摘 要

土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属引入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于原始含量，并造成生态环境恶化的现象。我国目前有16.1%的污染土地，其中大量污染是由于重金属污染造成的。重金属污染土壤会造成粮食减产、动植物生病等一系列问题，若不及时处理，会对环境、社会造成巨大的危害。重金属污染土壤中含有Si、Al、Ca、Fe等建筑材料所需的基本元素，具有一定的建材化利用价值。可利用一定的方式将其用于建材领域，不仅能解决重金属污染问题，还能保护环境，还具有良好的经济效益。

本文在查阅相关文献以及分析污染土壤的化学成分后，利用重金属污染土壤、秸秆、碳粒等原料在预热温度为600℃下预热20min、在烧结温度为1070℃下保温10min。可以得到密度等级为400#的超轻陶粒，筒压强度为0.4～1.5MPa。此外还利用XRD、材料表面分析仪、综合热分析等分析仪器对陶粒相关的性能进行了测试，重点探究了烧结温度对陶粒性能的影响。

关键词：超轻陶粒；污染土壤；烧结温度；TG/DSC

ABSTRACT

The heavy metal pollution in soil refers to the heavy metal content in the soil is significantly higher than the original content due to the introduction of heavy metals into the soil due to human activities, and it causes the deterioration of the ecological environment. China currently has 16.1% of the contaminated land, of which a large amount of pollution is caused by heavy metal pollution. Heavy metal contaminated soil can cause a series of problems such as reduced food production, animal and plant diseases, etc. If it is not dealt with in time, it will cause great harm to the environment and society. The heavy metal contaminated soil contains basic elements required for building materials such as Si, Al, Ca, and Fe, and has a certain value of use of building materials. It can be used in a certain way in the field of building materials, not only can solve the problem of heavy metal pollution, but also protect the environment, but also has good economic benefits.

After consulting relevant literature and analyzing the chemical composition of contaminated soil, this article uses heavy metal contaminated soil, straw, carbon particles and other raw materials to preheat at a preheat temperature of 600° C. for 20 min and at a sintering temperature of 1070° C. for 10 min. Ultra-light ceramic grains with a density class of 400# can be obtained with a cylinder pressure of 0.4 to 1.5 MPa. In addition, XRD, material surface analyzer, comprehensive thermal analysis, and other analytical instruments were used to test the properties of ceramsites, focusing on the influence of sintering temperature on the properties of ceramsites.

Key words: ultra-light ceramic particles；contaminated soil；sintering temperature；TG/DS

目录

第1章 绪论 1

1.1 轻集料 1

1.1.1 轻集料的分类 1

1.1.2 轻集料发展状况 1

1.2 陶粒 2

1.2.1 陶粒的概念 2

1.2.2 陶粒的分类 2

1.2.3 陶粒的国内发展状况 3

1.3 国内土壤重金属污染现状 4

1.3.1 重金属污染土壤的来源及危害 4

1.3.2 重金属污染土壤的处理与处置 4

1.4 本课题研究的意义 5

1.5 本课题主要研究内容 5

1.6 超轻陶粒研究的技术路线 6

第2章 实验材料及实验方法 7

2.1 实验材料 7

2.1.1 实验材料 7

2.1.2 实验设备及仪器 7

2.2 实验方法 8

2.2.1 本实验的系统设计 8

2.2.2 超轻陶粒的制备流程 8

2.2.3 超轻陶粒的性能测试方法 9

2.3 原材料性质分析 10

2.3.1 污染土壤 10

2.3.2 秸秆 12

2.3.3 玻璃粉 13

第3章 利用污染土壤研制超轻陶粒 14

3.1 实验材料预处理 14

3.2 原料配比优化实验 14

3.2.1 污染土壤与造孔剂比值的确定 14

3.2.2 碳粒与秸秆比值的确定 15

3.2.3 外加剂掺量的确定 15

3.2.4 小结 16

3.3 烧结温度实验 17

3.3.1 烧结温度的优化实验 17

3.3.2 烧结时间的优化实验 18

3.4 本章小结 18

第4章 实验结果的分析与讨论 19

4.1 陶粒强度测试 19

4.2 烧结温度对陶粒性能的影响 19

4.3 烧结时间对陶粒性能的影响 21

4.4 外加剂对陶粒性能的影响 22

4.5 本章小结 23

第5章 结论 24

参考文献 25

致谢...............................................................................................................................................27

