陶粒分析

321影响陶粒性能的因素分析1、原料细度对陶粒性能的影响原料的细度对陶粒的成球质量和产品的性能有重要的影响，一些陶粒原料需要磨细，并且控制一定的细度。

本试验采用两种细度的页岩：一种为过6mm筛（粗料）；一种为过0.6mm筛（细料），生料球置于预热段预热25min，温度控制在360 C;预热后进行焙烧，焙烧温度分别为1140 C、1170 C和1200 C,焙烧时间为15min ,页岩、不脱水污泥、混合原料、例按照质量55:33:12进行配料。

按上述条件烧制成的陶粒的相关性能见表3-7。

表3-7两种粒度的原料制成的陶粒性能由表3-7可以看出，同一工艺条件下，与用细料烧制的相比，粗料所烧制的陶粒堆积密度和膨胀倍数较小，陶粒强度较低，吸水率较大，其主要原因在于粗料配制的陶粒生料球密实度较差。

所以工业化生产选择过0.6mm 筛（细料）的页岩，其性能指标较好。

表3-7的结果还说明，在1140〜1200 C之间，随着温度的提高，陶粒强度降低。

因此，控制焙烧温度对确保陶粒强度和节能降耗有重要作用。

2、添加剂—牛粪对陶粒性能的影响生料球在烧成过程中经过两个过程：早期动态膨胀过程和后期静态膨胀过程。

早期动态膨胀过程是在料球产生表面张力相对较小和膨胀气压相对较大的情况下，膨胀气体一直强烈的逸出与玻化液相抑制气体逸出的动态平衡膨胀过程，其结果是集料得到充分的膨胀，从而使生产的陶粒实现轻质化的效果，少量多余气体的逸出降压为后期膨胀收缩创造条件；而后期静态膨胀过程则是在表面张力相对较大和膨胀气压相对较小的情况下，膨胀气体被适宜黏度的液相所包围的静态平衡膨胀过程，该结果致使陶粒表面出现的开口闭合、内部连通气孔细化形成蜂窝状的单个小孔，这个过程可以使陶粒达到高强的目的。

因此，原料的有机质成分在陶粒烧成过程产生的气体（如H2O 、O2、CO2、CO、SO2 等）对陶粒的膨胀性能有重要的影响。

牛粪作为添加剂，是利用它的有机质成分，在烧成过程中改善陶粒的性能。

其作用有两点：一、牛粪在陶粒烧成过程中，能够促进早期动态膨胀和后期静态膨胀。

早期的动态平衡膨胀过程有利于陶粒的膨胀实现轻质化，少量多余气体的释放使陶粒内部减压，为后期膨胀收缩创造有利条件，后期的静态平衡膨胀过程可通过早期的气体释放减压和后期产品冷却降温增粘来实现，致使陶粒表层开口气孔减少或消失，同时内部气孔细化、封闭，从而使陶粒具有更高强度，更低吸水率。

二、牛粪的有机质燃烧或热解放出热量，干牛粪热值约为4000大卡/kg，在焙烧过程中燃烧放出大量的热量，按照实验室试验加入的牛粪量，除去牛粪中水的蒸发耗热，可以降低焙烧过程的煤耗10kg ，从而节约能源。

试验条件：预热温度360 C,预热时间30min ;焙烧温度1170 C,焙烧时间20min。

页岩的质量比例固定在60%，按照表3-8 的牛粪比例进行试验，研究添加不同比例的污泥对陶粒表观密度、空隙率和陶粒强度的影响。

试验中不同牛粪掺量下所烧得陶粒的表观密度、空隙率变化曲线见图3-6、图3-7，空隙率对陶粒强度的影响曲线见图-8表不同牛粪掺量的原料配比减小的趋势，这是由于牛粪中的有机物在高温焙烧时，与原料的其它化学成分发生化学反应产生气体，从而导致生料球膨胀，因此，表观密度降低。

