疏浚淤泥配比天然粘土制备建筑陶瓷的研究

疏浚淤泥配比天然粘土制备建筑陶瓷的研究瑞 1 ,孔海发 2 ,陈明秀 3 ,谢桂娇 1 ,朱日宏 1 ,张九明 1 ,梁晓婷 1毛( 1. 广东轻工职业技术学院 ,广州 510300; 2. 佛山市金甲环保科技 ,佛山 528031;3. 佛山市和美陶瓷 ,佛山 528237 )摘要 :为减少疏浚泥对环境的严重破坏 ,同时有效减少建陶行业对优质天然矿物原料的开采 ,研究了以河涌淤泥为主要原料制备陶瓷砖 。通过采用 XRD、多元素快速分析仪等手段 ,分析了珠江三角洲地段 4 个不同采样点淤泥的 矿物组成 、化学组成 、重金属含量等根本的物化性能 。实验研究说明 ,该区域淤泥矿物成分主要是伊利石 、高岭石 、 蒙脱石等粘土矿物 ,以淤泥为主要原料 ,配比适量的天然粘土制备试样 ,结果说明 :河涌淤泥最正确用量范围为 15%20% ,样品最正确烧结温度范围为 11801200 ,试样烧结程度好 ,收缩幅度 1. 64 % 1. 95 % ,吸水率理想 ; 当河 涌淤泥使用量范围为 20 %以上时 ,试样烧结性能差 ,吸水率增大 ,容易鼓泡变形 ,颜色变深 。关键词 :疏浚淤泥 ; 建筑陶瓷 ; XRD 分析 ; 试样煅烧中图分类号 : TQ174文献标识码 : A文章编号 : 100121625 ( 2021 ) 02 204922005Exper im en ta l S tudy on M an ufa c tur in g Bu ild in g C eram ic s by U s in gR iver S ilt M ixed w ith Na tura l C la yM AO R u i1 , KON G H a i2fa2 , CH EN M ing 2x iu3 , X IE Gu i2jiao1 , ZHU R i2hong1 , ZHAN G J iu 2m ing1 , L IAN G X iao2ting1( 1. Guangdong Indu stry Techn ica l Co llege, Guangzhou 510300 , Ch ina; 2. Fo shan J in jia Environm en ta lP roduc tion Techno logy Co. , L td, Fo shan 528031 , Ch ina; 3. H em e i Ce ram ic s Group Co. , L td, Fo shan 528237 , Ch ina)A b stra c t: In o rde r to reduce the d redged m uds se riou s dam aged to the environm en t and the exp lo ita tionof h igh qua lity na tu ra l m ine ra l raw m a te ria ls by bu ild ing ce ram ic indu stry, the p rep a ra tion of ce ram ic tile s by u sing m a in ly c reek silt wa s stud ied . The ba sic p hysica l and chem ica l p rop e rtie s, inc lud ing silt m ine ra l and chem ica l compo sition, heavy m e ta ls con ten t of rive r silt from 4 d iffe ren t samp ling po in ts we re ana lyzed from the Lo t PRD by u sing XRD , fa st m u lti2e lem en t ana lyze r, and o the r m ean s. The re su lts show tha t the m a in ingred ien ts of Lo t PRD rive r silt a re m a in ly Illite, kao lin ite, mon tmo rillon ite and