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建筑弃土掺高岭土尾矿制烧结保温砌块技术研究
发布时间:2017-07-26 11:37:19      来源:未知

刘兆秀,丁惠群,袁凯
苏州市建设工程质量检测中心215129 江苏 苏州
摘要:本文研究以苏州建筑工地的建筑弃土、苏州中国高岭土公司生产的高岭土尾矿为主要原料,辅以燃料煤渣和玻化微珠成孔材料混合均化,制作自保温烧结砌块的技术。
关键词: 建筑弃土;高岭土尾矿;煤渣、自保温烧结砌块;资源化

0引言

随着我国基础设施建设的快速推进、城市地下交通建设和地下管廊建设等各类大型地下工程的迅猛发展,导致我国近年来建筑弃土数量激增,产生且大量堆积,难以处理。与此同时,我国每年还需要消耗大量的矿产资源,其中高岭土因化学性质稳其消耗量尤为巨大,目前每年大约有700万吨的高岭土资源消耗,但由于高岭土资源开采率低,同时每年产生数百万吨的高岭土尾矿,带来了高岭土尾矿的大量堆积,侵占了大量的土地, 污染水质,造成资源的浪费的同时也破坏了生态环境。如何对建筑弃土、高岭土尾矿进行有效的回收利用以及合理处置,是我们目前急需解决的问题,同时对建筑行业的可持续发展、生态城市的建设也具有重要意义。
本文在苏州市墙体材料改革和建筑节能办公室协作下,将建筑弃土及中国高岭土有限公司生产的高岭土尾矿和煤渣按一定比例混合,探讨研究利用这些固体废弃物制备自保温烧结砌块的可行性并进行性能优化,为原材料无害化处理和资源化综合利用提供理论依据。
1. 原材料性能分析
1.1. 原材料类别
(1) 建筑弃土
建筑弃土来源于苏州某工地的土方废料,呈褐色,块状。用于配合比优化、烧结制度优化的弃土塑性指数为14.2。
 (2) 高岭土尾矿 
本文所用高岭土尾矿是由中国高岭土有限公司(苏州)在本地矿区开采的高岭土原矿选矿后经筛分、摇床水洗、去除黄铁矿等工艺后得到的高岭土尾矿,呈灰白色,粉末状。
 (3) 煤渣
选用常熟伯克建材有限公司制砖所用煤渣,发热量为1600kCal/kg左右。
1.2. 原材料的性能检测
1.2.1 化学组成
分别对建筑弃土、高岭土尾矿进行化学成分分析。结果见表1-1和表1-2。
 
表1-1 建筑弃土化学成分分析   
项目 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O MgO Na2O TiO2 P2O5 MnO SO3
含量/% 63.64 12.76 4.81 3.71 2.16 1.80 1.54 0.75 0.14 0.09 0.07
备注:烧失量为8.64%。
表1-2 高岭土尾矿化学成分分析
项目 SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 K2O Na2O MgO P2O5 CaO TiO2 MnO
含量/% 64.18 15.96 4.99 1.68 0.52 0.38 0.30 0.24 0.19 0.17 0.02
备注:烧失量为12.29%。
1.2.2 矿物组成
通过X射线衍射仪分别对建筑弃土和高岭土尾矿进行矿物成分分析。结果见图1-1和图1-2。
 
图1-1 建筑弃土的矿物组成           图1-2高岭土尾矿的矿物组成
从化学及矿物分析的结果来看:建筑弃土、高岭土尾矿的主要化学成分为SiO2 、Fe2O3、Al2O3;建筑弃土的矿物成分有高岭土、钠长石、蒙脱石、微斜长石、伊利石和石英;高岭土尾矿的主要矿物成分有石英、高岭土、黄铁矿和明矾石。这些成分在烧结过程中能够相互反应形成新的矿物,或是形成固熔体、共熔体、混晶,这使利用建筑弃土和高岭土尾矿制备自保温烧结砌块理论上具有可行性。
1.2.3 危害性评价
作为固体废弃物,原材料建筑弃土及高岭土尾矿的危害性也成为关注的一方面,对随机取样的建筑弃土、高岭土尾矿进行毒性浸出及放射性检测。结果如表1-3、1-4。
 
 
 
 
 
 
 