第1章 绪论

随着我国墙体政策影响的不断加大，国内各种新型墙体材料如雨后春笋般发展起来，为响应国家建筑节能的要求，我国建材发展的舞台上出现了一大批新型建材产品。其中一种人造轻集料就是超轻陶粒，它是一种具有轻质、隔热保温、耐火抗震、用途广泛等优良性能的新型建筑材料。因此超轻陶粒拥有广阔的应用前景。

1.1 轻集料

根据中华人民共和国国家标准GB/T 17431.1-2010规定，轻集料（Lightweight Aggregate）是指堆积密度不大于1100kg/ m³的轻粗集料和堆积密度不大于1200kg/ m³的轻细集料的总称[^[1]]。

1.1.1 轻集料的分类

轻集料的种类非常多，因此也有着很多种分类方法[^[2]]，常用的分类方法有以下几种：按颗粒粒径大小分类、按轻集料的来源分类、按颗粒的粒径分类、按其属性分类、按其性能分类。

1. 按照其颗粒粒径的大小可分为轻细集料和轻粗集料。轻细集料是指粒径小于5mm，最大松散密度小于1200kg/ m³的轻质集料；轻粗集料是指粒径大于5mm，最大松散密度小于1000kg/ m³的轻质集料。

（2）按照集料的来源可分为天然轻集料、人造轻集料和工业废渣轻集料三大类。

（3）按集料的粒径可分为圆球型、普通型、碎石型。

（4）按轻集料的属性可分为有机轻集料和无机轻集料。

1.1.2 轻集料发展状况

我国地大物博，拥有非常多的轻集料资源。早在20世纪中叶我国就对轻集料进行研究，但发展缓慢，至今人造轻集料的年产量还不足400万m³，而且还主要应用于工业和民用建筑中。直到20世纪90年代，在国内外高强混凝土技术的迅速发展以及国家资金投入力度的不断增大以及技术条件的不断改善的情况下，我国高强轻集料混凝土的研究及应用才得以有较大的进步[^[3]]，部分地方如上海就成功地研制出了高强轻集料并开始应用于工程建设中，并且还取得了不错的经济效果。

我国的天然轻集料含量也十分丰富，这是因为我国还是一个多火山的国家[^[4]]，沿海的一些省市、东北、内蒙都拥有丰富的天然轻集料资源。其中开采应用最多是浮石和火山渣。

1.2 陶粒

1.2.1 陶粒的概念

陶粒是利用粘土、泥质岩石、工业废料作为主要原料，掺入少量外加剂，经成型工艺加工成球形后通过焙烧等工艺过程而制得的一种人造新型建筑材料[^[5]]。其内部为蜂窝状结构，且具有质轻、高强、优良的隔热及隔音性[^[6]]、耐腐蚀、抗冻等优良性能。因此，陶粒被广泛应用于与建材、耐火材料、保温材料、石油等相关领域之中。而且随着研究的不断深入，陶粒的应用领域还在不断扩大，因此，它是一个非常有潜力的新型建筑材料。

图1.1 陶粒

1.2.2 陶粒的分类

陶粒是轻集料中的一种，并且陶粒的种类依然繁多，因此陶粒有着许多种不同的分类方式。其常用的分类方法有以下几种：

（1）陶粒按原料分类主要分为八种：黏土陶粒、铝矾土陶粒砂、页岩陶粒、垃圾陶粒、煤矸石陶粒、生物淤泥陶粒、粉煤灰陶粒、河底淤泥陶粒。

（2）陶粒按强度分类可分为高强陶粒和普通陶粒。根据GB/T 17431.1—1998新标准（轻集料及其试验方法）规定，高强陶粒是指强度高于25MPa的结构用轻粗集料，普通陶粒则是指强度低于25MPa的结构用轻粗集料。

