利用工业固废制备陶粒的研究及建筑工程领域应用现状*

2021-09-14杨雪晴宋杰光巫嘉伟何春艳林国坚庞才良刘荣进

砖瓦 2021年8期

杨雪晴宋杰光钟璐巫嘉伟何春艳林国坚庞才良刘荣进

（1.萍乡学院海绵城市研究院，江西萍乡 337055；2.桂林理工大学广西建筑新能源与节能重点实验室，广西桂林 541004）

1 陶粒的概述

陶粒是一种通过高温烧结或免烧结工艺所制备的球状产品，具有良好的性能，因为陶粒的质量轻、强度高。陶粒的内部结构也呈蜂窝状，因此陶粒是制作保温隔热产品、防高温、防潮湿、吸音降噪等产品的优质材料[1-3]。陶粒混凝土的优越性在许多大跨度和高层建筑中更是展现得淋漓尽致，许多公共设施和经常暴露在外的墙体广泛使用以陶粒为骨料生产的轻质钢筋混凝土产品[4-5]。煤矸石的化学成分以二氧化硅和氧化铝为主，陶粒可以通过添加其他烧结助剂，将原料二氧化硅所占比例与工艺做适当调整来制备。

2 陶粒的种类及性能

随着我国社会的高速发展，工业规模也在迅速增长，同样带来的弊端就是工业固废的剧增、不断堆积。这样的后果不仅是原材料的锐减和对土地资源的浪费，也对人类生存环境和自然生态造成了一定的威胁。近些年来，国家的环保政策愈加严格，为建设成资源节约型、环境友好型和实现可持续发展型社会的关键在于可循环的经济模式和实现工业固废、危废的再生利用，其中实现工业固废、危废的再生利用已然成为可持续发展的主导推动力[6-7]。

目前，陶粒的分类方法很多[8-9]，按原料分类，陶粒可以分为黏土陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒、垃圾陶粒、河底泥陶粒、生物污泥陶粒等[2]；陶粒按强度也可分为高强陶粒、普通陶粒。根据我国新修编的《轻集料及其实验方法》GB∕T17431.1-2010 新标准，高强陶粒是指强度标号≥25MPa 的结构用轻粗集料；普通陶粒是指强度标号＜25MPa 的结构用轻粗集料；高强陶粒的吸水率、筒压强度、密度等级、强度标号为特定指标，其他指标（有害物质含量、软化系数等）较普通陶粒、超轻陶粒相同，高强陶粒表观密度大，孔隙率小，细孔含量多从而具有轻质高强、低吸水率、良好的保温隔热性能和耐火性能[3]，且高强陶粒较其两者具有较高的强度标号有利于改善结构构件的延展性，从而具有良好的抗震性能；按陶粒性能可分为高性能陶粒和普通性能陶粒，高性能陶粒具有高强、低吸水率、密度较小，普通性能陶粒的强度较高性能陶粒略低，其孔隙率和吸水率略高，两者性能都优越于普通集料；按陶粒的密度可分为一般密度陶粒、超轻陶粒、特低密度陶粒。根据我国新修编的《轻集料及其实验方法》GB∕T 17431.1-2010 新标准，一般密度陶粒、超轻陶粒、特低密度陶粒分别是指密度>500kg∕m3、300kg∕m3～500kg∕m3、<300kg∕m3的陶粒，一般密度陶粒其强度相对于超轻和特低密度陶粒较高，特低密度陶粒相较于其他两者具有非常优异的保温隔热性能，但强度较差。

3 陶粒在建筑领域的产品及种类

陶粒种类繁多，不同原料形成的陶粒在工业和民用建筑产品中具有不同的功能且陶粒在建筑领域应用范围广泛，尤其是工业和民用建筑。黏土陶粒、粉煤灰陶粒和页岩陶粒以黏土、粉煤灰和黏土页岩为主要原料，通常适用于结构或保温耐火用轻骨料混凝土。目前，国内市场上常用黏土陶粒作为过滤材料，不仅适用于工业和民用水处理，还广泛用于食品、冶金、化工、纺织、印染等工业废水的生化除油、去污和重金属离子过滤；粉煤灰陶粒具有大多数陶粒所拥有的优点，粉煤灰陶粒混凝土常被作为建筑耐火混凝土用于市政建设、公路桥梁、工业与民用建筑和水利工程中；页岩陶粒广泛应用于保温、耐火隔热材料、海绵城市建设等多个建筑领域，主要产品有砌块和隔墙板等，但页岩和黏土国家已出台相关政策禁止或限制开采[10-12]。

