通过微波烧结将工程废弃物中的有价值成分转化为轻质陶瓷砂：优化与性能评估

《Process Safety and Environmental Protection》：Engineering Spoil Valorization into Lightweight Ceramsite via Microwave Sintering: Optimization and Performance Evaluation

本研究利用微波烧结技术将工程废料、赤泥和炭粉渣协同转化为轻质陶瓷骨料，通过响应面法优化配比和烧结温度，获得密度1.39g/cm3、抗压强度12.8MPa的轻质骨料，微观结构显示Fe-Ca-Si协同作用促进玻璃相形成和闭孔结构，提升性能，为固废资源化提供高效环保方案。

　　

方军|耿倩|程俊熙|刘洪涛|魏伟|袁园|邵珠山

西安建筑科技大学土木工程学院，中国西安7100055

摘要

为了促进工程废弃物和工业固体废物的资源化利用，本研究采用微波烧结技术，以工程废弃物、红泥和炭粉渣为原料制备了轻质陶粒骨料。系统研究了成分及其相互作用对骨料密度、抗压强度和吸水率的影响。通过响应面方法结合多目标优化确定了最佳配方和工艺条件。结果表明，微波烧结显著提高了内部加热效率，促进了液相的形成，从而有利于孔隙演化和基体致密化。优化后的陶粒骨料密度约为1.39 g/cm3，抗压强度为12.8 MPa，满足轻质骨料的应用要求。微观结构分析表明，Fe–Ca–Si组分之间的协同作用促进了玻璃相和闭孔结构的形成，这与性能的提升密切相关。本研究证明，微波烧结结合多目标优化为将工程废弃物和工业废物转化为高价值陶粒材料提供了有效的途径，同时具有技术可行性和环境效益。

引言

随着工业化和城市化的持续推进，全球能源消耗持续增加，固体废物的产生量也随之大幅上升，对生态环境构成了严重威胁（Pomponi和Moncaster，2017）。例如，仅中国每年产生的工程废弃物就约达30亿吨（Xiao等人，2020）。工程废弃物主要来源于建筑拆除、地下工程、隧道建设和道路修复等活动（Cheng等人，2022a；Paj?k等人，2018；Liu等人，2012）。然而，目前处理工程废弃物最常用的方法是将其运输到垃圾填埋场，这种未经管理的做法已被证明会对环境造成危害（Hou等人，2022）。因此，迫切需要开发高效、经济且环保的工程废弃物资源化利用途径。

陶粒是一种主要通过烧结等工艺从黏土和页岩等自然资源中制造的材料。由于其轻质、高强度、强吸附能力、耐腐蚀性和防火性等特性，被广泛应用于建筑、水处理、园艺种植和石油等领域（Long等人，2023a；Li等人，2023a；Tong等人，2024；Liu等人，2023a；Li等人，2023b）。由于工程废弃物的化学成分和物理性质与黏土相似，利用其生产陶粒是一种高附加值的处理方法，但也存在一定的挑战。

传统的陶粒生产通常依赖高温窑炉（如回转窑），这些窑炉主要以化石燃料为热源，导致高碳排放和较大的环境负担。虽然电炉可以通过电能提供热量，但其加热速度相对较慢，烧结周期长，能源利用效率较低。随着电磁加热技术的发展，微波烧结作为一种潜在的替代方案应运而生。微波烧结通过电磁波与材料的耦合实现快速体积加热，具有加热速度快和能源利用率高的特点（Metaxas，1991；Menéndez等人，2010；Cheng等人，2024a；Cheng等人，2022b）。其基本原理如图2所示。与传统以热传导为主的加热方式不同，这种能量沉积方式直接在材料内部产生热量，从而提高了加热效率并增强了反应同步性。传统烧结的加热速度通常限制在约10 ℃/min，而微波烧结可达到约100 ℃/min，显著提高了烧结效率并保持了反应进程（Ramesh等人，2018）。这种快速且相对均匀的体积加热在多组分系统中尤为重要。例如，Zhu等人（2023）报告称，微波烧结镍铁渣与粉煤灰微球结合可在较低温度（约900 ℃）和较短时间（约20 min）内制备出高性能材料，相比传统烧结温度降低了约300 ℃。同样，Franus等人（2024）使用废石、废玻璃和黏土制备了轻质骨料，获得了1.70 g/cm3的密度和5.95 MPa的抗压强度，并发现微波场在较低温度下促进了玻璃相的形成，同时实现了适当的黏度，有利于稳定孔结构和轻质特性的形成。此外，Lyra等人（2019）表明，微波烧结能够在较短的时间内制备出抗压强度更高、吸水率更低的轻质骨料。在工程废弃物砖的生产中，微波烧结也显示出更高的烧结效率、更低的能耗和更好的重金属固定性能（Cheng等人，2022b）。因此，在固体废物资源化利用领域，微波烧结不仅提高了处理效率，还为有效利用建筑和拆除废弃物等固体废物提供了极具前景的技术途径（Cheng等人，2024b；Liu等人，2026）。