（3）陶粒按密度分类一般可分为一般陶粒、超轻陶粒、特轻陶粒。一般陶粒指堆积密度大于500kg/m³的陶粒，相应的颗粒密度基本在1000.00kg/m³以上；超轻陶粒是指堆积密度在300～500kg/m³的陶粒，相应的颗粒密度基本小于1000.00kg/m³；特轻陶粒是指堆积密度小于300kg/m³的陶粒。

（4）陶粒按形状可分为碎石型、圆球型、圆柱型陶粒。

（5）陶粒按性能分类可分为高性能陶粒和普通性能陶粒。高性能陶粒是指高强、低吸水率、质轻的陶粒；普通性能陶粒则是性能较高性能陶粒低一些，而高于普通集料的性能的陶粒。

1.2.3 陶粒的国内发展状况

如同轻集料的发展，我国陶粒的发展起步较晚，在50年代到70年代这几十年间，我国轻集料还处于试验试制阶段，因此天然轻集料的开采量以及人造轻集料的产量都很低，并且生产成本很高，效率低。而在随后到来的墙体改革的影响下，国内陶粒产量开始逐步提升，由原来的年产量不足2万m³上升到年产量60万m³。陶粒产品以粉煤灰陶粒为主，页岩陶粒和粘土陶粒次之。这些陶粒主要应用于陶粒混凝土、外墙板、预制板和桥梁工程中。在1993年到1996年这四年时间里，我国陶粒产量上升到250万m³，且陶粒类型发生了很大的转变，粉煤灰陶粒几乎没有生产，而超轻型粘土陶粒则占据了75%以上，其制品也发生了较大的转变，此时的主要制品为陶粒空心砌块，而且还发展了新型的陶粒产品，如隔热耐火材料、隔音材料等。在1997年后，基于国家政策的变化，为保护耕地以及实现废物利用，粉煤灰陶粒和页岩陶粒的生产又重新焕发生机，且其发展势头显著加快，同时，新型的陶粒产品的发展势头也在同步提升着。

据统计，我国2004年陶粒年产量达500万m³以上，预计2020年的年产量为5000万m³，我国俨然已成为世界上最大的陶粒生产国。生产传统陶粒需要用到大量的粘土和页岩，而这会严重破坏耕地和自然环境，违背可持续发展的原则。固体废弃物陶粒是新一代环境友好产品，它代表了陶粒的生产方向。利用固体废弃物替代粘土和页岩生产陶粒能大大地降低环境的负担，减少环境污染，对实现可持续发展有重大的意义。王发洲，曾新华，黄劲三人利用东湖淤泥按照发泡组分与东湖淤泥比例为20%:80%，600℃预烧15min，1180℃焙烧12min，制备出了筒压强度为1.7MPa、吸水率为13.4%、堆积密度为485kg/m³的超轻陶粒[^[7]]。周彩楼，尚琦，尹洪江三人采用净水厂沉淀池的淤泥来制备超轻陶粒，先后对淤泥的工艺参数、工艺性能进行了实验和论述，最终得到合适的工艺过程与参数，得出结论：在烧结温度为975℃～1025℃的时候，烧制出来的陶粒密度等级为300级，为优等品超轻陶粒[^[8]]。张若愚，李顺芬，罗明河利用硅藻土代替页岩和粘土进行陶粒的生产，在1050℃左右的烧结温度下恒温烧结10～20min，制备出了符合标准的超轻陶粒[^[9]]。随着这些时代先驱们的不断探索，相信在不久后的将来，传统陶粒将被能实现可持续发展的新型陶粒所替代。