o the r c lay m ine ra ls. R ive r silt a s the m a in raw m a te ria l, m ixed app rop ria te amoun t of na tu ra l c lay and d iffe ren t p rep a ra tion of sludge, a re ab le to be m ade in to ce ram ic tile s . Exp e rim en ta l re su lts showed tha t the samp le wou ld have good sin te ring degree, sm a ll sh rinkage, and idea l wa te r ab so rp tion and strength whenthe rive r silt u sage is 15 to 20 % , and the sin te ring temp e ra tu re of 1180 21200 . B u t when the u sage ofrive r silt is mo re than 20 % , it com e s in to poo r sin te ring p e rfo rm ance, h igh wa te r ab so rp tion, ea sie r bubb ling and defo rm a tion, da rke r in co lo r and so on.Key word s: rive r silt; bu ild ing ce ram ic s; XRD ana lysis; samp le ca lc ina tion s基金工程 :广东轻工职业技术学院 2021 年度自然科学基金工程 ( KY202107 )作者简介 :毛 瑞 ( 1965 2) ,女 ,高级工程师. 主要从事建筑材料教学与研究. E2m a il: ru im ao1121 163. com493第 2期毛 瑞等 :疏浚淤泥配比天然粘土制备建筑陶瓷的研究1 引言港口 、航道为维持正常泄洪能力和保证内陆航道的畅通 、保证湖泊的水质及蓄洪能力 ,所进行的疏浚工程会产生大量的疏浚泥 1 , 2 ,其主成分多以淤泥 、粘土为主 ,矿物成分主要是伊利石 、绿泥石 、高岭石 、蒙脱石 等粘土矿物 ,此外还 有长 石 、石 英 等 非 粘 土 矿 物 , 其 间 夹 杂 有 少 量 的 白 色 贝 壳 等 , 化 学 组 分 主 要 为 SiO2 、A l2 O3 、Fe2 O3 、CaO、M gO 等 ,这一化学组成非常接近陶瓷原料中常用的高岭土及蒙脱石胶结物 。 利用疏浚泥生产建筑陶瓷 ,受到国内外研究者的极大关注 ,一方面可减少疏浚泥对环境的严重破坏 ,另一方面能有效减少建陶行业对优质天然矿物原料的开采 ,对建筑陶瓷行业可持续开展及环境工程 、河海工程均具有重要意义 3 。作为一种陶瓷原料不但要考虑其化学成份中的 SiO 和 A l O 含量 ,还要考虑 Fe O 含22 32 3量和有机质的烧失 、浆料的性能等多个影响因素 。因疏浚泥胶结性强 、含水率高 、铁含量高 ,因此须通过坯釉配方的调整 ,使疏浚泥利用于生产建筑陶瓷中在技术路线上是可行的 。2 实验2. 1 主要原料的选用河涌淤泥 (取自 珠 江 三 角 洲 地 段 ) 、混 合 泥 、滑 石 泥 、瓷 砂 、石 灰 石 粒 、石 片 土 、水 玻 璃 、三 聚 磷 酸 钠( STPP) 、羧甲基纤维素钠 (N a2CMC ) 。2. 2 主要仪器与设备多元素快速分析仪 2湘潭仪器仪表公司 ;枯燥箱 2上杭仪器公司 ; 高温电阻炉 2上海锦屏仪器公司 ;高温卧 式膨胀仪 2湘潭湘仪公司 ;快速球磨机 2佛山禅城区锦华兴机械厂 ;日用陶瓷热稳定性仪 2湘潭湘仪公司 ; 数显 式陶瓷抗折仪 2湘潭仪器仪表公司 ;陶瓷釉面砖耐磨试验仪 2湘潭仪器仪表公司 ;微电脑可塑性测定仪 2湘潭市经野仪器设备公司 。2. 3 配方与试样制备实验以疏浚泥及各原料按表 1进行配比 ,另参加水 、少量 CMC 及水玻璃 、STPP,按照球料比 1. 