导读: .利用煤矸石为主要原料（掺量约80%），加入20%左右的页岩及少量其它辅助原料，可以烧制出800级的高强煤矸石陶粒砂，其各项性能指标均达到“GB/轻集料及其试验方法”中规定指标。
陶粒砂是一种人造轻质骨料,它是以陶粒砂岩等为原料,在回转窑中经1050~1300℃高温快速焙烧、膨胀制成的。
这种骨料具有封闭式多孔结构,外壳坚硬,红色釉质表层能隔水、不透气,内部具有均匀细小而不连通的灰色蜂窝状气孔。
因此,陶粒砂具有质轻、隔热保温、耐火、抗震、抗冻、防湿、耐化学腐蚀、机械强度高等良好性能。
目前,陶料主要应用于现代建筑。
此外,在化工、冶金、农业、园领域也有应用。
1 长沙陶粒砂岩的地质特征。
长沙陶粒砂岩赋存于长沙白箬铺—望城坡—捞刀河一带中元古代冷家溪群上段,以尖山和谷山两产地为代表。
矿区构造简单,主要为单斜构造,局部有小褶曲和小破碎带,对开采无影响。
捞刀河陶粒砂岩有团块状石英沿裂隙充填, 数量较多,不宜用于陶粒砂生产。
矿区岩、矿层都为浅变质岩系,属葡萄石相—绿纤石相板岩建造,表现为千枚岩化、绢云母化和绿泥石化。
长沙陶粒砂岩呈灰色、浅黄绿色,具变余泥质结构,板状构造。
发育4个矿层,矿体长 500~2500m,厚10~50m。
矿石质量较稳定。
矿体倾向180°左右,倾角50°~80°。
矿体一般出露地表,开采简易、交通 方便。
2 长沙陶粒砂岩矿石特征。
X射线衍射分析结果表明,长沙陶粒砂岩主要由石英、绢云母和绿泥石组成。
根据X射线衍射峰强度等特征,结合硅酸盐全分析结果及偏光显微镜下观察,长沙陶粒砂岩的主要矿物成分为:石英30%~35%,绢云母20%~30%,绿泥石10% ~15%,蒙脱石10%;高岭石、针铁矿和锐铁矿等共占15%左右。
由图2可知,石英的衍射峰数目比较多,强度较大,峰形尖锐、清晰,说明其结晶程度较好。
绢云母、绿泥石的衍射峰强度不大,数目不多,但仍比较清楚,反映出它们的存在。
蒙脱石的衍射峰并不清楚,说明结晶程度较差,但据2θ<7°的低角度范围的衍射峰https://www.flowerba.com/可以确定出蒙脱石的存在。
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为了新疆陶粒矿的找寻与开发,研究全区陶粒矿产的分布与矿石性能十分必要。
1陶粒砂及矿石简介。
https://www.flowerba.com/陶粒砂陶粒砂是由粘土、泥岩、页岩、煤矸石、粉煤灰等为主要原料,经加工成粒或粉磨成球,再烧胀或烧结而成的人造轻集料。
目前主要用于建筑上的混凝土空心砌块、结构保温混凝土、高层建筑结构混凝土、复合墙板、屋面保温、楼层隔音、垫层等。
陶粒矿产凡可用来焙烧陶粒砂及陶砂的岩、土(泥)、废渣均可叫陶粒砂原料(包括工业废渣、废液)。
陶粒矿产是指地壳表层天然的可供烧陶粒砂用的岩石、土(泥)。
陶粒矿产一般能在高温下直接烧胀并挂釉,具有微孔多孔结构,密度小,筒压强度高的特征。
陶粒矿一般性能陶粒矿产之所以在高温下能膨胀,且烧成的陶粒砂具有陶瓷状外壳,内部为多孔状玻璃质,是因为陶粒矿产(岩石、土、泥)有一定的化学和矿物组成及物理性能。
(1)陶粒矿的化学成分:按其作用可分为三类: ①成陶的主要成分,有SiO2和Al2O3及Fe2O3。
