燒結粉煤灰陶粒的開發與研究應用

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發利用的高新技術企業,公司位于河南省寶豐縣李莊鄉姬家村,距華中電網最大的火力發電廠平頂山市姚孟發電有限責任公司儲灰場僅200米。2005年3月公司注冊資金500萬元，2007年6月公司引進中國建筑科學院專利技術建成了國內最大、河南省首家年產20萬立方米粉煤灰陶粒生產線。企業利用姚電公司廢棄的粉煤灰作原料，生產出合格的粉煤灰陶粒，而且對粉煤灰陶粒進行深加工研發，使陶粒用于水質凈化、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。而利用高強陶粒可以生產混凝土多孔磚、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、水的過慮劑、花卉的保濕載體和蔬菜的無土栽培等。粉煤灰陶粒輕質混凝土與普通混凝土相比，在保持強度等重要指標前提下，自重可減輕30%，導線系數可降低50%，收縮及溫度變形系數降低40%～60%，特別適用于中高層工業及民用建筑結構、橋梁結構等，也可用來生產陶粒墻板和陶粒磚，廣泛用于城市建設和工業民用建筑，市政橋梁等,開辟了粉煤灰綜合利用的新途徑，取得了良好的經濟、社會及環境效益。

2 生產工藝

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研究所,該研究所與中國建筑科學研究院建筑機械研究分院、北京科陶輕建粉煤灰陶粒技術研究院、河南省建筑科學研究院、省市墻改辦建立有技術合作關系。2006年和中國建筑科學研究院、北京科陶輕建粉煤灰陶粒技術研究院達成協議，采用其專利技術生產粉煤灰陶粒，該技術采用窯箱式焙燒機，打破了國外傳統的助燃燒結工藝,以粉煤灰為主要原料，加入少量粘結材料經粉碎、攪拌、加濕成球后（粉煤灰摻加量達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,高強陶粒的生產工藝如下:原料制備→暫存→粉碎→輸送→成球→燒結→卸球→運輸→堆放→成品分級篩選→入庫。

窯箱式燒結采用靜態燒結工藝,利用空氣中的氧氣在窯箱底部引火，配以不同動力的風機，實現窯箱內部熱循環式燒結，溫度達到1200℃以上，窯箱底部、外圍采用循環水冷處理方式。從成球工段送來的生料球,經倒料槽送于窯箱后，進入滅火器下放點火，點火溫度為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，同時進行復雜的物理化學反應，隨著可燃炭的燃盡,燒結的料層逐漸冷卻,經過90min的燒結過程，將陶粒倒出窯箱。

經國家建筑材料工業房建材料質量監督檢驗測試中心檢測,河南省三合新型建材有限公司生產的粉煤灰陶粒產品樣品的堆積密度、筒壓強度、吸水率符合GB/T17431.1-1989標準中普通輕粗集料的要求，檢驗結果見表2。

表1 兩種集料的性能參數

表2 粉煤灰陶粒產品樣品質量檢驗結果

優點:①粉煤灰陶粒具有輕質高強的特點,粉煤灰陶粒的堆積密度一般為600kg/m3,只有砂石的30%，而能澆筑出高標號結構混凝土;②保溫隔熱性能好，200mm厚的粉煤灰陶粒輕集料混凝土砌塊，熱阻值大約相當于300mm厚的砂石為原料的普通混凝土砌塊的熱阻值，能耗節約1/3；③耐火性能好，在建筑物發生火災時，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抗滲性好，輕集料混凝土的抗滲指標(工業大氣壓為B18-25)，而普通混凝土為B6。缺點:高強粉煤灰陶粒產量低，一個窯箱僅0.4m3，生產周期過長，一個窯箱要經過90min才能完成焙燒，能源消耗大，并且每一個窯箱需配2.2kW動力風機一臺。