5 1 的比 例共同混合球磨 ,测试浆料细度到达 250目筛余为 0. 6 % 0. 9 %后过 100目筛 ,浆料经微波枯燥 、手工造粒 、 陈腐后在 40 M Pa下用小压机压成为 100 mm 100 mm 坯体 ,进枯燥箱 ( 110 5 ) 恒温枯燥至坯体含水率小于 1. 0 % ,放入电阻炉在 1200 条件下烧成 ,保温 8 h,最后自然冷却至室温 。表 1 实验配方 Ta b. 1 The form u la s of exper im en ta l stud ie s / w t% B u ild ing ce ram ic s R ive r silt Kao lin c lay Po rce la in sand B rickba t P igm en t 15202530 24020 23010 22030 25030 25030 2505 2105 2105 2100 230 230 23A n tique tile2. 4 性能测试陶瓷样品理化指标按 GB / T4100 22006?陶瓷砖 ?测试 ; 铅 、镉分析按?环境 标 志产 品技 术 要求 陶瓷 砖 ?( HJ / T297 22006 )的相关技术指标测试 ;铬含量满足 ( GB 15618 21995 ) 土壤环境质量标准方法测试 。3 结果与讨论3. 1 河道淤泥的物化性能分析对 4个不同采样点淤泥样品的化学组成进行分析 ,结果见表 2。从表 2可以看出疏浚泥样品的化学组成同普通建筑陶瓷生产中所使用的混合泥化学成分近似 ,灼减 ( I. L. )也根本类似 ,但铁 、碱及碱土金属含量偏高 ,特别是其中 Fe2 O3 远高于普通混合泥 ,会带来烧成氧化不好及降低烧成温度等问题 。疏浚泥中含有较高的氧化铁易被复原 ,放出氧气 ,疏浚泥中的贝壳屑等也将分解释 494 试验与技术硅 酸 盐 通 报第 30卷放出 CO2 气体 ,由此在快烧情况下 ,如排气不好 ,这些气体会以微小封闭气泡的形式均匀分散于熔化液相中 ,致使产生针孔 、熔洞等缺陷 ,降低了产品质量 。此外 ,疏浚泥中较高含量的铁还会使坯体颜色变暗 ,因此 宜以釉面装饰 ,较适用生产仿古釉面砖产品 。表 2 淤泥化学组成Ta b. 2 C hem ica l com po s it ion of s ilt/ % Samp le s SiO2 A l2 O3 Fe2 O3 CaO M gO K2 O N a2 O TiO 2 I. L. YZ1YZ2YZ3YZ463. 5951. 8250. 9159. 8017. 6821. 5221. 3418. 355. 346. 095. 765. 421. 531. 781. 621. 160. 400. 520. 310. 382. 042. 231. 821. 980. 310. 320. 380. 340. 820. 780. 730. 748. 3115. 4016. 9911. 83 M ixed2m ud 58. 68 32. 06 0. 12 0. 44 0. 09 1. 54 0. 38 0. 04 6. 83 利用疏浚泥生产建筑陶瓷 ,还要考虑其中可能富含的重金属污染 ,须满足建筑陶瓷的环境标志产品技术要求 。对所取淤泥进行了可溶性铅 、镉及固体污染物可溶性铬测试 ,结果见表 3。表 3 疏浚泥铅 、铬 、镉含量测试Te st on the con ten t of Pd, C r an d C d of R iver S iltTa b. 3R e su lts /m gkg - 1Te st item sd isso lved2Pd d isso lved2C rd isso lved2Cd17. 7511. 780. 21从检测结果来看 ,其中铅 、镉含量满足?环境标志产品技术要求 2陶瓷砖 ?( HJ / T297 22006 )的相关技术指标 ,铬含量满足 ( GB 15618 21995 )土壤环境质量标准一级要求 。3. 2淤泥原料XRD 表征图 1 淤泥样品 X射线衍射矿物成分分析 ; ( a) YZ1; ( b) YZ2; ( c) YZ3; ( d) YZ4F ig. 1 The XRD ana lysis on the m ine ra l compo sition of silt samp le s利用 X射线衍射对 4个不同采样点的烘干淤泥原料进行分析 4 , 5 ,得到 4个相似的图谱 (如图 1 所示 ) 。