鋼渣協(xié)同廢催化劑制備陶粒的礦相調(diào)控機(jī)理研究

關(guān)鍵詞：鋼渣；固廢；陶粒；透輝石

中圖分類號(hào)：X705 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）04-0001-08

DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.04.001

Study on the Mineral Phase Control Mechanism of Ceramsite Preparation Based on the Synergy of Steel Slag and Waste Catalyst

WANGZhifei’，LINAnjt2 （1.BGRIMM Technology Group，Beijing 100160，China; 2.Semiconductor Technology Innovation Center（Beijing） Corporation，Beijing 1026O0， China）

Abstract：Stlslagisadiiculttotreatmetalurgicalsolidwastecontaininghighsiliconandhigh-speedrail，ifalarge amountofstelslagisusedtoprepareceramsite，itisasytocausetheoxidationand precipitationofquartzphase，increase the internal stress ofceramsite，lead to crackingandreduce their strength.The experimentaddsraw materials rich in calcium，magnesium，and aluminum to steel slag ceramsite with a steel slag content of 60 % ，and improves the performance ofsteelslagceramsitebyadjustingthemineralphaseoftheceramsite.Duringthis proces，diferentraw materialsareadded to prepare steel slagceramsiteunderdiferentsintering temperatureconditions，andthe mechanismof phasecontrolof steel slag ceramsiteis studiedthroughanalysis methods such asphysical property testing，X-RayFluorescence spectrometer （XRF），and X-Ray Difraction（XRD）.Theresearchresults indicatethatadding high siliconandaluminumraw materials with a dosage of less than 30 % to the steel slag ceramic body has little effect on the final mineral phase and sintering temperatureoftheceramsite.However，withtheincreaseofdiopsidecontent，thecompresivestrengthandwaterabsorption of ceramsite significantly improve.When 20 % diopside is added to steel slag ceramsite，its performance is optimal，with a sintering temperature of ，a flexural strength of 5 0 . 3 M P a ，and a water absorption rate of 0 . 5 8 % ：

Keywords： steel slag;solid waste; ceramsite; diopside

鋼渣是鋼鐵冶煉過(guò)程中轉(zhuǎn)爐、電爐等設(shè)備排放的固體廢棄物，排放量為粗鋼的 年，我國(guó)粗鋼產(chǎn)量約為10.19億t，經(jīng)粗略估計(jì)，鋼渣產(chǎn)量超1.5億t1-3]。目前，鋼渣主要通過(guò)企業(yè)內(nèi)部回收、作為路基材料、制作鋼渣磚、處理廢水等方式進(jìn)行低附加值利用。這些處理方法利用效率低，而且可能導(dǎo)致二次污染。鋼渣的主要化學(xué)成分包括鈣、鎂、硅、鐵、鋁、錳等氧化物，主要礦相為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鈣鎂橄欖石和金屬氧化物相，還含有少量的游離金屬鐵和氧化鈣等成分[4-。鋼渣成分與傳統(tǒng)陶瓷原料接近，但其含鈣、鐵過(guò)高，使得鋼渣在傳統(tǒng)陶瓷體系中難以大宗利用。流化催化裂化（FluidCatalyticCracking，F(xiàn)CC）工藝是煉油廠的主要催化工藝之一，負(fù)責(zé)大部分汽油生產(chǎn)[8。大約 5 0 % 的總運(yùn)輸燃料和大約 3 5 % 的總汽油量是通過(guò)FCC工藝生產(chǎn)的[9-11]FCC工藝催化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的廢催化劑，而催化劑大部分由沸石、基體、黏土、填料、添加劑和黏合劑[12]等成分組成，屬于高硅高鋁原料，這和制備陶瓷的原料成分接近。所以，廢催化劑可以作為制備陶瓷的原料[13-14]