燒結機法生產粉煤灰陶粒的主要優點有:吃灰量大，按粉煤灰的粗細和粘結助溶劑的性能,一般可達80%-95%；對粉煤灰的要求低，粗灰、細灰、濕灰、干灰、半干灰等均能利用；熱能消耗低，約為回轉窯法生產粉煤灰陶粒的60%；生產成本低，一般為65元/m3～90元/m3,約為回轉窯法的80%；陶粒強度高，筒壓強度分別比同等堆積密度的頁巖陶粒、黏土陶粒高 20%～30%,可配置干密度 1600kg/m3～1930kg/m3、抗壓強度20MPa～50MPa的輕質混凝土;生產燒結型粉煤灰陶粒的預熱、點火、焙燒、冷卻過程在同一燒結機上完成，設備投資比同等規模回轉窯法生產線低20%左右;由于吃灰量大,生產燒結粉煤灰陶粒及其制品可享受國家利用工業廢渣的稅收優惠政策。

燒結機法生產粉煤灰陶粒的主要缺點是:只能生產單一品種（堆積密度:中國 630kg/m3～750kg/m3,英國萊太克＜LYTAG＞750kg/m3～900kg/m3）,無法生產超輕陶粒（堆積密度≤500kg/m3）和超高強陶粒（陶粒混凝土抗壓強度＞50MPa）;陶粒吸水率相對較高，一般為15%～22%；燒結機必須設于室內,燒結車間廠房2～3層,建筑工程投資比回轉窯法高15%左右。

燒結粉煤灰陶粒適用于各種用途的高強度輕質混凝土和制品，全輕陶粒混凝土、無砂大孔陶粒混凝土、鋼筋陶粒混凝土、預應力鋼筋陶粒混凝土和制品等。可采用預制、泵送、現澆、滑升模板等施工方法，用于各類節能、抗震、耐久性建筑和橋梁、道路等工程，應用范圍比較廣泛。

我公司技術人員為了提高粉煤灰陶粒的產量,縮短燒結時間，減少能源消耗，經過外出考察并作了大量試驗，提出用旋轉窯生產粉煤灰陶粒的燒成技術,經調整配方和熱工焙燒制度，用同一回轉窯，既可生產出超輕陶粒（堆積密度＜500kg/m3）,也可生產出普通陶粒（堆積密度 500kg/m3～700 kg/m3）和高強陶粒（堆積密度 700kg/m3～900kg/m3）,成為一條多功能陶粒生產線。

目前，陶粒設備的生產廠家較多，其設備各具特色，根據實際生產需要，首先，我們選用了35m長的旋轉窯，其生產工藝為:原料（粉煤灰+頁巖）→混磨→暫存→喂料→燒結→燒脹→堆放→運輸→分級→入庫。

該窯比一般窯長8m～10m，烘干、預熱、燒結一次完成，能節省不少燃煤，前面21m為預熱、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，擠壓成6mm～8mm條形粒，經滾網滾圓后進入輸送帶進窯，燒結制出來的陶粒可大可小，比較符合規格，篩選分級堆放即可。

不同原材料及不同配方研究不同原料配比至關重要，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進行試驗，找出了適當的配合比，在適當的溫度下，即用5%～8%的余炭的粉煤灰和頁巖中加入5%～8%的灰粉，燒制出具有一定強度的粉煤灰陶粒。

我們采用姚孟發電公司儲灰場粉煤灰試驗結果表明，姚電粉煤灰顆粒較細、塑性好、滲解成分也好。

當地頁巖SiO2含量較高，AL2O3、MgO和CaO含量較低，K2O、Na2O含量稍高，而且含有結晶水，配料中加入頁巖可以降低原料的熔融溫度和液體黏度,并在烘制過程中增加膨脹氣體的產生，有利用料球的膨脹,陶粒料球烘燒前必須先經過預熱處理，才能達到好的效果。

綜合試驗研究得出:同樣配比的料球，在較低溫度下預熱，經過適宜焙燒制度，可制出超輕陶粒（300kg/m3～500kg/m3）；而在較高溫度下預熱的料球，經過適宜溫度焙燒，可制出高強陶粒（700kg/m3～900kg/m3）。

