燒結(jié)粉煤灰陶粒的開(kāi)發(fā)與研究應(yīng)用

余民鋒， 沙晨光

1 河南省三合新型建材有限公司（467400） 2 平頂山市墻改辦（467000）

1 概述

河南省三合新型建材有限公司是一家集新型墻體研究與開(kāi)發(fā)利用的高新技術(shù)企業(yè),公司位于河南省寶豐縣李莊鄉(xiāng)姬家村,距華中電網(wǎng)最大的火力發(fā)電廠平頂山市姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司儲(chǔ)灰場(chǎng)僅200米。2005年3月公司注冊(cè)資金500萬(wàn)元，2007年6月公司引進(jìn)中國(guó)建筑科學(xué)院專利技術(shù)建成了國(guó)內(nèi)最大、河南省首家年產(chǎn)20萬(wàn)立方米粉煤灰陶粒生產(chǎn)線。企業(yè)利用姚電公司廢棄的粉煤灰作原料，生產(chǎn)出合格的粉煤灰陶粒，而且對(duì)粉煤灰陶粒進(jìn)行深加工研發(fā)，使陶粒用于水質(zhì)凈化、保濕、隔熱阻燃等。其中超輕陶粒混凝土用于建筑工程，主要用于屋面隔熱、保濕墊層，樓板面隔熱防水墊層，建筑物底層地面防潮保濕墊層，地下建筑圍墻外和地面下的防滲防潮保濕墊層等，并具有隔熱保濕、防潮、防水、防滲隔熱、耐久等特點(diǎn)。而利用高強(qiáng)陶?？梢陨a(chǎn)混凝土多孔磚、小型混凝土空心切塊、空心樓板和大型屋面板等，還可以用于熱帶地區(qū)的屋頂隔熱層材料、城市道路的屏障、音響建筑的吸音板、道路工程的防滑路面、水的過(guò)慮劑、花卉的保濕載體和蔬菜的無(wú)土栽培等。粉煤灰陶粒輕質(zhì)混凝土與普通混凝土相比，在保持強(qiáng)度等重要指標(biāo)前提下，自重可減輕30%，導(dǎo)線系數(shù)可降低50%，收縮及溫度變形系數(shù)降低40%～60%，特別適用于中高層工業(yè)及民用建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)等，也可用來(lái)生產(chǎn)陶粒墻板和陶粒磚，廣泛用于城市建設(shè)和工業(yè)民用建筑，市政橋梁等,開(kāi)辟了粉煤灰綜合利用的新途徑，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益。

2 生產(chǎn)工藝

河南省三合新型建材有限公司其前身是粉煤灰綜合利用技術(shù)研究所,該研究所與中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑機(jī)械研究分院、北京科陶輕建粉煤灰陶粒技術(shù)研究院、河南省建筑科學(xué)研究院、省市墻改辦建立有技術(shù)合作關(guān)系。2006年和中國(guó)建筑科學(xué)研究院、北京科陶輕建粉煤灰陶粒技術(shù)研究院達(dá)成協(xié)議，采用其專利技術(shù)生產(chǎn)粉煤灰陶粒，該技術(shù)采用窯箱式焙燒機(jī)，打破了國(guó)外傳統(tǒng)的助燃燒結(jié)工藝,以粉煤灰為主要原料，加入少量粘結(jié)材料經(jīng)粉碎、攪拌、加濕成球后（粉煤灰摻加量達(dá)95%以上），利用粉煤灰中微量未被燃盡的余炭自燃，在1200℃～1300℃高溫下焙燒成陶,高強(qiáng)陶粒的生產(chǎn)工藝如下:原料制備→暫存→粉碎→輸送→成球→燒結(jié)→卸球→運(yùn)輸→堆放→成品分級(jí)篩選→入庫(kù)。