陶粒是陶瓷的低附加值產(chǎn)品，作為一種人工骨料，在很多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。陶粒具有低堆積密度、保溫、隔熱和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可用作建筑領(lǐng)域的輕質(zhì)骨料，緩解與天然骨料供應(yīng)相關(guān)的環(huán)境和可持續(xù)性問(wèn)題。鋼渣協(xié)同石油廢催化劑制備陶粒，不僅能夠解決鋼渣及廢催化劑難利用問(wèn)題，也能減少人類對(duì)大自然過(guò)度開(kāi)發(fā)的壓力。張晨陽(yáng)等[15]將含鈣固廢作為陶瓷原料，分別將其在 和 的溫度下燒結(jié)，制備具有鈣長(zhǎng)石和莫來(lái)石晶相的陶瓷，得到的產(chǎn)品性能優(yōu)于原陶瓷樣品。吳浩等[利用富含 的劣質(zhì)黏土制備 系陶瓷，結(jié)果表明，鐵氧化物的存在促進(jìn)陶瓷的致密化。有研究[17-18]利用氧化鈣含量較高的鋼渣制備陶瓷并開(kāi)展工業(yè)化試驗(yàn)，結(jié)果表明， 系陶瓷適用于協(xié)同利用高鈣和高硅、高鋁組分的固廢原料，當(dāng)陶瓷的主晶相為鈣長(zhǎng)石時(shí)，在較低的燒結(jié)溫度（ ）下，制備出抗折強(qiáng)度 的合格陶瓷。由此可知，高硅、高鋁組分的固廢能夠協(xié)同利用高鈣組分的固廢制備出合格的 系陶瓷。馬遠(yuǎn)等[9]利用油泥協(xié)同粉煤灰、大理石鋸泥，成功制備以鈣長(zhǎng)石和輝石為主晶相的陶瓷，吸水率（ 0 . 2 1 % ）和抗折強(qiáng)度（ ）顯著優(yōu)于《陶瓷磚》（GB/T4100—2015）的標(biāo)準(zhǔn)值。以上基礎(chǔ)研究為鋼渣協(xié)同廢催化劑制備陶粒產(chǎn)品奠定理論基礎(chǔ)。

鋼渣含鐵量較高，耐磨性較差，所以塑性差，陶粒制備過(guò)程難以保證其生壞強(qiáng)度，將含有一定黏性的廢催化劑摻入其中，不僅能改善其生壞粒度，還能夠改善粒度分布。試驗(yàn)以鋼渣為主要原料，制備Si-Fe-Al-Ca系陶粒。其間針對(duì)鋼渣高鈣高鐵、廢催化劑高鋁高硅的特點(diǎn)，研究此條件下的陶粒性能，制備合格的陶粒產(chǎn)品，并對(duì)陶粒的基礎(chǔ)性能進(jìn)行研究，為工業(yè)化制備陶粒產(chǎn)品提供數(shù)據(jù)支撐。

1試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用原料來(lái)自鋼鐵廠和煉油廠，通過(guò)電感耦合等離子體光譜儀檢測(cè)，其成分如表1所示。為系統(tǒng)研究大摻量鋼渣的高鐵體系組分陶粒礦相調(diào)控機(jī)理，設(shè)計(jì)透輝石摻量為 5 % 、 10 % 、 1 5 % 、 2 0 % 及 2 5 % 的5組配方進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，為避免配方中鋼渣鐵含量變化的影響，控制鋼渣的摻量為 5 0 % ，鐵含量折合值約為 2 7 % 。為了降低配方 和 成分的影響，將硅鋁比設(shè)定為3。陶粒原料配比及成分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示，其成分為以氧化硅、氧化鐵和氧化鋁為主的 三元體系。

1.2陶粒制備

首先將鋼渣、廢催化劑和透輝石在 溫度下干燥 2 4 h ，去除水分，烘干后含水量小于 1 % ，然后將其在電磁破碎機(jī)中振磨 3 0 m i n 。通過(guò)篩網(wǎng)（孔徑1 5 0 μ m ）對(duì)研磨產(chǎn)物進(jìn)行篩分并收集，用于下一步試驗(yàn)。將鋼渣、廢催化劑和透輝石按照表2比例混合，制備陶粒。為保證顆粒密度均勻，將陶粒原料混合，用變速攪拌器以 3 5 0 r / m i n 的轉(zhuǎn)速攪拌 。前期探索試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用 原料手工造粒，可以產(chǎn)生直徑為（ 1 0 . 0 ± 0 . 5 ）mm的顆粒。然后，以 3 ： 1 的質(zhì)量比向原料混合物中加人一定量的超純水，混合形成可成型的泥漿，通過(guò)手工捏成直徑為（ 1 0 . 0 ± 0 . 5 ）mm的珠子。隨后，將珠子在干燥箱中于 溫度下干燥 ，以獲得所需的陶粒。陶粒生球通過(guò)兩階段燒結(jié)工藝燒結(jié)。在馬弗爐中，以 的加熱速率將樣品從 加熱到設(shè)定溫度（1120、1140、1160、1180、 ）并保溫 ，然后隨爐冷卻至室溫。