3 粉煤灰陶粒的用途

粉煤灰陶粒由于其內部成蜂窩狀結構，因而具有輕質、高強、導熱系數低、吸水率小、化學穩定性好等特點，因此成為保溫、隔熱、抗震、防火防潮、防輻射、吸音、降噪等優良材料，是生產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混凝土制品廣泛的用于工業與民用建筑、市政橋梁、水利、園林綠化工程、地下水工程、造船、工業建設等。由于陶粒具有輕質、高強的特性,因此以陶粒為骨料制成的陶粒輕質砌塊、陶粒多孔磚、陶粒標準磚廣泛用于城市各高層建筑中，被國家國土資源部、國家發改委等四部委指定為建筑墻體的主導產品,是替代紅磚的首選產品。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，頁巖陶粒和黏土陶粒生產輕質混凝土，可以制成陶粒砌塊磚、陶粒復合墻板，還可以生產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。用粉煤灰陶粒可以替代沙石骨料進行礦井巷道錨噴，也可用作水的過濾劑、花卉的保濕載體和蔬菜的無土培載。因此粉煤灰陶粒具有廣闊的市場前景。

國內外生產和應用實踐證明，超輕陶粒混凝土制品（小型砌塊、內墻條板、復合保溫外墻板等）和超輕陶粒混凝土都可以大量應用于建筑工程。其中，超輕陶粒混凝土用于建筑工程在外國（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、耐久等性能優越。粉煤灰輕質陶粒用作漏洞隔熱層、陶粒成本僅30元/m2，原材料成本價僅 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分別降低30%～40%,不但節約施工成本，降低工程造價，施工安全、方便快捷，而且減輕基礎承重25%～30%，屬目前國家指定和推廣的綠色環保建材產品，節能效果顯著，施工經驗成熟，施工快捷方便。

4 粉煤灰陶粒具有很好的綜合效益

1）粉煤灰陶粒混凝土與普通混凝土相比優點突出

①粉煤灰陶粒密度輕，只為砂石的1/3，而能配制出高強度的結構混凝土。

②保溫隔熱性能好。粉煤灰陶粒混凝土的導熱系數比普通混凝土低一倍。

③耐火性能好。在建筑物發生火災時間，普通混凝土耐火1h，粉煤灰陶粒混凝土可耐火4h；在65度的高溫下，粉煤灰陶粒混凝土能維持室溫強度85%,而普通混凝土只能維持室溫強度的35%～75%；此外，粉煤灰陶粒可配制耐熱達1 200度的耐熱混凝土。

④抗震性能好。粉煤灰陶粒混凝土相對抗震系數為109，普通混凝土為84，磚砌體只有64。1976年唐山大地震時，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、堿腐蝕的性能優于普通混凝土；250號粉煤灰陶粒混凝土的15次凍融循環的強度損失不大于2%。對已使用近十年的工程進行實測，粉煤灰陶粒混凝土的鋼筋均未銹蝕，碳化深度一般不超過30mm，和普通混凝土一樣，強度不但不降低，反而增長。

2）粉煤灰陶粒生產技術節能環保

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，生產工藝節能環保。

3）項目符合國家產業政策

粉煤灰陶粒生產線是粉煤灰綜合利用環保治污項目,符合國家產業政策。同時加大固廢綜合利用度、降低發電廠治污成本、促進企業快速發展、循環經濟的存放途徑，為火力燃煤發電企業粉煤灰實現“零排放”工程提供了支持。

4）粉煤灰陶粒制品節能環保

粉煤灰陶粒具有良好的保濕、隔熱、抗震、防潮、降噪性能，以陶粒為骨料生產的高強砌塊、多孔磚、屋面隔熱層、保濕層、外層保溫等廣泛應用于建筑工程，可有效提高建筑工程的節能環保性能,為落實河南省《用民建筑節能設計方案》為河南省墻改工作提供了物質支持。

5 結論

河南省三合新型建材有限公司年產20萬立方米粉煤灰陶粒生產線項目實施，年消耗粉煤灰30萬噸，年減少粉煤灰堆放占地226畝,屬大宗工業固體廢物資源綜合利用化項目，用粉煤灰陶粒作為建筑制品，建筑節能效益顯著。

項目建設為實現民用建筑節能設計指標提供了物質支持，項目可持續生產力強，粉煤灰陶粒制品可持續需求前景廣闊，而且項目建設對改善環境、節約土地、實現廢物綜合利用，發展循環經濟、構建資源節約和環境友好型社會具有積極作用，并可產生較大的經濟效益和社會效益。