烧结粉煤灰陶粒的开发与研究应用

余民锋， 沙晨光

1 河南省三合新型建材有限公司（467400） 2 平顶山市墙改办（467000）

1 概述

河南省三合新型建材有限公司是一家集新型墙体研究与开发利用的高新技术企业,公司位于河南省宝丰县李庄乡姬家村,距华中电网最大的火力发电厂平顶山市姚孟发电有限责任公司储灰场仅200米。2005年3月公司注册资金500万元，2007年6月公司引进中国建筑科学院专利技术建成了国内最大、河南省首家年产20万立方米粉煤灰陶粒生产线。企业利用姚电公司废弃的粉煤灰作原料，生产出合格的粉煤灰陶粒，而且对粉煤灰陶粒进行深加工研发，使陶粒用于水质净化、保湿、隔热阻燃等。其中超轻陶粒混凝土用于建筑工程，主要用于屋面隔热、保湿垫层，楼板面隔热防水垫层，建筑物底层地面防潮保湿垫层，地下建筑围墙外和地面下的防渗防潮保湿垫层等，并具有隔热保湿、防潮、防水、防渗隔热、耐久等特点。而利用高强陶粒可以生产混凝土多孔砖、小型混凝土空心切块、空心楼板和大型屋面板等，还可以用于热带地区的屋顶隔热层材料、城市道路的屏障、音响建筑的吸音板、道路工程的防滑路面、水的过虑剂、花卉的保湿载体和蔬菜的无土栽培等。粉煤灰陶粒轻质混凝土与普通混凝土相比，在保持强度等重要指标前提下，自重可减轻30%，导线系数可降低50%，收缩及温度变形系数降低40%～60%，特别适用于中高层工业及民用建筑结构、桥梁结构等，也可用来生产陶粒墙板和陶粒砖，广泛用于城市建设和工业民用建筑，市政桥梁等,开辟了粉煤灰综合利用的新途径，取得了良好的经济、社会及环境效益。

2 生产工艺

河南省三合新型建材有限公司其前身是粉煤灰综合利用技术研究所,该研究所与中国建筑科学研究院建筑机械研究分院、北京科陶轻建粉煤灰陶粒技术研究院、河南省建筑科学研究院、省市墙改办建立有技术合作关系。2006年和中国建筑科学研究院、北京科陶轻建粉煤灰陶粒技术研究院达成协议，采用其专利技术生产粉煤灰陶粒，该技术采用窑箱式焙烧机，打破了国外传统的助燃烧结工艺,以粉煤灰为主要原料，加入少量粘结材料经粉碎、搅拌、加湿成球后（粉煤灰掺加量达95%以上），利用粉煤灰中微量未被燃尽的余炭自燃，在1200℃～1300℃高温下焙烧成陶,高强陶粒的生产工艺如下:原料制备→暂存→粉碎→输送→成球→烧结→卸球→运输→堆放→成品分级筛选→入库。

窑箱式烧结采用静态烧结工艺,利用空气中的氧气在窑箱底部引火，配以不同动力的风机，实现窑箱内部热循环式烧结，温度达到1200℃以上，窑箱底部、外围采用循环水冷处理方式。从成球工段送来的生料球,经倒料槽送于窑箱后，进入灭火器下放点火，点火温度为1150℃～1300℃，空气从窑箱底部被吸入，温度自下而上逐渐升高，这样料球从表层到球心，不断烧结，同时进行复杂的物理化学反应，随着可燃炭的燃尽,烧结的料层逐渐冷却,经过90min的烧结过程，将陶粒倒出窑箱。

经国家建筑材料工业房建材料质量监督检验测试中心检测,河南省三合新型建材有限公司生产的粉煤灰陶粒产品样品的堆积密度、筒压强度、吸水率符合GB/T17431.1-1989标准中普通轻粗集料的要求，检验结果见表2。

表1 两种集料的性能参数

表2 粉煤灰陶粒产品样品质量检验结果

优点:①粉煤灰陶粒具有轻质高强的特点,粉煤灰陶粒的堆积密度一般为600kg/m3,只有砂石的30%，而能浇筑出高标号结构混凝土;②保温隔热性能好，200mm厚的粉煤灰陶粒轻集料混凝土砌块，热阻值大约相当于300mm厚的砂石为原料的普通混凝土砌块的热阻值，能耗节约1/3；③耐火性能好，在建筑物发生火灾时，普通混凝土耐火1h，而轻集料混凝土可耐火4h；④抗震性能好；⑤具有更高的耐久性，特别是其耐腐蚀性良好；⑥抗渗性好，轻集料混凝土的抗渗指标(工业大气压为B18-25)，而普通混凝土为B6。缺点:高强粉煤灰陶粒产量低，一个窑箱仅0.4m3，生产周期过长，一个窑箱要经过90min才能完成焙烧，能源消耗大，并且每一个窑箱需配2.2kW动力风机一台。