1.3樣品分析及測(cè)試

根據(jù)《輕集料及其試驗(yàn)方法第2部分：輕集料試驗(yàn)方法》（GB/T17431.2—2010）[20，對(duì)制備陶粒的筒壓強(qiáng)度、收縮率和 吸水率進(jìn)行測(cè)試。然而，人工造粒無(wú)法滿足筒壓強(qiáng)度測(cè)試要求，這需要大量的陶粒。因此，使用顆粒強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)試單個(gè)陶粒的破壞載荷。陶粒的破壞載荷是陶粒破裂時(shí)的最大壓力。測(cè)量20個(gè)樣品，取這些測(cè)量值的平均值，通過(guò)式（1）計(jì)算陶粒的抗壓強(qiáng)度。陶粒樣品的吸水率和收縮率分別由式（2）和式（3）計(jì)算，通過(guò)數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量燒結(jié)前后的陶粒最大直徑，為確保數(shù)據(jù)的可靠性，每個(gè)樣本進(jìn)行3次測(cè)試，取平均值。

式中： s 為單個(gè)陶粒的抗壓強(qiáng)度， M P a ： 為陶粒的破壞載荷， k N ： X 為陶粒底部和頂部壓頭的距離（對(duì)于球形陶粒，距離是陶粒的直徑）， m m ： w 為陶粒浸潤(rùn) 的吸水率， % ； W 為吸水后樣品質(zhì)量，g； 為吸水前陶粒質(zhì)量，g； l 為燒結(jié)前后的陶粒收縮率， % ： 為燒結(jié)前的陶粒最大直徑， mm ： L 為燒結(jié)后的陶粒最大直徑， m m 。

對(duì)燒結(jié)樣品的物相組成進(jìn)行X射線衍射（X-RayDiffraction，XRD）分析。測(cè)試力學(xué)性能后的一般塊狀樣品粉磨 2 m i n ，然后用于測(cè)試XRD。使用掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，SEM）觀察樣品表面形貌。首先將樣品拋光，再用超聲波洗凈，然后將樣品放入濃度為 5 % 的HF溶液腐蝕 9 0 s ，迅速放入蒸餾水中沖洗干凈，最后放入 烘干箱內(nèi)干燥。制好的樣品需要進(jìn)行噴金處理，增強(qiáng)其導(dǎo)電性，然后用于掃面電鏡測(cè)試。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1鋼渣陶粒的燒結(jié)規(guī)律

陶粒樣品燒結(jié)過(guò)程的抗折強(qiáng)度、吸水率和收縮率隨溫度變化的結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示。由圖1可見(jiàn)， 試樣抗折強(qiáng)度總體上隨著溫度升高而增大。燒結(jié)溫度為 時(shí)，隨著透輝石添加量的增加，試樣抗折強(qiáng)度先增加后降低，透輝石摻量為5 % ～ 2 0 % 時(shí)，試樣的抗折強(qiáng)度均超過(guò) ，滿足《陶瓷磚》（GB/T4100—2015）的人造陶粒性能要求。其中，透輝石摻量為 2 0 % 的 試樣抗折強(qiáng)度達(dá)到最高值（ 5 1 . 2 M P a ）。然而，繼續(xù)增大透輝石摻量至 2 5 % 時(shí)， 試樣抗折強(qiáng)度下降，僅為