为了符合国家相关政策，研究人员考虑用垃圾、污泥、河泥代替传统陶粒来研究新型陶粒。因此，固体废弃物的再生利用受到越来越多的重视。将城市垃圾通过处理、造粒、焙烧后得到垃圾陶粒，其具有造价低、来源丰富广泛、能耗低、强度高、重量轻的特点[7]。垃圾陶粒现阶段不仅可以制成新型墙体材料（墙体、砌墙砖等），还可以用于结构保温型吸声降噪型陶粒混凝土[8]和用于水处理的净化。研究人员将生物污泥进行处理过后，进行造粒、烧结而成生物污泥陶粒从而有效避免了环境的污染且具有一定的价值意义。国内江河、湖泊数量众多，且经过多年的沉淀有大量的淤泥，研究人员考虑通过用河底淤泥代替黏土，通过原料处理、干燥、成球、焙烧而成河底泥陶粒[9]。河底泥陶粒的资源化利用有效解决了环境污染问题，还缓解了建材制造业与农业用地相关产业的土地冲突问题；目前，在建筑材料的利用中，污泥陶粒制备的轻骨料混凝土、砌块等建筑材料已得到了广泛的研究[10]。以上利用垃圾、污泥、河泥制备出来的陶粒真正做到了“再利用、绿色化、资源化”，这样不但解决了二次污染的问题也达到了废弃物资源化的目的，且污泥的资源化利用不仅保护了有限的农田土地不被破坏，也节约了黏土，为固体废弃物找到了合理的出路。

4 陶粒的研究现状

4.1 陶粒国外研究现状

21世纪，陶粒带动了建筑行业飞速发展，许多发达国家和发展中国家生产陶粒的数量也大幅增加[13-15]。目前陶粒的应用领域已经发生变化，它作为一种新型建筑材料在建筑行业中的应用越来越广泛，从传统建筑行业扩展到具体的实物产品，如陶粒砌块，陶粒砖和陶粒板等。陶粒的原料已经从传统的黏土和页岩转变为了生活废料和工业固废。有效减少了黏土，页岩等天然矿物的大量使用。生产陶粒的设备也正朝着自动化、智能化，网络化方向发展。国外目前的发展趋势主要是：原料来源多种多样，主要是以工业固体废弃物为主；在制备陶粒过程中，主要是在提高生产效率，降低能量消耗的同时还可以起到保护环境的作用；在产品性能上，主要朝着高强度和轻量化两个方向发展；在应用上，从传统的普通混凝土发展到保温砌块和保温墙体材料。

4.2 陶粒国内研究现状

自20 世纪70 年代，我国开始研发煤矸石陶粒，经过长期发展，已经获得了丰富的技术储备，工业产值也呈稳步增长的趋势。近年来，我国煤矸石陶粒的研究和生产有加速的趋势。

近年来，由于地理环境和生存条件不同煤矸石的化学成分、性质存在很大差异，所以部分学者针对不同地区不同类型的煤矸石焙烧陶粒进行了研究。李虎杰[8]等利用黏土质煤矸石为原料，通过加入少量的页岩和少量粘结助溶剂和少量其他辅助原料，可制备出高强度煤矸石陶粒，以此解决原料含碳量过高的问题。杨稔[9]采用不同的配方，通过一定的烧成制度焙烧出表观密度为强度高的陶粒，主要可以应用于处理氨氮废水，通过动态吸附实验表明，证明陶粒在废水的处理方面具有良好的吸附效果。范锦忠[10]对利用煤矸石和粉煤灰为原料焙烧环保型煤矸石陶粒的制备工艺做了较为深入的研究，最终总结出不同地区生产陶粒的最佳原料配比和最佳工艺参数。建议在试验方法方面，使用优化生产工艺，优化实验室陶粒焙烧试验方法，参考国外的“一炉连续升温制”将国内传统的“三炉分段恒温制”升级为“二炉分段连续升温制”，改进烧成制度，能够有效较小试验结果的误差。

5 陶粒的制备及工艺设备

陶粒的制备工艺主要是由原料预处理、配料、成型、干燥预热、冷却这几个过程构成。工艺流程图见图1。

图1 陶粒的制备工艺流程图[3]