烧结机法生产粉煤灰陶粒的主要优点有:吃灰量大，按粉煤灰的粗细和粘结助溶剂的性能,一般可达80%-95%；对粉煤灰的要求低，粗灰、细灰、湿灰、干灰、半干灰等均能利用；热能消耗低，约为回转窑法生产粉煤灰陶粒的60%；生产成本低，一般为65元/m3～90元/m3,约为回转窑法的80%；陶粒强度高，筒压强度分别比同等堆积密度的页岩陶粒、黏土陶粒高 20%～30%,可配置干密度 1600kg/m3～1930kg/m3、抗压强度20MPa～50MPa的轻质混凝土;生产烧结型粉煤灰陶粒的预热、点火、焙烧、冷却过程在同一烧结机上完成，设备投资比同等规模回转窑法生产线低20%左右;由于吃灰量大,生产烧结粉煤灰陶粒及其制品可享受国家利用工业废渣的税收优惠政策。

烧结机法生产粉煤灰陶粒的主要缺点是:只能生产单一品种（堆积密度:中国 630kg/m3～750kg/m3,英国莱太克＜LYTAG＞750kg/m3～900kg/m3）,无法生产超轻陶粒（堆积密度≤500kg/m3）和超高强陶粒（陶粒混凝土抗压强度＞50MPa）;陶粒吸水率相对较高，一般为15%～22%；烧结机必须设于室内,烧结车间厂房2～3层,建筑工程投资比回转窑法高15%左右。

烧结粉煤灰陶粒适用于各种用途的高强度轻质混凝土和制品，全轻陶粒混凝土、无砂大孔陶粒混凝土、钢筋陶粒混凝土、预应力钢筋陶粒混凝土和制品等。可采用预制、泵送、现浇、滑升模板等施工方法，用于各类节能、抗震、耐久性建筑和桥梁、道路等工程，应用范围比较广泛。

我公司技术人员为了提高粉煤灰陶粒的产量,缩短烧结时间，减少能源消耗，经过外出考察并作了大量试验，提出用旋转窑生产粉煤灰陶粒的烧成技术,经调整配方和热工焙烧制度，用同一回转窑，既可生产出超轻陶粒（堆积密度＜500kg/m3）,也可生产出普通陶粒（堆积密度 500kg/m3～700 kg/m3）和高强陶粒（堆积密度 700kg/m3～900kg/m3）,成为一条多功能陶粒生产线。

目前，陶粒设备的生产厂家较多，其设备各具特色，根据实际生产需要，首先，我们选用了35m长的旋转窑，其生产工艺为:原料（粉煤灰+页岩）→混磨→暂存→喂料→烧结→烧胀→堆放→运输→分级→入库。

该窑比一般窑长8m～10m，烘干、预热、烧结一次完成，能节省不少燃煤，前面21m为预热、烘干，温度200℃～800℃，停留20min；后14m为高温带，800℃～1300℃，又可分为中、高、低三阶段，大约停留15min出窑，所出陶粒比较合适。其次，我们选用双轨制粒机，挤压成6mm～8mm条形粒，经滚网滚圆后进入输送带进窑，烧结制出来的陶粒可大可小，比较符合规格，筛选分级堆放即可。

不同原材料及不同配方研究不同原料配比至关重要，为了获得较好的陶粒，杜绝使用黏土作为原材料，我公司在不同配合比上反复进行试验，找出了适当的配合比，在适当的温度下，即用5%～8%的余炭的粉煤灰和页岩中加入5%～8%的灰粉，烧制出具有一定强度的粉煤灰陶粒。

我们采用姚孟发电公司储灰场粉煤灰试验结果表明，姚电粉煤灰颗粒较细、塑性好、渗解成分也好。

当地页岩SiO2含量较高，AL2O3、MgO和CaO含量较低，K2O、Na2O含量稍高，而且含有结晶水，配料中加入页岩可以降低原料的熔融温度和液体黏度,并在烘制过程中增加膨胀气体的产生，有利用料球的膨胀,陶粒料球烘烧前必须先经过预热处理，才能达到好的效果。

综合试验研究得出:同样配比的料球，在较低温度下预热，经过适宜焙烧制度，可制出超轻陶粒（300kg/m3～500kg/m3）；而在较高温度下预热的料球，经过适宜温度焙烧，可制出高强陶粒（700kg/m3～900kg/m3）。