由此可知，燒結(jié)溫度為 時(shí)， 樣品抗折強(qiáng)度相對(duì) 樣品顯著降低。這說(shuō)明透輝石過(guò)量影響陶粒的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)燒結(jié)溫度為 1 1 6 0 ‰ 時(shí)， 樣品的抗折強(qiáng)度較高，這表明前期鈣、鎂離子引入能夠促進(jìn)燒結(jié)反應(yīng)，然而進(jìn)入液相燒結(jié)反應(yīng)階段，過(guò)多的CaO、 M g0 等熔劑類成分可能造成 試樣生成大量的液相而過(guò)燒，坯體內(nèi)部開(kāi)氣孔增多，這是導(dǎo)致試樣抗折強(qiáng)度降低的主要原因。由此可知，本試驗(yàn)中，高鐵（總鐵含量 2 8 . 4 5 % ）組分陶粒透輝石的合適摻量為1 0 % ～ 2 0 % ，對(duì)應(yīng)體系中， C a O 、 M g 0 堿土金屬氧化物含量為 5 % ～ 1 2 % 。

吸水率能反映陶粒燒結(jié)過(guò)程的致密化優(yōu)劣情況。

不同配比樣品的吸水率變化如圖2所示。樣品的吸水率總體上均隨著溫度升高而降低，與圖1抗折強(qiáng)度變化趨勢(shì)相反。當(dāng)溫度為 時(shí)，陶粒樣品吸水率降低明顯，樣品 的吸水率達(dá)到最低值（ 0 . 5 2 % ）。當(dāng)燒結(jié)溫度升高到 時(shí)，除了 試樣以外，其他樣品吸水率繼續(xù)下降。因此，從吸水率變化趨勢(shì)分析，吸水率在 區(qū)間內(nèi)下降斜率最大，說(shuō)明此時(shí)陶粒壞體致密化反應(yīng)劇烈，壞體內(nèi)已出現(xiàn)液相燒結(jié)。因此，透輝石中CaO、 M g 0 的存在可使得鋼渣中的鐵氧化物易與其他成分生成低熔點(diǎn)的礦相，促進(jìn)液相致密化，瓷化程度增強(qiáng)，吸水率進(jìn)一步下降。加入摻量 5 % 的透輝石就能產(chǎn)生現(xiàn)在效果，而透輝石加入量 20 % 的樣品性能達(dá)到最優(yōu)。

陶粒的收縮率也能表征致密化程度。如圖3所示，隨著溫度的升高，陶粒樣品的收縮率在 前緩慢上升，且透輝石添加量大于 5 % 的陶粒樣品收縮率在 1 1 8 0 ‰ 時(shí)高于透輝石添加量 5 % 的陶粒樣品，這與圖2和圖3中抗折強(qiáng)度和吸水率降低的規(guī)律相對(duì)應(yīng)。由此可見(jiàn)，透輝石與陶粒中其他原料的反應(yīng)主要在 后發(fā)生。

焙燒溫度為 時(shí)，透輝石摻量為 5 % ～ 1 0 % 的試樣收縮趨勢(shì)較為平緩，收縮率有所上升；透輝石摻量為 1 5 % ～ 2 5 % 的試樣收縮趨勢(shì)更為陡峭，收縮率也有所增長(zhǎng)。焙燒溫度為 1 1 6 0 ～ 時(shí)， 樣品收縮變化最明顯，其收縮變化量達(dá)到 3 . 4 % 。因此，該溫度范圍內(nèi) 試樣出現(xiàn)的低共熔物最多，形成更多的液相，試樣的致密化效果更好。溫度超過(guò) 1 1 8 0 ‰ 后，添加透輝石試樣的收縮率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，圖2樣品抗折強(qiáng)度存在同樣的變化規(guī)律，這表明在 區(qū)間內(nèi)試樣均出現(xiàn)過(guò)燒，過(guò)燒現(xiàn)象的存在會(huì)導(dǎo)致陶粒表面擴(kuò)張，收縮率和抗折強(qiáng)度降低。

2.2鋼渣陶粒中礦相演變規(guī)律

透輝石的添加有利于鋼渣陶粒物理性能的提升，透輝石摻量為 20 % 時(shí)，陶粒性能提升最為顯著。因此，選擇 5 % 摻量透輝石樣品（ ）以及 2 0 % 摻量透輝石試樣（ ），在不同燒結(jié)溫度（1120、1140、1160、1180、 ）下進(jìn)行XRD分析，以探究 體系下透輝石對(duì)大摻量鋼渣陶粒內(nèi)部礦相演變規(guī)律的影響。