在原料中约占3/4,在高温下形成玻璃质熔融体,当含量过低时,影响陶粒砂表壳光滑和强度;含量过高时,则熔点高、粘度大,膨胀性差。
工业要求SiO250%～70%,Al2O310%～20%,Fe2O33%～10%。
②熔剂氧化物:主要有Na2O、K2O、CaO、MgO、FeO。
它们在成陶时起助熔作用,可以降低熔液生成温度。
助熔作用最佳的是Na2O和K2O,其次是FeO及CaO、MgO。
一般要求Na2O+～5%,CaO+MgO3%～8%。
③发气成分:它们是在高温时经过还原、分解和相互作用产生H2O、O2、CO2、SO2、CO、N2、H2等的重要物质,它们能使原料发泡,是陶粒砂膨胀形成气孔的动力。
发气物质主要有:氧化铁和碳、黄铁矿、有机质。
一般要求Fe2O3>4%,有机质1%～2%,烧失量5%～10%。
(2)矿物组成:矿物成分是陶粒砂膨胀的重要因素。
粘土类矿物,如伊利石、蒙脱石、绿泥石等。
粘土矿物颗粒细,含层间水或化合水,有的矿物在高温下有气体放出,或起助熔作用。
(3)陶粒矿的物理性能: ①粒度:矿石的颗粒愈细对膨胀愈有利,一般要求泥级颗粒占主要部分,要求原料中含砂或粉砂量越少越好。
②可塑性:粘土矿产的可塑性与陶粒砂的密度成反比关系,一般要求塑性指数大于8。
页岩类型矿产的塑性指数可以低一些,因为页岩可用干法生产不用成球。
粘土陶粒砂生产中,如果塑性指数低,可需添加塑性高的原料,促使陶粒砂膨胀性更好。
③耐火度与软化温度范围:一般耐火度以1050～1200℃为宜。
软化温度范围指的是物料开始软化至熔融时温度的范围。
软化温度范围愈大,膨胀温度范围也就大,对膨胀有利,也有利于热工操作。
由上述矿石(土)的性能分析中可知,只要能满足性能指标的岩、土、泥都可作陶粒砂原料。
2择优勘查、开发陶粒砂页岩矿的几点意见根据陶粒砂页岩矿的分布与性能介绍,可总结归纳出择优勘查、开发陶粒矿的初步意见(1)开发陶粒砂品种:贯彻落实国家利废、节土、节能、综合利用资源的墙改与建筑节能政策,新疆择优开发陶粒砂品种的顺序:首先是发展废渣(粉煤灰、煤矸石、污泥等)陶粒砂,凡没有大量废渣排放的城镇,均可就近发展页岩陶粒砂。
粘土陶粒砂不宜发展,只有在既无废渣,又无页岩的地方,才可建设粘土陶粒砂生产线。
(2)找矿、勘查的择优意见:针对拟建陶粒砂生产线的地区,就近找寻,勘查优质陶粒砂页岩矿。
择优找矿层位是:侏罗系→石炭系→二迭系→泥盆系→第三系;择优找矿岩相是:煤系地层→碳酸盐相→海陆交互相;择优矿石类是:暗色球粒状页岩→灰黑色致密块状页岩→绿灰色块状页岩→叶状页岩→暗色板岩→薄片状页岩→暗色千枚岩。
薄片状页岩表层矿石烧出陶粒砂粒型系数多数超标,油页岩矿石未能解决综合开发利用(提油、大批量新型建材)前,不宜烧陶粒砂,一是烟气污染环境,二是浪费资源。
(3)利于矿石烧胀的外观特征:暗色(黑灰、绿、蓝等冷色)矿石易烧胀,反之热色(红、黄、紫、褐等色)页岩则不易烧胀;富含有机质(炭质、油质、腐植质、多动植物化石)页岩、粉砂岩一般都能烧胀,否则不一定烧胀;富含有铁质(黄铁矿、菱铁矿)、凝灰质页石也利于烧胀。
(4)择优重视的评价因素:在陶粒砂找矿、勘查、开发工作中,除采运条件和资源量外,矿石质量是关键。