3 粉煤灰陶粒的用途

粉煤灰陶粒由于其内部成蜂窝状结构，因而具有轻质、高强、导热系数低、吸水率小、化学稳定性好等特点，因此成为保温、隔热、抗震、防火防潮、防辐射、吸音、降噪等优良材料，是生产轻骨料混凝土及制品（承重和非承重砌块、墙板、楼板、桥梁）的主要组成材料，用陶粒作骨料制成的轻质混凝土制品广泛的用于工业与民用建筑、市政桥梁、水利、园林绿化工程、地下水工程、造船、工业建设等。由于陶粒具有轻质、高强的特性,因此以陶粒为骨料制成的陶粒轻质砌块、陶粒多孔砖、陶粒标准砖广泛用于城市各高层建筑中，被国家国土资源部、国家发改委等四部委指定为建筑墙体的主导产品,是替代红砖的首选产品。粉煤灰陶粒是一种新型建筑材料，作为建筑墙材替代天然石子，页岩陶粒和黏土陶粒生产轻质混凝土，可以制成陶粒砌块砖、陶粒复合墙板，还可以生产混凝土多孔砖和混凝土空心砌块、空心墙板和保温墙板、空心楼板和大型屋面板等。还能用做现浇高层建筑的梁、板、柱及框架等，此外还用作城市道路的声屏障、音响建筑的吸音板、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进行矿井巷道锚喷，也可用作水的过滤剂、花卉的保湿载体和蔬菜的无土培载。因此粉煤灰陶粒具有广阔的市场前景。

国内外生产和应用实践证明，超轻陶粒混凝土制品（小型砌块、内墙条板、复合保温外墙板等）和超轻陶粒混凝土都可以大量应用于建筑工程。其中，超轻陶粒混凝土用于建筑工程在外国（北美、欧洲、俄罗斯等）已有40余年的历史，主要用于屋面隔热保温垫层、楼板面隔声防水垫层、建筑物底层地面防潮保温垫层、地下建筑围墙和地面的防渗防潮保温垫层等，其隔热保温、防潮、防水、防渗、隔声、耐久等性能优越。粉煤灰轻质陶粒用作漏洞隔热层、陶粒成本仅30元/m2，原材料成本价仅 50元/m2，用作外墙板保湿，陶粒成本7.5元/m2，原材料总成本仅12元/m2，比普通隔热层和外墙保湿原材料综合成本价分别降低30%～40%,不但节约施工成本，降低工程造价，施工安全、方便快捷，而且减轻基础承重25%～30%，属目前国家指定和推广的绿色环保建材产品，节能效果显著，施工经验成熟，施工快捷方便。

4 粉煤灰陶粒具有很好的综合效益

1）粉煤灰陶粒混凝土与普通混凝土相比优点突出

①粉煤灰陶粒密度轻，只为砂石的1/3，而能配制出高强度的结构混凝土。

②保温隔热性能好。粉煤灰陶粒混凝土的导热系数比普通混凝土低一倍。

③耐火性能好。在建筑物发生火灾时间，普通混凝土耐火1h，粉煤灰陶粒混凝土可耐火4h；在65度的高温下，粉煤灰陶粒混凝土能维持室温强度85%,而普通混凝土只能维持室温强度的35%～75%；此外，粉煤灰陶粒可配制耐热达1 200度的耐热混凝土。

④抗震性能好。粉煤灰陶粒混凝土相对抗震系数为109，普通混凝土为84，砖砌体只有64。1976年唐山大地震时，天津市的四幢粉煤灰陶粒大板建筑基本完好,照常使用，而周围的砖混建筑都有不同程度的破坏。

⑤耐久性好。粉煤灰陶粒混凝土耐酸、碱腐蚀的性能优于普通混凝土；250号粉煤灰陶粒混凝土的15次冻融循环的强度损失不大于2%。对已使用近十年的工程进行实测，粉煤灰陶粒混凝土的钢筋均未锈蚀，碳化深度一般不超过30mm，和普通混凝土一样，强度不但不降低，反而增长。

2）粉煤灰陶粒生产技术节能环保

利用粉煤灰作原料,借助粉煤灰中微量未被燃尽的余炭焙烧成陶，生产工艺节能环保。

3）项目符合国家产业政策

粉煤灰陶粒生产线是粉煤灰综合利用环保治污项目,符合国家产业政策。同时加大固废综合利用度、降低发电厂治污成本、促进企业快速发展、循环经济的存放途径，为火力燃煤发电企业粉煤灰实现“零排放”工程提供了支持。

4）粉煤灰陶粒制品节能环保

粉煤灰陶粒具有良好的保湿、隔热、抗震、防潮、降噪性能，以陶粒为骨料生产的高强砌块、多孔砖、屋面隔热层、保湿层、外层保温等广泛应用于建筑工程，可有效提高建筑工程的节能环保性能,为落实河南省《用民建筑节能设计方案》为河南省墙改工作提供了物质支持。

5 结论

河南省三合新型建材有限公司年产20万立方米粉煤灰陶粒生产线项目实施，年消耗粉煤灰30万吨，年减少粉煤灰堆放占地226亩,属大宗工业固体废物资源综合利用化项目，用粉煤灰陶粒作为建筑制品，建筑节能效益显著。

项目建设为实现民用建筑节能设计指标提供了物质支持，项目可持续生产力强，粉煤灰陶粒制品可持续需求前景广阔，而且项目建设对改善环境、节约土地、实现废物综合利用，发展循环经济、构建资源节约和环境友好型社会具有积极作用，并可产生较大的经济效益和社会效益。