由X射線衍射結(jié)果可知，對(duì)于摻量 5 % 透輝石的陶粒樣品，在不同燒結(jié)溫度下，溫度從常溫上升到 時(shí)，鋼渣陶粒試樣存在石英和赤鐵礦相的衍射峰，而不存在其他礦相的衍射峰，如圖4所示。這表明鋼渣中的礦相已完全被氧化為赤鐵礦相和石英礦相。此外，由于磁鐵礦（ ）和尖晶石（ ）在晶體結(jié)構(gòu)上沒(méi)有較大差異，它們?cè)谙嗤妫?20）、（311）、（400）、（422）、（511）和（440）上對(duì)應(yīng)衍射峰的角度極為接近，因此二者可作為尖晶石群 進(jìn)行討論。

對(duì)比圖4中試樣的XRD圖譜，燒結(jié)溫度為 時(shí)，圖5中 、 、 和 的赤鐵礦特征衍射峰顯著減弱，而 、 和 的尖晶石礦相衍射峰顯著增強(qiáng)。從圖5可知，當(dāng)溫度升高到1 1 6 0 ‰ 時(shí)， 的赤鐵礦特征衍射峰相對(duì)于 的尖晶石特征衍射峰減少。而赤鐵礦是除了尖晶石以外的其他含鐵礦相，因此尖晶石增加，其鐵元素都來(lái)自赤鐵礦。溫度升高后，尖晶石相顯著增加，而部分赤鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)榧饩唷?/p>

對(duì)比圖4和圖5的XRD衍射結(jié)果可知，其余礦相的衍射峰發(fā)生較大變化。例如， 和 的石英特征衍射峰明顯減弱， 和 的鈣長(zhǎng)石特征衍射峰有所增強(qiáng)，石英礦相來(lái)源于黏土類礦物的氧化分解，而鈣長(zhǎng)石礦相生成的主要原因是鋼渣本身存在CaO成分，而CaO作為一種高活性的堿性氧化物，會(huì)與黏土原料中的 和 反應(yīng)結(jié)合，透輝石的加入帶入更多的CaO，最終導(dǎo)致鈣長(zhǎng)石礦相不斷增多，增強(qiáng)陶粒壞體的瓷化強(qiáng)度，同時(shí)逐漸消耗壞體內(nèi)的 成分，導(dǎo)致 試樣的基礎(chǔ)物理性能優(yōu)于 試樣，這與前面測(cè)得的 性能最優(yōu)是一致的。

另外，為了更加準(zhǔn)確地分析 和 試樣中各礦相的衍射峰強(qiáng)度及含量差異變化，試驗(yàn)采用 J a d e6 . 0 軟件對(duì)圖形進(jìn)行精修處理，然后計(jì)算各礦相衍射峰強(qiáng)度。定義 的石英礦相衍射峰峰高作為該礦相的衍射峰強(qiáng)度，記為 ，同樣地， 的赤鐵礦相衍射峰強(qiáng)度記為 ， 的尖晶石礦相衍射峰強(qiáng)度記為 ， 的鈣長(zhǎng)石相衍射峰強(qiáng)度記為icaAlSizOg。為直觀表達(dá)各礦相衍射峰強(qiáng)度變化，將33°的赤鐵礦相衍射峰強(qiáng)度作為基準(zhǔn)，則各晶相衍射峰強(qiáng)度與赤鐵礦相特征峰強(qiáng)度比值定義為 K （下同），石英礦相衍射峰與赤鐵礦相衍射峰強(qiáng)度比值可表示為 ，尖晶石類礦相與赤鐵礦相衍射峰強(qiáng)度比值表示為 ，鈣長(zhǎng)石礦相與赤鐵礦相衍射峰強(qiáng)度比值表示為KCaAl2Si2O8=icaAlSiz0Oamp;/iFe03其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