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影响矿石质量因素颇多,其择优重视顺序为: 采样试烧(测试其烧胀性,以表观密度示之)→测试放射性→热工参数(最佳烧胀温度)→同时了解其它因素,一般只要前3项达要求,则其它质量评定因素(筒压强度、颗粒级配、杂质含量等10项)均可达标,其矿物与化学组成仅作综合利用评价和充实评价内容。
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煤矸石是煤炭开采和煤炭洗选加工过程中产生的固体废弃物，是我国目前年排放量和累计存量最大的工业废渣。
我国煤矸石每年的排放量约占当年煤炭产量的10%，约占全国工业废渣排放量的1/4。
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据统计，我国2003年有煤矸石山1600多座，堆存煤矸石40多亿t，占地万hm2，且每年还以约亿t的速度递增，压占耕地面积每年以400hm2的速度递增。
煤矸石是天然地质体与人工开发过程综合作用的产物，它具有两重性，一方面是煤炭生产过程中排放出的固体废弃物；另一方面是由岩石和矿物组成的非金属矿产资源，具有可综合利用属性。
含碳量不高（低于13%）的碳质页岩和选煤矸石可用于烧制轻骨料，轻骨料是一种轻质和具有良好保温性能的新型建筑材料，发展前景非常广阔。
具统计，我国积存的煤矸石中有40%左右适合于烧制轻集料，具有广泛应用前景。
本研究根据河煤矿煤矸石的物质组成及基本特性，制备了基本性能优良的高强陶粒砂，并探讨了陶粒砂生产的最佳工艺参数。
1实验原料及性能。
煤矸石为碳质页岩、碳质泥岩等黏土岩矸石。
X射线衍射分析结果表明，煤矸石以黏土矿物为主，主要矿物组成有高岭石、伊利石、石英、方解石，少量绿泥石、长石、云母、黄铁矿等。
考虑到烧制陶粒砂所需煤矸石含碳量小的要求，本实验选用煤矸石为含碳量较低的掘进矸石。
掘进矸石放射性监测结果表明，内照射指数IRa为，外照射指数Ir为，放射性水平低于国家对放射性废物IRa≤、Ir≤的规定，符合A类材料使用范围要求，可以用于生产建筑材料。
经试验分析可知，研究区煤矸石的可塑性指数为，一般线收缩在，干燥敏感性指数为1左右，熔点在1030~1150℃之间，堆积密度1452kg/m3。
辅助原料。
为了降低原料的碳含量和提高膨胀性能，选用页岩、氧化铁、白云岩、碳酸钠作为配料。
页岩的塑性指数，堆积密度为1175kg/m3。
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实验选用发泡剂为白云岩和碳酸钠按1∶1质量配比而成，氧化铁为纯度的Fe2O3红褐色粉末。
2实验方法。
煤矸石陶粒砂生产工艺共有三道工序，即原料加工、制粒和热加工。
本次实验采用粉磨成球法，即将磨细烘干的煤矸石或煤矸石与配料按要求配比后加水制粒成球，然后进行预热和焙烧。
原料加工：各种原料经颚式破碎机破碎、球磨机球磨后过100目标准筛，然后在105℃下烘干后备用。
按照煤矸石与页岩为4∶1的比例，再分别加入少量发泡剂（）和氧化铁，然后混匀，加水。
这个过程中，原料一定要充分混合均匀。
如果不均匀，烧成的陶粒砂会出现外壳厚薄不均，内部气孔分布不匀的现象。
制粒、干燥：采用人工搓球。
球的直径大小在10~15mm之间。