超轻陶粒在发展，在国家大力支持以及社会需求的推动下，利用废弃物生产出来的超轻陶粒、超轻陶粒混凝土小型空心砌块以及超轻陶粒混凝土轻质隔墙板等已在房屋建筑中得到较普遍应用，为我国节省了大量资源和资金，同时还满足了社会需求，实现了可持续发展的战略目标。

1.3 国内土壤重金属污染现状

1.3.1 重金属污染土壤的来源及危害

图1.2 中国土壤污染普查结果

我国土壤污染情况如图1.2所示，有16.1%的土壤遭到污染，这严重损害了国家的利益和人们的安全。在这16.1%的土壤中，其中重金属污染尤为严峻。

土壤重金属污染主要是由于人为因素造成的，一般来说，土壤重金属污染来源一般有污水灌溉、工矿企业排污、农药和化肥施用等，其次，还有汽车尾气、污泥施用、固体废弃物等污染源[^[10]]。

这些重金属污染具有很大的危害性，它们能长期存在于土壤及水源之中，随着人们生活饮食，不断累积到人们的身体中，并且难以祛除。当某种重金属在人体中浓度达到一定值时就会对人们的身心健康造成危害，此外，他们还会污染土壤、家禽等，使之生病减产，对人类社会造成巨大的损失。

1.3.2 重金属污染土壤的处理与处置

重金属污染土壤的修复方式主要有三种：物理/化学修复技术、生物修复技术、农业生态修复技术[^[11]][^[12]]。其中物理/化学修复技术是我们目前现阶段研究的重点。

物理/化学修复技术是基于土壤理化性质和重金属性质的差异，通过物理/化学的方式来固化或分离土壤中的重金属[^[13]]，从而达到修复重金属污染土壤的目的。该方法使用起来灵活方便且周期较短，因此得到了广泛的使用，但其工作量大且成本较高，在一定程度上限制了其使用。其主要措施有：客土、换土、去表土、深耕翻土法，土壤淋洗，热解吸法，玻璃化技术，电动修复，固化[^[14]]/稳定化[^[15]]，粒子拮抗技术。

1.4 本课题研究的意义

随着世界工业化进程的发展，人们的物质生活越来越好。但随之而来的是环境污染日益加剧，其中土壤污染尤为突出，其原因是大量工厂排除的废弃物与生活垃圾正在污染着人们赖以生存的土地。因此对污染土壤进行处理和修复成为国家可持续发展的重大需求。其中对土壤重金属污染的处理和修复尤为迫切。

土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属引入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于原始含量，并造成生态环境恶化的现象。土壤重金属污染来源主要有采矿、金属冶炼、化工制造等，并且重金属污染还具有隐蔽性、潜伏性、积累性和长期性的特点。

目前，重金属污染土壤修复的技术体系已基本形成，如采用物理方法的气体抽提/热脱附等有机物分离技术，采用化学方法的固化/稳定化等重金属污染物钝化技术，采用生物方法的功能微生物降解等有机物削减技术[^[16]]，采用利用污染土壤制备超轻集料来处理污染土壤等。其中，后者具有重金属固化效率高、稳定性好、可资源化利用等优点，引起了广泛的关注。

但在国内外，利用重金属污染土壤来制备超轻陶粒的研究几乎为空白领域。因此，利用重金属污染土壤制备出超轻集料，并在此基础上使其具有一定固化重金属的能力是一种行之有效的污染土壤废物利用的研究方向[^[17]]，从而填补该领域的空白。

本实验利用污染土壤和秸秆、碳粒制备超轻陶粒，以大量的废弃物作为原料，不仅减少了环境污染，还实现了废弃物的资源化利用和可持续发展的战略目标，具有重大的意义。

1.5 本课题主要研究内容

本课题拟用通过配比优化实验和烧结温度实验，获得以污染土壤、玻璃粉、秸秆、粉煤灰、木炭、助熔剂等原料制备密度（堆积密度）达400kg/m³的轻集料（陶粒）制备工艺。并测定陶粒的强度、吸水率、重金属溶出率、孔结构。从而获得性能最佳的陶粒。

主要研究内容：

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