表1-3毒性浸出检测结果
检测参数 单位 标准要求 建筑弃土 高岭土尾矿
mg/L ≤100 ND 1.35
mg/L ≤100 0.180 88
mg/L ≤5 ND 1.21
mg/L ≤1 0.004 0.765
mg/L ≤5 ND ND
mg/L ≤100 1.13 ND
mg/L ≤0.1 ND ND
mg/L ≤5 0.042 4.37
mg/L ≤0.02 0.010 0.006
总铬 mg/L ≤15 0.068 0.020
说明:(1) ND表示未检出。
(2)浓度限值为GB5085.3-2007《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》安全浓度限量标准值。
表1-4 原材料内、外照射指数
检测参数 内照射指数 外照射指数
建筑弃土 0.2 0.4
高岭土尾矿 0.2 0.3
由表1-3、1-4可看出,建筑弃土及高岭土尾矿的有害物质浸出含量均低于GB5085.3-2007《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》安全浓度限量标准值,可以认为建筑弃土及高岭土尾矿不属于有毒废物。并且其内照射指数、外照射指数均小于1.0时,可用于民用、公用建筑主体结构。

2. 自保温烧结砌块最佳配比的确定

为了节省试验成本,试验探讨阶段不采用标准规定的砌块尺寸,而是参照JTG E40-2007《公路土工试验规程》,试件采用高55mm,直径50mm的实心圆柱体试件。
2.1. 高岭土尾矿最佳掺量的确定
煤渣掺量固定为20%不变的前提下,通过对不同高岭土尾矿掺量的混合料及小样性能进行分析,其结果见图2-1和图2-2。
 
图2-1 高岭土尾矿掺量对塑性指数的影响       图2-2 高岭土尾矿掺量对抗压强度的影响
由图可得随着高岭土尾矿掺量的增加,其塑性指数和强度均在不断减小。这是因为高岭土尾矿中石英的含量较高,其本身的塑性及活性都远不如建筑弃土。
           
图2-3 A1烧结小样                           图2-4 A2烧结小样
通过A1和A2样品烧结图片,对比可以发现,建筑弃土掺量高达70%的A1,烧结产生了大量裂纹,而建筑弃土掺量为65%的A2,裂纹就明显减少了。这是因为建筑弃土的干燥敏感性高,如用作原材制砖或砌块,成品率低,砌块质量差,其塑性指数过大,因此用其制砖或砌块时必须掺入一定量的低塑性料才能满足成型、干燥、烧结的要求。 所以综合考虑,高岭土尾矿的最佳掺量为15%。
2.2. 煤渣最佳掺量的确定
根据高岭土尾矿最佳掺量试验结果,确定高岭土尾矿掺量为15%,改变煤渣掺量,分析试验结果,见表图2-5和图2-6。
 
图2-5煤渣掺量对塑性指数的影响         图2-6煤渣掺量对强度的影响
由图2-5可以看出,在高岭土尾矿掺量固定为15%不变的前提下,随着煤渣掺量的增加,其塑性指数在不断减小。这是因为煤渣的塑性指数也要远小于建筑弃土。由图2-6可以看出,当煤渣掺量为20%时,抗压强度达到最大值10.93MPa。因此综合考虑,煤渣掺量选20%。
2.3. 自保温烧结砌块最佳配比
根据高岭土尾矿最佳掺量试验和炉渣最佳掺量试验的结果,暂定烧结保温砌块的最佳配比为建筑弃土掺65%,高岭土尾矿掺15%,煤渣掺20%。

3. 自保温烧结砌块烧结条件的确定

由于烧结条件影响因素较多,采用正交设计方法进行优化试验。烧结的三个主要因素——烧结时间、烧结温度、成型含水率,作为正交试验所选定的3个因子,每个因子考虑3个水平,因此在最佳配比的基础上选用L9(33)正交试验表设计试验。如表3-1。正交试验结果如表3-2,通过极差分析,得到极差分析表,见表3-3。
表3-1 烧结条件优化因素水平表
      因素
水平
A烧结时间/h B烧结温度/℃ C成型含水率/%
1 7 800 15
2 8 900 16
3 9 1000 17
 
 
 
表3-2 烧结条件优化试验结果
序号 烧结时间/h 烧结温度/℃ 成型含水率/% 抗压强度/MPa
Z1 1(7) 1(800) 1(15) 9.32
Z2 1(7) 2(900) 2(16) 9.98
Z3 1(7) 3(1000) 3(17) 10.94
Z4 2(8) 1(800) 2(16) 9.46
Z5 2(8) 2(900) 3(17) 10.49
Z6 2(8) 3(1000) 1(15) 11.37
Z7 3(9) 1(800) 3(17) 9.51
Z8 3(9) 2(900) 1(15) 10.81
Z9 3(9) 3(1000) 2(16) 11.33
表3-3 烧结条件优化试验结果极差分析表
      因素
水平
A烧结时间 B烧结温度 C成型含水率
k1 10.08 9.43 10.50
k2 10.44 10.43 10.26
k3 10.55 11.21 10.31
R 0.47 1.78 0.24
最优水平 A3(9h) B3(1000℃) C1(15%)
          