同时牛粪也起到助燃的作用，使烧成温度降低，缩短烧成时间。

由图3-7可见，随牛粪的掺量增加，陶粒的孔隙率增加，这是由于牛粪的主要成分是有机质，牛粪的掺量增加，陶粒中的有机质含量增加，当陶粒在焙烧时，由牛粪燃烧或气化放出的气体增加，导致陶粒内部孔隙率的增加。

由图3-8可见，陶粒的强度与其气孔率有关，随气孔率增加，强度下降，即球体愈致密、气孔愈少，贝V陶粒强度愈高。

当气孔率小于10%时，其强度几乎没有变化，但是气孔率超过10%时强度迅速下降。

试验发现气孔率在10%以内时，闭合气孔通常呈圆球形，几乎不存在图3-6陶粒的表观密度随牛粪掺量的变化曲线4 6 8 10 12 14700800900100011001200表观密度( Kg/m3 ) 牛粪掺量( %) 4 6 8 10 12 14 16 18 20 2224681012141618孔隙率( %) 牛粪掺量( %) 图3-7 陶粒的孔隙率随牛粪掺量的变化曲线开口气孔。

圆球形气孔能够阻止裂纹的扩展，不致降低强度。

当气孔率超过10% 时，开口气孔增多，易造成断裂。

因此，在原料配比方面，牛粪的添加量不能过高，以占原料配比总量的10% 左右为宜，否则会对孔隙率和强度产生负面影响。

3、预热制度对陶粒性能的影响试验中不同预热制度下所烧得陶粒的膨胀倍数和陶粒强度变化见图3-9 和图3-10 ，预热制度对堆积密度的影响对比见图3-11 。

预热是烧制陶粒的重要环节之一，预热制度不同，进入焙烧阶段料球的有机质成分存在差别，从而对陶粒性能会产生影响。

在预热阶段，大部分的水分挥发，一部分有机质和碳酸盐类的组分也在这一阶段挥发和干馏。

有机质和碳酸盐类成分是影响陶粒的膨胀性能的主要因素之一，预热段温度过高、时间过长都会影响有机质的挥发，导致进入焙烧阶段后料球内的有机质减少，膨胀性能差。

试验时焙烧制度控制在1170 C,焙烧时间20分钟，考察不同的预热时间和预热温度对陶粒性能的影响。

图3-10 不同预热制度对陶粒颗粒强度的影响250 300 350 400 450 500 5501.21.31.41.51.6膨胀倍数预热温度（c）预热15 分钟预热25 分钟图3-9 不同预热制度对陶粒膨胀倍数的影响200250300350400450500550600650700300 350 400 450 500 预热温度「C）陶粒强度（N）预热15 分钟预热25 分钟540560580600620640660680700720740250 350 450 550预热温度「C）堆积密度（kg /m 3）预热15分钟预热25 分钟图3-11 不同预热制度下陶粒堆积密度的对比图图3-8 陶粒的强度随孔隙率的变化曲线0 5 10 15 20260280300320340360380400420强度/MPa孔隙率( %)由图3-9可以看到，预热时间为20min和30min时，随着预热温度的提高，陶粒的膨胀倍数变化趋势相同，在大于360 C后，预热时间为30min 时，陶粒的膨胀倍数低于预热时间为20min生产出的陶粒的膨胀倍数。

在小于360 C,膨胀倍数随温度升高而增加，当温度大于360 C,膨胀倍数随温度升高而下降，即在360 C左右有一个拐点，说明膨胀性能最佳。

由图3-10可见，预热时间为20min和30min时，陶粒强度随温度的升高而降低，在大于360 C的预热温度时，要想提高陶粒的强度，应该适当的延长预热的时间。

由堆积密度的对比图(3-11 )可以知道，陶粒堆积密度随预热时间增加堆积密度减少。

该试验结果可以从陶粒的膨胀机理来解释：在焙烧过程中达到一定的温度，使料球具有适宜的粘度，而且处于良好的热塑状态；在同一时刻，生成足够数量的气体，以促使处于热塑状态的生料球膨胀。