此外，尽管工程废弃物的主要成分（如SiO?和Al?O?）与陶粒生产所需的成分相似，可以在一定程度上加以利用，但其熔融和改性效果仍然有限，无法独立满足高强度、低密度陶粒的性能要求。因此，需要引入其他固体废物作为辅助原料以实现互补的成分组合并提升性能。红泥（RM）是一种强碱性的工业废物，产生于氧化铝的生产过程中，富含Fe?O?、Al?O?和Na?O，可以降低液相形成温度并促进烧结致密化。迄今为止，许多研究者已成功通过将红泥与废弃物混合制备出陶粒。Pei等人（2022a）使用红泥、黏土和废木屑成功制备了体积密度为385 kg/m3、抗压强度为1.10 MPa的超轻质陶粒。Zhang等人（2024）提出了一种利用红泥和高炉粉尘综合生产直接还原铁（DRI）的新方法，将DRI制备过程中产生的渣转化为可用于废水磷吸附和去除的功能性陶粒。同时，炭粉渣在高温下可作为还原剂和孔隙形成剂，与红泥中的氧化铁反应促进低熔点液相的形成，并在燃烧过程中释放气体以调节孔结构（Jin等人，2024a；Mopoung等人，2014；Ye等人，2013）。这种多种固体废物的协同利用不仅改善了陶粒的微观结构和宏观性能，还为固体废物的资源回收提供了新的途径。

本研究以工程废弃物为主要原料，辅以红泥和炭粉渣制备轻质陶粒。采用Box–Behnken设计（BBD）的响应面方法（RSM）系统分析了红泥、炭粉渣、温度与陶粒物理性质之间的关系。此外，还采用多目标优化方法全面优化了陶粒的性能。XRD和SEM-EDS分析揭示了陶粒的矿物相演变和微观结构特征。通过醋酸缓冲溶液法评估了其重金属浸出行为，阐明了多种固体废物组分之间的协同作用机制及烧结机制。本研究为工程废弃物的高价值利用提供了理论基础和技术支持，展示了微波烧结在固体废物资源回收中的应用潜力。

材料

本研究中用于微波烧结陶粒的原料为工程废弃物和红泥，添加了炭粉渣作为孔隙形成剂。所使用的工程废弃物来源于西安地铁建设项目。其化学成分通过X射线荧光（XRF）分析确定，粒径使用LS-909激光粒度分析仪测量。结果见表1和图3。

物理性能测试结果与分析

本研究采用三因素三水平的BBD实验设计（表3），共进行了17次实验。每组进行三次平行测量，平均值记录在表3中。密度、抗压强度和吸水率的范围分别为1.38–1.78 g/cm3、11.2–14.4 MPa和1.12%–8.49%。方差分析和回归方程误差的统计分析结果见表4和表5。

结论

本研究采用微波快速烧结技术实现了工程废弃物、红泥和炭粉渣的协同资源化利用，制备出了具有高机械性能的轻质陶粒。通过响应面方法，系统揭示了原料成分和烧结温度对陶粒物理性能、晶相结构、孔隙特性和重金属固定行为的影响规律。

未引用参考文献

(Jin等人，2024a)

作者贡献声明

邵珠山：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。袁园：监督、资金获取、概念构思。方军：撰写 – 初稿撰写、验证、软件应用、方法论设计、数据整理、概念构思。魏伟：监督、资金获取、概念构思。刘洪涛：概念构思。程俊熙：监督、概念构思。耿倩：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号12432020）、国家自然科学基金（项目编号12402487）和国家自然科学基金（项目编号12202333）的支持。