图3-1  Z4、Z5、Z6(从左往右依次)烧结小样            图3-2   Z8烧结小样
    
图3-3  Z3烧结小样          图3-4   Z6烧结小样    图3-5  Z9烧结小样
由表3-3可以看出所以本实验的最优组合为A3B3C1,即烧结温度为1000℃,烧结时间为9h,成型含水率为15%。
图3-1、图3-2、图3-3和图3-4给出的是这Z3、Z4、Z5、Z6、Z8、Z9烧结试件的实物照片。本实验中Z3、Z6、Z9烧成制品的颜色均呈较深的红褐色,且都出现了不同程度的裂纹,这说明当烧结温度在1000℃时,可能会出现过烧现象。并且1000℃的烧结所需要的能耗也大大增加,结合能耗、成本等方面的考虑,最佳烧结制度定为烧结温度为900℃,烧结时间为9h,成型含水率为15%。

4. 自保温烧结砌块各项性能验证

采用所得最佳配比:建筑弃土掺65%,高岭土尾矿掺15%,煤渣掺20%;并在最佳烧结条件:烧结温度为900℃,烧结时间为9h,成型含水率为15%下制作试件。
4.1. 烧结保温砌块的物理性能
   对成品砌块按照GB 26538-2011《烧结保温砖和保温砌块》进行外观质量、尺寸偏差、泛霜、石灰爆裂检测均符合要求。
4.1.1 强度等级、密度等级
对外观质量和尺寸偏差合格的烧结保温砌块,对其进行抗压强度、体积密度试验,结果如表4-1所示。
表4-1 烧结保温砌块强度等级、密度等级
      项目 技术要求(MU7.5) 实测数据 单项判定
抗压强度(MPa) 平均值 ≥7.5 11.7 合格
单块最小值 ≥5.8 9.7 合格
体积密度(kg/m3 ≤1000 1112 不合格
4.1.2 吸水率
进行吸水率试验,沸煮3h吸水率的结果为18.6%,符合标准小于或等于20.0%的技术要求。
4.1.3 抗冻性
进行抗冻性试验,冻融试验后均未出现分层、掉皮、缺棱掉角等冻坏现象。质量损失率为2%,符合标准中中质量损失率小于或等于5%的技术要求。
4.1.4 抗风化性能
 
表4-2 烧结保温砌块饱和系数
      项目 技术要求(MU7.5) 实测数据
饱和系数 平均值 ≤0.88 0.87
单块最大值 ≤0.90 0.88
4.1.5 热工性能
将外观质量和尺寸偏差合格并且强度等级满足MU7.5的烧结保温砌块砌成墙进行传热系数试验,传热系数结果为0.89W/(m2•K),符合标准中规定的0.90级的技术要求。
4.2. 烧结保温砌块的危害性研究
对砌块进行有害物质浸出和放射性检测,其数据结果如表4-3、表4-5所示:
表4-3 烧结保温砌块毒性浸出结果
检测参数 单位 标准要求 检测结果 单项判定
mg/L ≤100 0.012 合格
mg/L ≤100 5.31 合格
mg/L ≤5 0.099 合格
mg/L ≤1 0.026 合格
mg/L ≤5 ND 合格
mg/L ≤100 0.088 合格
mg/L ≤0.1 ND 合格
mg/L ≤5 ND 合格
mg/L ≤0.02 ND 合格
mg/L ≤15 ND 合格
说明:(1) ND表示未检出。
(2)浓度限值为GB5085.3-2007《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》安全浓度限量标准值。
表4-5 烧结保温砌块内、外照射指数
检测参数 内照射指数 外照射指数
烧结保温砌块 0.3 0.6
综上,烧结保温砌块的毒性浸出结果均低于GB5085.3-2007《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》安全浓度限量标准值,可以认为烧结保温砌块不具毒性,且其内、外照射指数均小于1.0,说明不具有放射性,可当作建筑主体材料使用。
4.3. 结果分析
测试的结果表明,在最佳配比和最佳烧结制度条件下制备的烧结保温砌块,其大多数性能均满足相关标准所规定的技术要求,特别是强度等级已经远超标准中规定的MU7.5的技术要求,但密度等级与标准中规定的相比略微偏大。砌块的强度与密度往往成正比,即砌块的强度越高,其密度也越大,砌块的保温性能也就越差。因此,如何妥善处理烧结保温砌块的强度、密度和传热系数三者之间的关系是本文必须攻克的一道难题,需对烧结砌块进行性能优化,在满足砌块强度的前提下,降低砌块的密度,同时保证其具有良好的保温性能。