窯箱式燒結(jié)采用靜態(tài)燒結(jié)工藝,利用空氣中的氧氣在窯箱底部引火，配以不同動(dòng)力的風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)窯箱內(nèi)部熱循環(huán)式燒結(jié)，溫度達(dá)到1200℃以上，窯箱底部、外圍采用循環(huán)水冷處理方式。從成球工段送來(lái)的生料球,經(jīng)倒料槽送于窯箱后，進(jìn)入滅火器下放點(diǎn)火，點(diǎn)火溫度為1150℃～1300℃，空氣從窯箱底部被吸入，溫度自下而上逐漸升高，這樣料球從表層到球心，不斷燒結(jié)，同時(shí)進(jìn)行復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，隨著可燃炭的燃盡,燒結(jié)的料層逐漸冷卻,經(jīng)過(guò)90min的燒結(jié)過(guò)程，將陶粒倒出窯箱。

經(jīng)國(guó)家建筑材料工業(yè)房建材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心檢測(cè),河南省三合新型建材有限公司生產(chǎn)的粉煤灰陶粒產(chǎn)品樣品的堆積密度、筒壓強(qiáng)度、吸水率符合GB/T17431.1-1989標(biāo)準(zhǔn)中普通輕粗集料的要求，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 兩種集料的性能參數(shù)

表2 粉煤灰陶粒產(chǎn)品樣品質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

優(yōu)點(diǎn):①粉煤灰陶粒具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn),粉煤灰陶粒的堆積密度一般為600kg/m3,只有砂石的30%，而能澆筑出高標(biāo)號(hào)結(jié)構(gòu)混凝土;②保溫隔熱性能好，200mm厚的粉煤灰陶粒輕集料混凝土砌塊，熱阻值大約相當(dāng)于300mm厚的砂石為原料的普通混凝土砌塊的熱阻值，能耗節(jié)約1/3；③耐火性能好，在建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，普通混凝土耐火1h，而輕集料混凝土可耐火4h；④抗震性能好；⑤具有更高的耐久性，特別是其耐腐蝕性良好；⑥抗?jié)B性好，輕集料混凝土的抗?jié)B指標(biāo)(工業(yè)大氣壓為B18-25)，而普通混凝土為B6。缺點(diǎn):高強(qiáng)粉煤灰陶粒產(chǎn)量低，一個(gè)窯箱僅0.4m3，生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)，一個(gè)窯箱要經(jīng)過(guò)90min才能完成焙燒，能源消耗大，并且每一個(gè)窯箱需配2.2kW動(dòng)力風(fēng)機(jī)一臺(tái)。

燒結(jié)機(jī)法生產(chǎn)粉煤灰陶粒的主要優(yōu)點(diǎn)有:吃灰量大，按粉煤灰的粗細(xì)和粘結(jié)助溶劑的性能,一般可達(dá)80%-95%；對(duì)粉煤灰的要求低，粗灰、細(xì)灰、濕灰、干灰、半干灰等均能利用；熱能消耗低，約為回轉(zhuǎn)窯法生產(chǎn)粉煤灰陶粒的60%；生產(chǎn)成本低，一般為65元/m3～90元/m3,約為回轉(zhuǎn)窯法的80%；陶粒強(qiáng)度高，筒壓強(qiáng)度分別比同等堆積密度的頁(yè)巖陶粒、黏土陶粒高 20%～30%,可配置干密度 1600kg/m3～1930kg/m3、抗壓強(qiáng)度20MPa～50MPa的輕質(zhì)混凝土;生產(chǎn)燒結(jié)型粉煤灰陶粒的預(yù)熱、點(diǎn)火、焙燒、冷卻過(guò)程在同一燒結(jié)機(jī)上完成，設(shè)備投資比同等規(guī)?；剞D(zhuǎn)窯法生產(chǎn)線低20%左右;由于吃灰量大,生產(chǎn)燒結(jié)粉煤灰陶粒及其制品可享受國(guó)家利用工業(yè)廢渣的稅收優(yōu)惠政策。