495第 2期毛 瑞等 :疏浚淤泥配比天然粘土制备建筑陶瓷的研究由图 1可见 ,淤泥原料中的主要矿物组分是石英 、长石和绿泥石等膨胀性黏土矿物 ,此外还有少量方解石 、白云石以及 K2N a2Ca2A l等硅酸盐类矿物 ,且矿物组成稳定 6 。3. 3 试样的性能测试对不同淤泥配比进行试验 ,采用人工混料均匀后 ,按试验要求编号 、成型 、枯燥 ,将试样烧结至 1200 ,然后进行烧成收缩 、烧后颜色 (白度 ) 、吸水率等测试 ,其结果如表 4 所示 。结果说明 : 随着河涌淤泥使用量 的增加 ,试样颜色偏深色 ,影响发色效果 。河涌淤泥最正确用量范围为 15 % 20 % ,样品最正确烧结温度范围为11801200 ,试样烧结程度好 ,收缩幅度 1. 64 % 1. 95 % ,吸水率理想 ; 当河涌淤泥使用量范围为 20 %以 上时 ,试样烧结性能差 ,吸水率增大 ,容易鼓泡变形 ,颜色变深 。对所制备的陶瓷样品进行断裂模数 、吸水率 、热震性 、耐酸碱等理化指标测试 ,同时对环境要素的放射性进行检验 ,结果汇总于表 5中 。根据环境标志产品要求对试样进行铅 、镉测试 ,结果如表 6 所示 。从实验结果看出 ,利用疏浚泥生产建 筑陶瓷 ,产品的生产工艺与烧成温度与一般仿古砖制品类似 ,无需作大变动 ; 所得产品的断裂模数 、抗热震性 、耐酸碱等性能也未降低 ;重金属溶出 、放射性检测等方面均满足环境标志产品要求 7 。表 4 试样煅烧性能分析Ta b. 4The ana ly s is of s in ter in g perform an ce of sam p le sNo.R ive r silt /w t%W a te r ab so rp tion / %Sin te ring sh rinkage / %Co lo r change s1520251520251520251520250. 390. 410. 530. 370. 390. 550. 390. 450. 510. 320. 350. 481. 751. 952. 261. 701. 822. 511. 351. 802. 931. 641. 932. 84R edd ish2b rownL igh t tanD a rk b rown, c rackedB rownB rownD a rk b rown, bubb le sR edd ish2b rownD a rk b rownD a rk b rown, c rackedL igh t tanL igh t tanD a rk b rown, bubb le sZ1Z2Z3Z4表 5 试样的主要技术性能 Ta b. 5 The m a in techn ica l perform an ce s of sam p le s Te st item s R e su lts 43. 6 248. 20. 32 20. 41UHA110 21256. 8 1026A fte r 10 cyc le s of therm a l shock resistance and c rack2freeModu lu s of rup tu re /M PaW a te r ab so rp tion / % Co rro sion re sistance W ear /mm3Coeffic ien t of therm a l exp an sion / K21The rm a l shock re sistance R ad ioac tive GB6566 22001 IR a = 0. 57; Ir = 0. 91 表 6 试样铅镉溶出量 Ta b. 6 The d isso lu t ion of Pd an d C d of sam p le s Te st item s R e su lts (m g / kg) D isso lved 2Pd0. 45 D isso lved 2Cd 0. 