Ksi02 與 2.5 KFe.gIFg204 KcA2Si208 LLLLL 1120 1140 1160 1180 1200 溫度/ （a） 試樣 Ksi02 2.5 K[F.NgJfe.0 KaAl2si208 1.5 1.0 0.5 0.0 1120 1 140 1160 1180 1200 溫度/℃ （b） 試樣

由圖6可知，隨著焙燒溫度的升高， 5 % 摻量透輝石的 試樣各礦相衍射峰強(qiáng)度變化較小。添加20 % 透輝石后，對(duì)比 試樣，焙燒溫度為 時(shí)， 試樣其余礦相與赤鐵礦相衍射峰比值發(fā)生明顯的變化，例如， 從0.81降低至0.63， 從

0.75升高至1.38， 從0.14升高至0.36，同時(shí)隨著溫度升高， 出現(xiàn)降低趨勢(shì)，而 和 出現(xiàn)上升趨勢(shì)。

此外，通過(guò)對(duì)比基礎(chǔ)性能結(jié)果可知，在 1 1 6 0 ‰ 及 1 1 8 0 ‰ 溫度下，試樣性能存在較大的差異，出現(xiàn)陡升或陡降的變化趨勢(shì)。為研究2種燒結(jié)條件下試樣中礦相組成和含量變化對(duì)陶粒壞體性能的影響，選擇2種燒結(jié)條件對(duì)試樣進(jìn)行X射線衍射分析，如圖7、圖8所示。

由圖7和圖8的X射線衍射結(jié)果可知，在 和 的燒結(jié)溫度下，試樣礦相種類未發(fā)生變化，在2個(gè)燒結(jié)溫度下，相同組分試樣礦相衍射峰強(qiáng)度差異變化并不明顯，該溫度區(qū)間內(nèi)試樣的抗壓強(qiáng)度、吸水率及收縮率急劇變化，因此可推測(cè)試樣內(nèi)部主要發(fā)生的是液相燒結(jié)，由于物質(zhì)液相遷移比固相擴(kuò)散要快得多，燒結(jié)體的致密化速度加快，收縮顯著[15]，從而導(dǎo)致鋼渣陶粒在此溫度范圍內(nèi)瓷化強(qiáng)度增強(qiáng)，鋼渣陶粒基礎(chǔ)性能大幅度提升。同樣地，為了更加準(zhǔn)確地表征 和 溫度下不同透輝石含量試樣內(nèi)礦相衍射峰強(qiáng)度變化，通過(guò)Jade6.0軟件對(duì)各礦相衍射峰強(qiáng)度進(jìn)行定量分析，其計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出，溫度從 升高到 時(shí)，同一組分的試樣在不同燒結(jié)溫度下礦相衍射峰強(qiáng)度變化不大，主要差異體現(xiàn)在透輝石摻量對(duì)礦相衍射峰強(qiáng)度的影響。例如，在 溫度下，隨著透輝石摻量的增加， 試樣的 從0.70降至0.49， 從0.75增至2.38，而 則從0.08增至 0 . 6 4 。這表明，透輝石的增加顯著降低坯體的石英含量，同時(shí)提升磁鐵礦、鎂鐵礦和鈣長(zhǎng)石的含量。磁鐵礦和鎂鐵礦的增加主要是由于坯體內(nèi)赤鐵礦相的轉(zhuǎn)化。因此，赤鐵礦相的含量進(jìn)一步減少。透輝石的加入引入更多的CaO等熔劑成分，促使鋼渣陶粒壞體中鈣長(zhǎng)石等低熔點(diǎn)物質(zhì)的生成，降低石英等高熔點(diǎn)物質(zhì)的含量，并形成大量液相。這一過(guò)程促進(jìn)液相燒結(jié)的進(jìn)行，最終改善鋼渣陶粒的性能，這與前述測(cè)得的鋼渣陶粒基礎(chǔ)性能結(jié)果一致。