燒結(jié)機(jī)法生產(chǎn)粉煤灰陶粒的主要缺點(diǎn)是:只能生產(chǎn)單一品種（堆積密度:中國(guó) 630kg/m3～750kg/m3,英國(guó)萊太克＜LYTAG＞750kg/m3～900kg/m3）,無(wú)法生產(chǎn)超輕陶粒（堆積密度≤500kg/m3）和超高強(qiáng)陶粒（陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度＞50MPa）;陶粒吸水率相對(duì)較高，一般為15%～22%；燒結(jié)機(jī)必須設(shè)于室內(nèi),燒結(jié)車間廠房2～3層,建筑工程投資比回轉(zhuǎn)窯法高15%左右。

燒結(jié)粉煤灰陶粒適用于各種用途的高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土和制品，全輕陶?；炷痢o(wú)砂大孔陶?；炷?、鋼筋陶粒混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋陶粒混凝土和制品等?？刹捎妙A(yù)制、泵送、現(xiàn)澆、滑升模板等施工方法，用于各類節(jié)能、抗震、耐久性建筑和橋梁、道路等工程，應(yīng)用范圍比較廣泛。

我公司技術(shù)人員為了提高粉煤灰陶粒的產(chǎn)量,縮短燒結(jié)時(shí)間，減少能源消耗，經(jīng)過(guò)外出考察并作了大量試驗(yàn)，提出用旋轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)粉煤灰陶粒的燒成技術(shù),經(jīng)調(diào)整配方和熱工焙燒制度，用同一回轉(zhuǎn)窯，既可生產(chǎn)出超輕陶粒（堆積密度＜500kg/m3）,也可生產(chǎn)出普通陶粒（堆積密度 500kg/m3～700 kg/m3）和高強(qiáng)陶粒（堆積密度 700kg/m3～900kg/m3）,成為一條多功能陶粒生產(chǎn)線。

目前，陶粒設(shè)備的生產(chǎn)廠家較多，其設(shè)備各具特色，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，首先，我們選用了35m長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)窯，其生產(chǎn)工藝為:原料（粉煤灰+頁(yè)巖）→混磨→暫存→喂料→燒結(jié)→燒脹→堆放→運(yùn)輸→分級(jí)→入庫(kù)。

該窯比一般窯長(zhǎng)8m～10m，烘干、預(yù)熱、燒結(jié)一次完成，能節(jié)省不少燃煤，前面21m為預(yù)熱、烘干，溫度200℃～800℃，停留20min；后14m為高溫帶，800℃～1300℃，又可分為中、高、低三階段，大約停留15min出窯，所出陶粒比較合適。其次，我們選用雙軌制粒機(jī)，擠壓成6mm～8mm條形粒，經(jīng)滾網(wǎng)滾圓后進(jìn)入輸送帶進(jìn)窯，燒結(jié)制出來(lái)的陶?？纱罂尚?，比較符合規(guī)格，篩選分級(jí)堆放即可。

不同原材料及不同配方研究不同原料配比至關(guān)重要，為了獲得較好的陶粒，杜絕使用黏土作為原材料，我公司在不同配合比上反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，找出了適當(dāng)?shù)呐浜媳?，在適當(dāng)?shù)臏囟认?，即?%～8%的余炭的粉煤灰和頁(yè)巖中加入5%～8%的灰粉，燒制出具有一定強(qiáng)度的粉煤灰陶粒。

我們采用姚孟發(fā)電公司儲(chǔ)灰場(chǎng)粉煤灰試驗(yàn)結(jié)果表明，姚電粉煤灰顆粒較細(xì)、塑性好、滲解成分也好。

當(dāng)?shù)仨?yè)巖SiO2含量較高，AL2O3、MgO和CaO含量較低，K2O、Na2O含量稍高，而且含有結(jié)晶水，配料中加入頁(yè)巖可以降低原料的熔融溫度和液體黏度,并在烘制過(guò)程中增加膨脹氣體的產(chǎn)生，有利用料球的膨脹,陶粒料球烘燒前必須先經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理，才能達(dá)到好的效果。