利用破碎机将试验原料的粒径破碎至2mm以下，接下来加入一定量的清水（掺水量以易于成球为标准，通常为12%～20%。因为如含水率过低，陶粒不易成球，易碎裂；含水率过高，过度消耗热能，增加制备成本。然后将浆料均匀搅拌，采用圆盘成球机成球，球径大小集中分布在5mm～15mm，保证良好的颗粒级配。生料成球后在恒温干燥箱中干燥一段时间，使成球的陶粒脱水干燥。最后按一定的顺序装入样缸中准备焙烧。焙烧过程是烧制陶粒的关键阶段，包括预热阶段和焙烧阶段两个重要过程。生球在干燥后就进入预热温度为350℃～600℃的预热阶段。预热的目的是使生球表层的水分进一步被去除，防止焙烧过程中由于温度急剧上升引起炉内表层开裂和球团爆炸，同时逐渐产生部分气体，为软化生球团做准备。陶粒的外粘度和陶粒中气体的形成都会被焙烧温度和保温时间影响。焙烧温度应在生球团膨胀温度范围内，否则会打破生球团液相和气相的动态平衡，导致陶粒的密度、强度和吸水率都会受到影响。冷却工艺也是试验过程中一个必不可少的环节，也会对陶粒产生较大的影响。在实际生产过程中想要提高生产效率，就需要快速冷却，陶粒的内部可能会随着温度快速降低过程中产生温度应力，从而导致陶粒性能降低，因此，需要研究不同配比的原料所制备的煤矸石陶粒的冷却温度。所制备的煤矸石陶粒，要严格按照《轻集料及其试验方法》国标（GB∕T17431－2010）进行检测[4]。

6 陶粒在建筑行业中的应用及前景

2020年之初爆发的疫情，对每个行业都造成了沉重的打击。疫情不可避免会让工厂和企业生产经营受到冲击，对工业经济产生负面影响，导致部分企业步入困难的境地甚至倒闭，但随着疫情在严格的控制下，逐渐好转，生产也缓慢地逐步恢复，才致使疫情对全年的影响可控。在各大行业受挫的期间，固体废弃物陶粒和陶粒混凝土产品产能却能创历史新高[11]。这一现象从侧面可以反映出，利用固体废弃物生产陶粒仍然是推动轻集料行业发展的“主推手”。

由黏土、页岩等原料制备而成的人工轻集料，后经焙烧而制成传统陶粒。由于可采黏土和页岩会造成自然生态环境的破坏[12]，因此研究固体废弃物制备陶粒具有极为重要的意义。且随着近些年我国对环境保护的重视，传统建筑材料因高能耗、高排放[13]而成为降低产能、限制发展的目标，大批水泥企业被搬迁、关停。绿色建材的发展成了“聚焦点”，通过利用各种固废来制备建材产品就是其中一个主要的方向[14]，对于轻集料行业来说，除了对设备进行更迭成环保型、降低能耗和排放外，利用固体废弃物制备陶粒是一个可持续发展的绿色方向。固体废料的资源化利用持续得到相关政策的支持更是加快了对陶粒行业的进一步发展，“十三五” 规划中提出加快污泥资源化和多污染协同处理的技术研发和产业化，生态环境部将妥善处置污泥。“十四五” 规划中提出加强危废固废资源化处置[15]、资源节约利用和推动绿色发展，把资源利用化、废物减量化做到最好，同时兼顾经济效益。现阶段，粉煤灰陶粒已被广泛应用[17]，污泥为原料生产的陶粒也相对较为成熟，还有大量的已开发的固体废弃物陶粒，例如煤矸石陶粒、垃圾陶粒、海泥陶粒等。就以海泥陶粒举例，国内的沿海城市较多，由于潮汐作用海岸线会有大量的海泥沉积较长。不断地开发和利用海泥生产陶粒不仅有效解决了固体废弃物，也产生了巨大的经济效益。这表明，工业固废资源化利用技术，能够实现“以废治废”“变废为宝”，是未来绿色建筑材料发展方向之一，工业固体废物资源化的利用仍存在广阔的发展和研究空间，也将取得可观的经济社会效益，陶粒工业在固废资源化利用拥有独特的优势，必将在固废资源化利用中发挥巨大的作用。

未来，在绿色环保、固废综合利用、资源节约利用的政策以及可循环经济、可持续发展的社会大背景下，环保型建筑、新型绿色建筑材料的需求下，陶粒行业除了采用环保装备、减少能耗和排放之外，综合利用工业固废原料并生产符合市场需求的轻骨料产品是一个主要的发展方向[18]。同时所带动的使整个工业固废陶粒的相关产业，也将不断地增加关键技术的研究，将会有更多高附加值多功能型陶粒[18]来满足更多样化的市场需求。相信在今后工业固废陶粒将逐渐成为主流，将会有更多大型、更加先进、自动化的陶粒生产设备将逐步取代陈旧落后的设备，陶粒的制备工艺将会协同处置工业固体废弃物的技术进一步成熟与发展，陶粒在建筑工程应用等市场规模将会不断开拓。高效综合资源化利用工业固体废弃物，发展高性能绿色多功能产品，是陶粒行业在可持续发展之下的必经之路，具有极为重要的社会、经济、生态效益。