2.3鋼渣陶粒的形貌特征

試樣、 試樣和 試樣的微觀形貌如圖10所示，其能量分散譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）的能譜分析結(jié)果如圖11所示。從圖10可以看出，樣品內(nèi)部出現(xiàn)不同大小的晶體結(jié)構(gòu)，晶體之間形成適量的玻璃相，這些玻璃相將晶粒黏結(jié)在一起并填充晶體間的空隙，從而促進(jìn)壞體的致密化。通過(guò)SEM觀察發(fā)現(xiàn)，在 溫度下，試樣形成一種典型的核殼結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)部以氧化硅為主，外部富集氧化鐵。該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為外層亮白色、內(nèi)層暗灰色，且 試樣的致密度最高。結(jié)合圖11的EDS區(qū)域面掃描圖，可以看出，亮白色區(qū)域主要由Fe、O和少量 Mg 元素組成，而暗灰色區(qū)域主要由Fe、O和Si元素組成。根據(jù)鋼渣陶粒體系內(nèi)的礦相分析，推測(cè)亮白色區(qū)域的晶相為 ） 或 ，而暗灰色區(qū)域的晶相主要為 和 。這種石英礦相被氧化鐵礦相包裹在內(nèi)部，不利于石英與體系內(nèi)其他組分的反應(yīng)，容易導(dǎo)致石英過(guò)剩，從而降低鋼渣陶粒的性能。

然而，隨著透輝石的加入，核殼結(jié)構(gòu)中外部鐵氧化物逐漸表現(xiàn)出一定的離散現(xiàn)象，尤其是透輝石加入量為 20 % 時(shí)，這種現(xiàn)象尤為顯著。此時(shí)，外部鐵氧化物的結(jié)構(gòu)幾乎完全解離成較為離散的狀態(tài)，內(nèi)部的石英礦相逐漸暴露，促進(jìn)其與其他組分反應(yīng)。根據(jù)XRD圖譜分析結(jié)果，壞體內(nèi)出現(xiàn)更多的錳鐵尖晶石礦相。此外，坯體中較高的CaO含量與黏土原料中的 、 以及鐵橄欖石中的 發(fā)生反應(yīng)，生成更多的鈣長(zhǎng)石相，從而顯著減少石英礦相的含量。這一變化最終改善鋼渣陶粒的力學(xué)性能，與前述礦相演變和性能分析結(jié)果一致。

3結(jié)論

本文制備摻入 6 0 % 鋼渣的陶粒，并研究 體系鋼渣陶粒的燒成過(guò)程，同時(shí)分析透輝石引入對(duì)陶粒中石英礦相的影響機(jī)理。研究表明，相較于黏土礦物，鈣鎂離子能夠與 和 成分同時(shí)反應(yīng)，從而加速擴(kuò)散。僅加入 5 % 的鈣鎂離子就能顯著提高燒成致密度、強(qiáng)度和收縮率。在 溫度下，陶粒的抗折強(qiáng)度從 1 9 . 2 M P a 提升至 3 5 . 8 M P a ，收縮率從 3 . 6 % 增加至 6 . 0 % 。透輝石的加入幾乎不影響燒成溫度，但能加速反應(yīng)。 2 0 % 的透輝石摻量對(duì) 6 0 % 鋼渣摻量的陶粒進(jìn)行組分優(yōu)化，能在 的燒成溫度下獲得最佳性能。抗折強(qiáng)度為 5 0 . 3 M P a ，吸水率為 0 . 5 2 % ，滿足《陶瓷磚》（GB/T4100—2015）的人造陶粒要求。然而，透輝石摻量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致氣孔增加，出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，進(jìn)而不利于增強(qiáng)鋼渣陶粒的性能。透輝石的引入顯著降低鋼渣陶粒中石英的含量。在摻入6 0 % 鋼渣的 體系陶粒中，透輝石引入的CaO、 Mg0 等成分與石英相發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)石英的釋放，并與其他組分接觸反應(yīng)。堿性氧化物的存在降低硅氧網(wǎng)絡(luò)的鏈接程度，促進(jìn)鈣長(zhǎng)石相和鎂鐵尖晶石礦相的生成，從而顯著減少陶粒坯體內(nèi)的石英含量。這一變化有效地解決石英過(guò)剩導(dǎo)致的應(yīng)力過(guò)大問(wèn)題，顯著提高大摻量鋼渣陶粒的基礎(chǔ)性能。

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