綜合試驗(yàn)研究得出:同樣配比的料球，在較低溫度下預(yù)熱，經(jīng)過(guò)適宜焙燒制度，可制出超輕陶粒（300kg/m3～500kg/m3）；而在較高溫度下預(yù)熱的料球，經(jīng)過(guò)適宜溫度焙燒，可制出高強(qiáng)陶粒（700kg/m3～900kg/m3）。

3 粉煤灰陶粒的用途

粉煤灰陶粒由于其內(nèi)部成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，因而具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水率小、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因此成為保溫、隔熱、抗震、防火防潮、防輻射、吸音、降噪等優(yōu)良材料，是生產(chǎn)輕骨料混凝土及制品（承重和非承重砌塊、墻板、樓板、橋梁）的主要組成材料，用陶粒作骨料制成的輕質(zhì)混凝土制品廣泛的用于工業(yè)與民用建筑、市政橋梁、水利、園林綠化工程、地下水工程、造船、工業(yè)建設(shè)等。由于陶粒具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的特性,因此以陶粒為骨料制成的陶粒輕質(zhì)砌塊、陶粒多孔磚、陶粒標(biāo)準(zhǔn)磚廣泛用于城市各高層建筑中，被國(guó)家國(guó)土資源部、國(guó)家發(fā)改委等四部委指定為建筑墻體的主導(dǎo)產(chǎn)品,是替代紅磚的首選產(chǎn)品。粉煤灰陶粒是一種新型建筑材料，作為建筑墻材替代天然石子，頁(yè)巖陶粒和黏土陶粒生產(chǎn)輕質(zhì)混凝土，可以制成陶粒砌塊磚、陶粒復(fù)合墻板，還可以生產(chǎn)混凝土多孔磚和混凝土空心砌塊、空心墻板和保溫墻板、空心樓板和大型屋面板等。還能用做現(xiàn)澆高層建筑的梁、板、柱及框架等，此外還用作城市道路的聲屏障、音響建筑的吸音板、道路工程的防滑、抗磨路面。用粉煤灰陶?？梢蕴娲呈橇线M(jìn)行礦井巷道錨噴，也可用作水的過(guò)濾劑、花卉的保濕載體和蔬菜的無(wú)土培載。因此粉煤灰陶粒具有廣闊的市場(chǎng)前景。

國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)和應(yīng)用實(shí)踐證明，超輕陶?；炷林破罚ㄐ⌒推鰤K、內(nèi)墻條板、復(fù)合保溫外墻板等）和超輕陶?；炷炼伎梢源罅繎?yīng)用于建筑工程。其中，超輕陶粒混凝土用于建筑工程在外國(guó)（北美、歐洲、俄羅斯等）已有40余年的歷史，主要用于屋面隔熱保溫墊層、樓板面隔聲防水墊層、建筑物底層地面防潮保溫墊層、地下建筑圍墻和地面的防滲防潮保溫墊層等，其隔熱保溫、防潮、防水、防滲、隔聲、耐久等性能優(yōu)越。粉煤灰輕質(zhì)陶粒用作漏洞隔熱層、陶粒成本僅30元/m2，原材料成本價(jià)僅 50元/m2，用作外墻板保濕，陶粒成本7.5元/m2，原材料總成本僅12元/m2，比普通隔熱層和外墻保濕原材料綜合成本價(jià)分別降低30%～40%,不但節(jié)約施工成本，降低工程造價(jià)，施工安全、方便快捷，而且減輕基礎(chǔ)承重25%～30%，屬目前國(guó)家指定和推廣的綠色環(huán)保建材產(chǎn)品，節(jié)能效果顯著，施工經(jīng)驗(yàn)成熟，施工快捷方便。