延长预热时间，有机质和碳酸盐等组分分解或挥发的较多，在进入焙烧阶段后，当料球有一定粘度的情况下可以产生的气体的物质就较少了，陶粒的膨胀变小，陶粒密实度变大，陶粒强度也就相应的提高4、焙烧制度对陶粒性能的影响首先研究焙烧温度对陶粒性能的影响，结果见表3-9 。

试验条件：预热温度：360 C、预热时间30分钟、焙烧时间20分钟。

表3-9 陶粒的焙烧性能温度体积膨胀倍数陶粒表观密度堆积密度陶粒强度吸水率「C)（倍）(kg/m 3)k /m 3 )(N)( 1h% )11101.0458837536620.501130 1.329772651603 1.001150 1.634685487534 1.701170 1.853********* 2.501190 2.067474391279 2.801210 2.187463372254 3.30由表3-9 可以看到所选用的原料完全可以焙烧出各种等级的陶粒，而且由于采用了细磨后再经过密实成球工艺，烧制出来的陶粒吸水率都很低。

随着焙烧温度的提高，陶粒的密度降低，在1170 C、1190 C、和1210 C的温度下料球膨胀倍数大，内部的孔隙多，陶粒的表面可以看见有微孔、陶粒强度低，适合焙烧超轻陶粒，而不适合焙烧强度高的陶粒根据《轻集料及其试验方法》（ GB/T17431.1-1998）中要求的超轻集料陶粒的堆积密度是300 —500 级，由表3-9 可以看到试验所得陶粒在这一密度范围内的焙烧温度是1130 C和1170 C。

为了进一步研究焙烧制度对陶粒性能的影响，在相同的预热制度（360 C下预热30min）、不同的焙烧温度和焙烧时间进行陶粒的性能试验，试验结果见图3-12 和图3-13 。

1002003004005006007008009001130 C 1150 C 1170 C 1190 C焙烧温度「C）堆积密度（kg /m 3）焙烧5分钟焙烧7分钟焙烧10分钟图3-12 不同焙烧制度下陶粒堆积密度的对比图由图3-12 和图3-13 可以看到陶粒的堆积密度随着焙烧温度和时间的提高而相应下降，陶粒强度则随焙烧温度的下降和焙烧时间的缩短而增加。

这说明在焙烧陶粒的时候，采取低温快烧的方式可以得到强度较高的陶粒。

综合以上试验结果可以看出，原料的细度、添加剂- 牛粪的加入量、料球的预热和焙烧制度等对烧成陶粒的各项物理性能和机械性能产生影响，为了获得较佳的原料配比和料球合理的烧成制度，在工业化试验时，对原料配比和烧成制度进行优化试验研究。

3.2.2 原料配比的优化研究试验使用的原料以页岩原矿为主，以污泥和牛粪为辅，采用正交试验方法确定原材料的最佳配比。

原料配比试验以Riley 和Wilson 提出烧成陶粒粘土质化学组成为基础的，其范围为：SiO2 ，53~79% ；Al2O3 ，12~26% ；氧化物溶剂艺(Fe2O3+MgO+CaO+Na2O ) , 8〜24%。

页岩的化学成分符合R＆W 范围，因而可以用于陶粒的烧制。

页岩，不脱水污泥和牛粪三种原料配入按质量100% 计，为了确定烧制陶粒的最佳配比，工业化试验主要考察污泥和牛粪的配入比例，剩余的为页岩的配入比例。

因此试验选取污泥和牛粪二因素进行正交设计研究。

依据各原材料的化学成分、及实验室的研究结果，各因素选取三水平，污泥加入量用 A 来表示，分别选取三水平为25%、30%、35% ;牛粪掺量用B 来表示，分别选取三水平为5%、10%和15%。

构成二因素三水平的正交试验表3-10 所示。

表3-10 正交试验因素水平表水平因素（%）A（污泥）B （牛粪）1 25 52 30 103 35 15按二因素三水平，选择L9（34）正交表，即可满足试验要求，确定试验方案见表3-11 。