□文/康茹茹 王樊波 曲 烈 陆芊芊 夏文杰

煤矸石的主要矿物组成为高岭石(Kaolinite)、蒙脱石（Montmorillonite)、一水铝石(Diaspore)、石英(Quartz)等[1]；主要化学成分为SiO2和Al2O3，杂质成分为R2O（R为K/Na）、MgO CaO，Fe2O3等。作为莫来石相陶粒的原料，煤矸石不仅解决废料堆占土地、空气中会自燃等潜在环境危害,降低成本，还可提高莫来石的转化率，为资源利用开辟一条新途径。煤矸石中还含有多种氧化物，可降低烧结温度并提高强度。

刘丽[2]研究了以煤矸石为原料，掺入造孔剂的多孔陶瓷，由于杂质掺量较高，造成杂质缺陷导致抗折强度不高。谢欣[3]引入钙源，发现陶粒中会优先生成钙长石相，有利于提高强度，降低烧结。曲烈等[4]研究了垃圾焚烧灰为原料，发现最佳焙烧温度在1 140℃时，陶粒内部形成了长石、玻璃相的结构，其结构致密和封闭孔隙均匀且密度较低。柏雪[5]引入5.0%锰粉和2.0%碳酸钙作为外加剂，降低了陶粒的烧成温度；引入Mn元素，使得陶粒的结构愈加致密化，当温度为1 360℃时，陶粒德强度达到7.8 MPa。马龙等[6]利用赤泥制备保温材料，引入硝酸钠、硼砂、氟化钙助熔剂对烧结砖试样的强度有很大提高。

根据GB/T17431.1—2010《轻集料试验及其试验方法》，普通陶粒是指密度＞500 kg/m3轻粗骨料。其密度等级、筒压强度、强度等级、吸水率均有指标要求，本文拟研制出莫来石相为主晶相的陶粒，使其筒压强度指标＞15 MPa，密度为 800～900 kg/m3。

1 试验

1.1 原料

试验所采用的富铝煤矸石来自河北省，浅灰色，成分以Al2O3和SiO2为主，富铝煤矸石的衍射分析见图1，化学成分见表1。

图1 煤矸石XRD曲线

表1 煤矸石化学组成 %

煅烧后的富铝煤矸石含有较多的Al2O3、SiO2以及PtO2、MgO等。辅助材料为天津天津振兴水泥厂废弃赤泥和高岭土，见表2和表3。

1.2 试验方法

富铝煤矸石、赤泥、高岭土按质量7∶2∶1配比搅拌湿润并陈化5～8 h，将其制成直径15～20 mm的陶粒，干燥3～5 h并使其含水量达到3%左右；再将干燥生料陶粒样品放入1 600℃快速升温箱式电炉焙烧，将料球加热到设定温度并保温一段时间。设定温度按一定温度曲线焙烧，随炉自然冷却后取出，根据GB/T 17431.2—2010测定和计算烧成样品的筒压强度、表观密度、吸水率、堆积密度。用扫描电子显微镜观察试样的微观结构。用X射线能谱进行元素分析，X射线衍射的衍射条件：管电流40 mA，管电压20 kV。

表2 赤泥的化学组成 %

表3 高岭土的化学组成 %

1.3 试验配方设计

遵循保持烧胀陶粒膨胀与强度协调发展、焙烧温度范围宽的原则。拟加入赤泥的质量比见表4，从赤泥掺量和温度两个方面进行测试分析。

表4 加入不同质量比的赤泥

2 结果与讨论

2.1 温度对陶粒物理性能的影响

不同温度下陶粒的物理性能见图2。由图2a可以看出，随着温度增加陶粒筒压强度呈现增长趋势，在1 500℃时五种配比的强度均达到最大值，为19.8 MPa；由图2b可以看出，随着温度增加陶粒堆积密度呈现降低的趋势，在1 200℃有较大幅度的下降并在1 400℃时达到最低值，为920 kg/m3；由图2c可以看出，随温度增加陶粒吸水率呈现降低的趋势，在1 500℃时达到最小值，为9.8%；由图2d可以看出，随温度增加陶粒膨胀率呈现升高的趋势并在1 100～1 200℃的增率较大，在此时产生较大的膨胀，1 400℃时达到最大值，为0.78%。