4 粉煤灰陶粒具有很好的綜合效益

1）粉煤灰陶?；炷僚c普通混凝土相比優(yōu)點(diǎn)突出

①粉煤灰陶粒密度輕，只為砂石的1/3，而能配制出高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)混凝土。

②保溫隔熱性能好。粉煤灰陶?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)比普通混凝土低一倍。

③耐火性能好。在建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)間，普通混凝土耐火1h，粉煤灰陶?；炷量赡突?h；在65度的高溫下，粉煤灰陶?；炷聊芫S持室溫強(qiáng)度85%,而普通混凝土只能維持室溫強(qiáng)度的35%～75%；此外，粉煤灰陶?？膳渲颇蜔徇_(dá)1 200度的耐熱混凝土。

④抗震性能好。粉煤灰陶?；炷料鄬?duì)抗震系數(shù)為109，普通混凝土為84，磚砌體只有64。1976年唐山大地震時(shí)，天津市的四幢粉煤灰陶粒大板建筑基本完好,照常使用，而周圍的磚混建筑都有不同程度的破壞。

⑤耐久性好。粉煤灰陶粒混凝土耐酸、堿腐蝕的性能優(yōu)于普通混凝土；250號(hào)粉煤灰陶?；炷恋?5次凍融循環(huán)的強(qiáng)度損失不大于2%。對(duì)已使用近十年的工程進(jìn)行實(shí)測(cè)，粉煤灰陶?；炷恋匿摻罹翠P蝕，碳化深度一般不超過(guò)30mm，和普通混凝土一樣，強(qiáng)度不但不降低，反而增長(zhǎng)。

2）粉煤灰陶粒生產(chǎn)技術(shù)節(jié)能環(huán)保

利用粉煤灰作原料,借助粉煤灰中微量未被燃盡的余炭焙燒成陶，生產(chǎn)工藝節(jié)能環(huán)保。

3）項(xiàng)目符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策

粉煤灰陶粒生產(chǎn)線是粉煤灰綜合利用環(huán)保治污項(xiàng)目,符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策。同時(shí)加大固廢綜合利用度、降低發(fā)電廠治污成本、促進(jìn)企業(yè)快速發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的存放途徑，為火力燃煤發(fā)電企業(yè)粉煤灰實(shí)現(xiàn)“零排放”工程提供了支持。

4）粉煤灰陶粒制品節(jié)能環(huán)保

粉煤灰陶粒具有良好的保濕、隔熱、抗震、防潮、降噪性能，以陶粒為骨料生產(chǎn)的高強(qiáng)砌塊、多孔磚、屋面隔熱層、保濕層、外層保溫等廣泛應(yīng)用于建筑工程，可有效提高建筑工程的節(jié)能環(huán)保性能,為落實(shí)河南省《用民建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案》為河南省墻改工作提供了物質(zhì)支持。

5 結(jié)論

河南省三合新型建材有限公司年產(chǎn)20萬(wàn)立方米粉煤灰陶粒生產(chǎn)線項(xiàng)目實(shí)施，年消耗粉煤灰30萬(wàn)噸，年減少粉煤灰堆放占地226畝,屬大宗工業(yè)固體廢物資源綜合利用化項(xiàng)目，用粉煤灰陶粒作為建筑制品，建筑節(jié)能效益顯著。

項(xiàng)目建設(shè)為實(shí)現(xiàn)民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)指標(biāo)提供了物質(zhì)支持，項(xiàng)目可持續(xù)生產(chǎn)力強(qiáng)，粉煤灰陶粒制品可持續(xù)需求前景廣闊，而且項(xiàng)目建設(shè)對(duì)改善環(huán)境、節(jié)約土地、實(shí)現(xiàn)廢物綜合利用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、構(gòu)建資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會(huì)具有積極作用，并可產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。