟效益和社會效益。