从焙烧温度角度看，随着温度的升高，增加Fe2O3、CaO、MgO等氧化物在一定程度上起到助熔作用，降低液相生成的温度，扩宽了温度范围，促进了莫来石晶体的生长；而莫来石形貌也对强度有重要影响，如棒状莫来石晶体呈网络状分布于玻璃相中，将形成有支撑和加固作用的骨架结构。一般情况下陶粒的的吸水率随气孔数量的增多而提高，即气孔率越高吸水率越大，但随着温度的升高，陶粒中产生的气体没有冲破液相的束缚，形成封闭、细化的孔结构，从而使得高孔率出现低的吸水率。Fe2O3释放出气体导致陶粒膨胀；同时陶粒内部液相增加，液相具有一定粘度并将Fe2O3等的产气包裹，形成以封闭气孔为主的孔结构，使得陶粒的密度下降。总之，掺赤泥陶粒的最佳焙烧温度仅为1 400℃。

图2 陶粒的物理性能

2.2 微观形貌

在1 200～1 400℃温度下，陶粒主晶相为莫来石，次晶相为刚玉、赤铁矿、线硅石、石英等。反应如下

次晶相硅线石、蓝晶石等减少或者消失，较多的Fe2O3在高温下转换为晶体结构的赤铁矿。在还原过程中，释放出气体，化学反应如下

1 500 ℃时，主晶相没有明显变化，但是晶体衍射峰强度有所下降；铁铝榴石、铁辉石衍射峰较多，与Al2O3形成固溶体抑制刚玉、莫来石的生长。随着温度和热运动增加，非均质颗粒内部成分也越来越均匀，液相量也有所增加，有了液相的参加和湿润，固相反应的扩散和传质速率增加，刚玉的生成速度也会加快。试样中的孔隙率会有所增加，致密度下降，这将降低陶粒的强度。

由图3可以看出，在1100℃下陶粒明显欠烧堆积零乱，结构松散，空隙较大，气孔较多且多为开气孔。此时原材料尚刚开始熔化，陶粒内部出现成簇颗粒状的莫来石晶相，铝石、石英、赤铁矿等成分，处于颗粒间相互接触阶段，较少玻璃相生成，尚未形成晶界。在1200℃下，已出现少量局部液相、短棒状莫来石晶体，呈现较为致密的排列；原料中的各类氧化物开始产生固相反应，形成较为稳定的硅酸盐晶体，莫来石晶体发育明显。在1 300℃～1 400℃下，几乎所有成分都已经熔融，可以观察到莫来石呈现短棒状，晶形较为完整；而且陶粒表面玻化完好，形成完好的封闭气孔结构。结合XRD分析，刚玉相在此时数量最多，呈现片状分布是陶粒骨架的主要来源。在1 500℃下与1 400℃下形貌相近，莫来石晶体镶嵌在玻璃体结构中，晶型逐渐模糊且出现较大的棒状莫来石，形成多孔结构并降低了陶粒强度。

图3 不同温度下试样的SEM照片

在升温过程中，由于赤泥的助熔作用，可以看到内部晶体的生长以及颗粒的熔化粘结反应过程。经过高温焙烧，陶粒的强度得以提高，密度下降，陶粒变得更加轻质化，其原因是形成了细密而封闭的气孔。当气体的压力达到临界值，其值接近于晶界表面张力，气孔内气体的压力和晶体长大的驱动力相互抵消；于是，晶粒的生长和气孔的排出都变得极其困难。如果温度继续升高，气孔内气体压力就会超过临界值，气孔增多，胚体内的少数晶粒有可能出现二次再结晶，晶界处的气泡和杂质不能阻止它们继续生长，还被包裹晶粒内部，胚体的致密度会减小，而且显微组织结构的均匀性也会遭到破坏。

总之，温度对陶粒内部结构形态有极大的影响。1 100℃时料球内部明显呈现出松散堆积状态；1 200℃时料球内部的结构较为致密并且可以看到开始有液相产生，由有机物分解而产生的大孔洞开始减小；在1 400℃时陶粒结构最佳；1 500℃出现过烧现象。

3 结论

1）赤泥中Fe2O3掺量约为60%，Al2O3为14.31%，SiO2为4.42%；经过热分析得出赤泥在1 000℃才会发生Fe2O3还原反应；在高温时陶粒将产生烧胀反应，降低堆积密度并有明显轻质化的效果。

2）赤泥掺量为20%时，陶粒性能均可达到最佳值。比煤矸石-高岭土体系陶粒，掺入赤泥的陶粒强度增加4.5 MPa，密度降低了约100 kg/m3，弥补了煤矸石-高岭土体系密度较高的缺陷，同时也增加了强度。

3）在1 400℃时可以得到性能较佳的陶粒，此时陶粒筒压强度为19.8 MPa、堆积密度为910 kg/m3、吸水率为9.8%、膨胀率为0.78%。达到高强陶粒指标，初步达到预期结果，说明赤泥有很好的助熔和产气效果。