7 陶粒在建筑领域中的应用所存在的问题

工业规模不断扩大，伴随着工业固废和种类繁多的废料废渣污泥等增加、堆积。与利用粉煤灰和工业污泥制备陶粒的成熟技术应用相比，利用煤矸石、各种尾矿和冶炼废渣等其他工业固体废弃物烧制陶粒的产业化进展缓慢[18-20]，许多固废资源还未能够制备成陶粒，亟待加强相应的研究，也是为进一步推进国家的号召“绿水青山就是金山银山”。

随着工业固废制备陶粒方面的研究工作不断的探索，在国内已有大量的研究并取得了一定的研究成果[20]，但现阶段工业废弃物陶粒在实际应用上仍存在一些问题。

a.工业固体废弃物制备陶粒的生产和应用短时间内不能与实验理论研究相匹配，很少有研发成果转化为应用技术，导致工业规模小、实物应用不成熟的现象。

b.资本和市场化忽视了技术专业化。若能调整制备工艺，优化配方，提升工业固体废弃物陶粒的性能、增加其功能研究，具有更高价值的陶粒将有效改善陶粒的市场环境。

c.目前，我国陶粒专用设备主要依靠自主研发，技术手段与国外先进水平相比相对落后。有必要根据工业固体废物原料的特点制造和研究设备，优化和改进制备工艺。

d.虽然陶粒生产线的环保水平逐步提高，但与水泥等成熟行业的设备相比，在精细化、智能化和绿色节能水平上仍有较大差距，这是限制轻集料行业发展壮大的重要原因之一。

e.我国污泥处理行业受经济、监管体制和污泥处理技术水平等因素的限制，尚未形成城市和工业污泥的综合利用和循环利用。

f.陶粒混凝土的应用在建筑领域还存在些问题尚未解决，例如，陶粒混凝土在硬化期间或者后期的使用过程有可能会出现变形，从而影响工程的安全性[21]。

g.在工业固废烧制陶粒过程中，随着温度的升高和物理化学反应之后，原料中的易挥发性重金属挥发出来的污染气体对空气造成二次污染[22]。

8 研究及应用前景

目前，《国家工业固体废物资源综合利用产品目录》中将工业固体废物分为六大类，主要包括煤矸石、尾矿、冶炼渣、粉煤灰、炉渣、脱硫石膏等，通过绿色发展、低碳发展、环保发展和循环经济，提高资源利用率，实现工业固废的高效资源化利用、实现高效环保已刻不容缓[11-12]。利用工业固废为主要原料制备陶粒，既能适应市场对于轻质建材、高强材料、环保材料的重大需求，符合国家发展战略，又可以获得优良的经济和社会效益[13-15]。

相比其他普通材料都没有陶粒所具备的许多优良性能，使得陶粒不得不发挥着重要的作用，因此陶粒可以在世界范围内迅速发展。陶粒不仅密度小，质量轻，还同时具有保温，隔热，降噪的功能。陶粒自身的堆积密度通常小于900kg∕m3，而一般情况下最轻的陶粒堆积密度仅有200kg∕m3～300kg∕m3，用一定配比所制备的混凝土与同等标号普通混凝土相比较，质量轻1∕3～1∕4。陶粒传导热量效果小，隔热保温性能好。在相同条件下，陶粒混凝土的导热系数低于普通混凝土和砖墙，仅为普通混凝土的1∕4～1∕5，因此可以起到很好的保温隔热效果。在相同条件下，陶粒的耐火性能优良，陶粒混凝土的耐火极限大约是普通混凝土的4 倍多，强度变化减小，耐火极限高。经过测试表明，陶粒混凝土抗震性能远远优于普通混凝土，因为陶粒的相对抗震系数远高于普通混凝土和砖砌体。且陶粒的吸水率低，抗冻性能、耐久性能、抗渗性能和抗碱骨料反应能力卓越。陶粒所具备的优良性能为陶粒的广泛应用奠定了坚实的基础。陶粒广泛应用于建筑领域、水处理领域、花卉养植领域等中，特别在建筑领域，陶粒作为轻质粗骨料可以减轻混凝土自重，保温隔热，吸音降噪，具有良好的应用前景[5-7]。