成球后，放入干燥箱，升温至105℃，烘干1~2h即可，然后按样号装入样缸中待烧。
预热与焙烧：试烧陶粒砂样的预热和焙烧在预热炉和焙烧炉中进行，当样在设计预热温度下达到预热时间后，立即从预热炉中取出放入已达到设计焙烧温度的焙烧炉中焙烧。
根据初步试验结果，本研究分别对预热温度、预热时间、焙烧温度、焙烧时间4种影响因素各设定4个水平，采用4因素4水平正交试验设计实验方案，以求其最佳参数。
3实验结果和讨论。
根据初步试验，采用纯煤矸石制备的陶粒砂堆积密度介于916~985kg/m3之间，产品色浅，表壳厚，中部膨胀不多，黑心现象严重，不能满足建筑陶粒砂的技术要求，这与煤矸石含碳量过高导致陶粒砂烧胀性较差有关，所以需要加入其它配料。
在原料中加入、和发泡剂后制备的陶粒砂的堆积密度明显减小，为813~893kg/m3。
在相同的试验条件下，随着发泡剂含量的增加，产品的堆积密度也相应降低，但在发泡剂加入时其堆积密度没有明显的变化，说明在此试验条件下煤矸石在加入1%发泡剂后已经基本达到了最大膨胀效果，选取发泡剂的加入量为1%。
为了降低原料中碳含量和提高发泡效果，在煤矸石中加入20%左右的页岩、1%的发泡剂和少量氧化铁，按确定的影响因素和水平进行正交试验，以陶粒砂的堆积密度作为陶粒砂的主要技术参数，寻找最优工艺参数。
配料对陶粒砂膨化作用的影响分析：陶粒砂在高温下的热膨胀是固相、液相、气相三相动态平衡的结果。
陶粒砂经焙烧引起膨胀需同时具备两个条件，即：①在高温下形成具有一定黏度的熔融物；②当物料达到一定黏稠状态时，产生足够的气体。
只有同时具备上述两个条件，才可能获得膨胀良好的均质多孔性陶粒砂。
陶粒砂原料中SiO2、Al2O3含量越高，要达到一定黏度，需要的温度也越高。
而CaO、MgO、FeO、Fe2O3、K2O、Na2O等是助熔剂。
在煤矸石中掺加一定量的页岩，可以有效降低原料的SiO2、Al2O3含量，提高CaO、MgO和Na2O含量，有利于降低原料的熔点。
根据煤矸石的综合热分析，该煤矸石的熔点在1030~1150℃之间，加入页岩和少量氧化铁后，原料的熔点也会相应降低，在1040℃焙烧温度下即可达到最佳焙烧效果。
国内外研究表明，在陶粒砂的烧制过程中，含碳量过高不利于陶粒砂的膨胀，容易造成陶粒砂表面黏度较小，内部黏度过大，只在熔化好的表面薄层中产生少量气孔，而内部密实、黑心、无气孔。
但在陶粒砂膨化过程中，碳又不能完全除尽，还需要在陶粒砂熔融达到一定黏度时，产生足够的气体。
掺加一定量的页岩能有效降低原料的碳含量，有利于陶粒砂在焙烧阶段的膨胀。
在高温条件下，由于陶粒砂内部残碳作用，其表面是氧化气氛，内部形成一定的还原气氛。
因而导致陶粒砂表面Fe2O3多，内部FeO多，造成了表面黏度稍大，内部黏度稍小，有利于陶粒砂的膨化，降低了陶粒砂的焙烧温度，同时增加了膨胀性能。
4结论。
.利用煤矸石为主要原料（掺量约80%），加入20%左右的页岩及少量其它辅助原料，可以烧制出800级的高强煤矸石陶粒砂，其各项性能指标均达到“GB/轻集料及其试验方法”中规定指标。
.在预热温度、预热时间、焙烧温度、焙烧时间4个参数中，焙烧温度对制备的陶粒砂堆积密度影响最大，而其它3个参数影响较小。
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