13 4 结论( 1 )珠江三角洲江河地段淤泥原料主要矿物组分是伊利石 、绿泥石 、高岭石 、蒙脱石等粘土矿物 ,化学组 496 试验与技术硅 酸 盐 通 报第 30卷分主要为 SiO2 、A l2 O3 、Fe2 O3 、CaO、M gO 等 ,与普通建筑陶瓷生产中所使用的混合泥化学成分近似 ,灼减量也根本类似 ;( 2 )淤泥中含铁量高 ,易被复原 ,放出氧气 ;其中贝壳屑等也将分解释放出膨胀性气体 CO2 ,这些气体会 以微小封闭气泡的形式均匀分散于熔化液相中 ,致使产生针孔 、熔洞等缺陷 。此外 ,疏浚泥中较高含量的铁 还会使坯体颜色变暗 ,烧结呈棕红褐色 ;( 3 )淤泥样品中铅 、镉含量满足?环境标志产品技术要求 2陶瓷砖 ?( HJ / T297 22006 )的相关技术指标 ,铬 含量满足 ( GB 15618 21995 )土壤环境质量标准一级要求 ;( 4 )利用疏浚泥生产建筑陶瓷 ,产品的生产工艺与烧成温度与一般仿古砖制品类似 ,无需作大变动 ; 所 得产品的断裂模数 、抗热震性 、耐酸碱等性能也未降低 ;重金属溶出 、放射性检测等方面均满足环境标志产品 要求 ;( 5 )本疏浚淤泥配比天然粘土制备建筑陶瓷的研究对疏浚淤泥的用量高达 20 % ,实现废物利用 ,减少了 天然矿物原料的消耗 ,有望为疏浚淤泥的大量资源化利用提供思路 8 , 9 ,预期经济效益巨大 。参考文献 1 2 3 4 5 6 7 8 9 朱 伟 ,张春雷 ,刘汉龙 ,等. 疏浚泥处理再生资源技术的现状 J . 环境科学与技术 , 2002 , 25 ( 4 ) : 39 241.唐 强. 浅谈淤泥的资源化利用 J . 水利开展研究 , 2004 , ( 10 ) : 46.刘贵云. 河道底泥资源化一新型陶粒滤料的研制及其应用研究 D . 上海 :东华大学学位论文 , 2002: 113 2132.王智宇 ,翁晶晶 ,屠浩驰 ,等. 河道淤泥生产烧结砖的根底研究 J . 新型建筑材料 , 2021 , ( 6 ) : 24 226.谢 健 ,林鑫城 ,石 萍 ,等. 利用海洋疏浚泥生产轻质陶粒的研究 J . 湛江海洋大学学报 , 2004 , 24 ( 6 ) : 32 236.张旭东 ,祁继英. 疏浚底泥的资源化利用 J . 北方环境 , 2005 , 30 ( 2 ) : 48 250.纪士斌. 建筑材料 M . 第五版 ,北京 :清华大学出版社 , 2021.童丽萍 ,赵自东. 利用黄河淤泥开发墙体材料 C . 硅酸盐学会 2006 学术年会 , 2006.胡春燕 ,于宏兵. 电解锰渣制备陶瓷砖 J . 硅酸盐通报 , 2021 , 29 ( 1 ) : 112 2115.信息 IBM 研发出新石墨烯晶体管据美国物理学家组织网 4月 11 日报道 , IBM 公司的科学家林育明 (音译 ) 等人在 4 月 8 日出版的?自 然 ?杂志撰文指出 , 他们研发出了新的石墨烯晶体管 , 其截止频率为 155 GH z (吉赫 ) , 比去年 2 月 推出 的100 GH z石墨烯晶体管的速度增加了 50 % ,而且块头更小 。石墨烯是只有一个碳原子厚度的单层片状结构 ,可由石墨剥离而成 。石墨烯不仅是材料中最薄的 一种 ,还非常牢固坚硬 。作为单质 ,它在室温下传递电子的速度比导体都快 ,因此 ,它有望替代硅作为顶 级电子材料来制备速度更快的晶体管 。以前 ,科学家通过将石墨烯薄层置于一个绝缘衬底 (诸如二氧化硅 )的上方来制造石墨烯设备 ,然而 ,这种衬底会削弱石墨烯的电学性能 。现在 , IBM 公司的科学家找到了方法 ,将衬底对石墨烯电学性能的影响减 至最低 。科学家将一个“类金刚石碳 放置在一个硅晶圆衬底上 ,制备出了新的石墨烯晶体管 。这种“类金刚石 碳 是无极性介质 ,也不会像二氧化硅那样捕获或驱散电荷 ,因此 ,新石墨烯晶体管在温度发生改变时 (包括 像太空中那样的极低温度下 ) ,显示出了卓越的稳定性 。IBM 表示 ,这种新的高频石墨烯晶体管将在 、互联网或雷达等通讯设备领域大展拳脚 。而且 ,现有 的制备标准硅设备的技术也可以用于制造新的晶体管 ,这意味着新石墨烯晶体管可以随时进行商业化生产 。该晶体管的研制是 IBM 承接的美国国防部高级研究方案局的一项任务的一局部 ,美国军方希望该研究 能有助于他们研发出高性能的无线调频晶体管 。