5. 自保温烧结砌块的性能优化

5.1. 自保温烧结砌块的性能优化措施分析
玻化微珠是一种无机玻璃质矿物材料,经过特殊膨胀工艺技术加工而成,呈不规则球状体颗粒,内部多孔空腔结构,其主要化学成分为SiO2、Al2O3、CaO,理化性能十分稳定,具有质轻、绝热、防火、吸水率小等优异特性。因此本文采用玻化微珠作为成孔剂。
本文所用玻化微珠密度约260kg/cm3。根据最佳配比试验结果,采用部分玻化微珠替代建筑弃土,即将玻化微珠内掺入建筑弃土。选择内掺2%、4%、6%三个掺量的玻化微珠进行试验,参照GB/T2542-2012《砌墙砖试验方法》中规定的试验方法测得其强度和表观密度,试验结果见图5-1、5-2。
 
图5-1玻化微珠掺量对密度的影响          图5-3玻化微珠掺量对强度的影响
由图5-2、5-3随着玻化微珠掺量的增加,烧结保温砌块的表观密度和强度有所,当玻化微珠掺量达到6%时,烧结保温砌块的密度为971 kg/m3,符合标准中规定的技术要求,此时强度平均值强度平均值为9.2MPa,满足《烧结保温砖和保温砌块》(GB 26538-2011)中规定的MU7.5的技术要求。
综合考虑,认为内掺6%的玻化微珠是适宜的。
5.2. 自保温烧结砌块优化后的性能
将优化后的烧结砌块,参照GB/T2542-2012《砌墙砖试验方法》中规定的试验方法研究其他各项性能。
进行外观质量、尺寸偏差、泛霜、石灰爆裂、吸水率、抗冻性、抗风化性能、放射性检测均符合标准要求。
5.2.1 热工性能
优化后的烧结保温砌块砌成墙进行传热系数试验,传热系数结果为0.85W/(m2•K),符合标准中规定的0.90级的技术要求,并比未优化的热工性能有显著改善。

6. 结论

1.建筑弃土、高岭土尾矿及保温砌块毒性浸出小于国家标准要求,放射性也均符合国家标准要求。结果表明利用建筑弃土、高岭土尾矿制备的自保温烧结砌块可以运用到各类建筑中。
2.建筑弃土的矿物成分有高岭土、钠长石、蒙脱石、微斜长石、伊利石和石英;高岭土尾矿的主要矿物成分有石英、高岭土、黄铁矿和明矾石。两者的主要化学成分为SiO2 、Fe2O3、Al2O3等,在烧结过程中能够相互反应形成新的矿物,或是形成固熔体、共熔体、混晶。建筑弃土、高岭土尾矿和煤渣可以生产自保温烧结砌块。
3.采用建筑弃土、高岭土尾矿和煤渣制自保温烧结砌块,最佳配比下,对应的最优烧结条件为:烧结温度为900℃,烧结时间为9h,成型含水率为15%。
4.可以采用玻化微珠改善自保温烧结砌块的密度及热工性能,对应的最宜配合比为:建筑弃土:高岭土尾矿:煤渣:玻化微珠=59:15:20:6。烧结的保温砌块很好地满足国家标准MU7.5的要求。
通过研究,可以表明利用建筑弃土和高岭土尾矿制备烧结砌块是无害且可行的,在处理了一部分建筑弃土和煤渣的同时还提高了高岭土尾矿的综合利用率。这对可持续发展具有重要意义,达到绿色环保节能降耗的目的。在创造经济效益的同时,还带来很大的社会效益。

7. 参考文献

[1] 梁伟斌等.高岭土尾矿高效开发利用的新进展.矿产综合利用,2011(4):6-9.
[2] 冯宝侠.高岭土尾矿作为人工砂在混凝土空心砌块中的应用[J].新型建筑材料,2008,35(8):36-37
[3] 王海,利用高岭土尾矿和白云石制备玻璃陶瓷,《中国陶瓷工业》,2005,12(5):28-30
[4] 吴世流,建筑淤泥质弃土烧结保温多孔砖生产技术,砖瓦,(2009)02-0022-03
[5] 李云雁.试验设计与数据处理[M].北京:化学工业出版社,2005,84-85.
 
作者简介:刘兆秀(1987-),籍贯(江苏省金湖),本科,助理工程师,主要研究方向为建筑材料
通讯作者:苏州市高新区滨河路1979号,邮编:215129