包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的制備及應用分析

朱萬旭，酆磊，周紅梅，欒皓翔，秦亦偲

（1.廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州 545006；2.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西桂林 541004；3.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林 541004）

包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的制備及應用分析

朱萬旭1，2，3，酆磊1，周紅梅1，欒皓翔1，秦亦偲1

（1.廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州 545006；2.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西桂林 541004；3.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林 541004）

以粉煤灰、普通硅酸鹽水泥及其它添加劑為包裹料，發(fā)泡聚苯乙烯球粒為核芯，摻入一定量的界面改性劑，經(jīng)配料、成球、自然養(yǎng)護等工藝，能夠得到一種用灰量大、筒壓強度高、堆積密度低的包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒。以該自制陶粒為骨料，利用42.5級普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，輔以減水劑，制備出一種新型地鐵軌道吸音板。試驗分析了不同工況下隧道內(nèi)隧道壁測點和道床測點的聲壓級效果。結(jié)果表明，在潮濕吸音板干燥后工況下降噪效果最佳，在干吸音板工況下降噪效果較差。對于隧道壁測點，吸音板對于250 Hz以上頻段的降噪效果優(yōu)于其它頻段。

粉煤灰；免燒結(jié)；陶粒；吸音板；降噪

0　前言

我國電力工業(yè)的快速發(fā)展，使得粉煤灰的排放量急劇增加，2010年粉煤灰排放量達4.8億t，到2016年排放量將達到約6億t，給國民經(jīng)濟建設和生態(tài)環(huán)境造成巨大的壓力[1]。近年來，國內(nèi)許多高校與科研機構(gòu)在粉煤灰利用開發(fā)方面進行了大量的研究工作，并取得了豐碩的成果，但是粉煤灰排放量巨大，開發(fā)粉煤灰綜合利用新工藝仍然非常有必要[2]。

粉煤灰陶粒的生產(chǎn)主要分為燒結(jié)型和免燒結(jié)型2種。燒結(jié)型采用燒結(jié)機法和回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)，而且燒結(jié)型需要1300℃以上高溫焙燒，生產(chǎn)工藝相對復雜、投資大、能耗及產(chǎn)品成本高。免燒結(jié)型采用蒸汽養(yǎng)護和自然養(yǎng)護法生產(chǎn)粉煤灰陶粒，生產(chǎn)工藝相對簡單、投資小、成本低、節(jié)能環(huán)保，因此備受國內(nèi)外人士的青睞[3]。免燒結(jié)粉煤灰陶粒的堆積密度一般在800～1000 kg/m3，在一定程度上制約了它的發(fā)展和應用。針對這一問題，本文研究了利用粉煤灰、普通硅酸鹽水泥及其它添加劑為包裹料，對發(fā)泡聚苯乙烯球粒進行包裹的包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的制備方法，技術(shù)性能和應用進行了研究。

1　實驗

1.1實驗原材料

粉煤灰：Ⅱ級，外觀呈暗灰色，細度為0.045 μm篩篩余18.4%，廣西柳州發(fā)電有限責任公司，化學成分見表1。

表1　粉煤灰的主要化學成分%

水泥：柳州魚峰水泥集團生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥，安定性合格，表觀密度3100 kg/m3。主要技術(shù)指標見表2。

表2　水泥的主要技術(shù)指標

發(fā)泡聚苯乙烯球粒：粒徑3～5 mm，堆積密度6.2～6.5 kg/ m3，導熱系數(shù)0.02～0.03 W/（m·K）。

激發(fā)劑：細磨生石灰粉、熟石膏。

外加劑：水玻璃。

界面改性劑：三乙醇胺。

1.2包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的生產(chǎn)工藝流程（見圖1）

圖1　包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的生產(chǎn)工藝流程

1.2.1發(fā)泡聚苯乙烯球粒界面處理

未經(jīng)表面處理的發(fā)泡聚苯乙烯球粒無法與粉料進行包裹，需噴涂界面改性劑，對其表面進行粗糙化處理，使粉料能夠容易包裹其表面。經(jīng)反復試驗，確定了一種價格低廉、粘結(jié)性高、成球過程中不易破殼的有機類化合物三乙醇胺作為界面改性劑。

1.2.2造粒制備

將上述經(jīng)表面處理的發(fā)泡聚苯乙烯球粒投入造粒機（見圖2）中，調(diào)節(jié)好造粒機的轉(zhuǎn)速和傾斜角，逐步撒入粉料，并向混合料中噴入霧化水，造粒機內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動，繼續(xù)進行噴霧使球粒的包殼尺寸逐漸增大，以達到所需要求。

圖2　造粒機

1.2.3造粒參數(shù)確定

造粒過程參數(shù)主要有造粒機轉(zhuǎn)速、傾角、粉料加入時間、霧化水噴灑時間等。另外，粉料加入位置、霧化水噴灑位置與最終水灰比也是影響陶粒質(zhì)量的重要因素。

1.2.4造粒養(yǎng)護工藝

剛包殼成球的陶粒強度較低，轉(zhuǎn)運過程中操作不當很容易造成破損。因此，及時進行堆存和養(yǎng)護對該陶粒的強度影響很大。該陶粒的早期養(yǎng)護在塑料桶中進行，約20min陶粒開始發(fā)熱，溫度逐漸升高，加速粉料的硬化，有助于提高球粒與粉料的粘結(jié)強度。此時，對該陶粒進行封閉保濕養(yǎng)護，24h后進行噴水養(yǎng)護，然后封存使其強度繼續(xù)提高，自然養(yǎng)護28 d后進行性能測試。試驗制備的包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒如圖3所示。

圖3　包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒

2　包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的主要技術(shù)性能

堆積密度、筒壓強度、吸水率是包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的主要技術(shù)指標，并決定其使用價值和應用范圍。依據(jù)GB 17431.1—2010《輕集料及其試驗方法第1部分：輕集料》要求，對試驗所獲得的包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒進行性能比較，按GB 17431.2—2010《輕集料及其試驗方法第2部分：輕集料試驗方法》進行性能測試。實驗的16批陶粒配方及其主要技術(shù)性能見表3、表4。

表3　包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的試驗配方

表4　包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的主要技術(shù)性能

從表4可以看出，按F15配方制備的陶粒堆積密度適中，筒壓強度和吸水率高。由此最后確定制備包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的試驗配方為：m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（聚苯乙烯球粒）∶m（激發(fā)劑）∶m（外加劑）∶m（界面改性劑）=213∶42∶19∶17∶10∶9。

2.1堆積密度

從實驗結(jié)果分析來看，該陶粒的堆積密度為500～650 kg/m3，比實心自然養(yǎng)護粉煤灰陶粒低1～3個等級，相當于普通陶粒的600、700密度等級。影響該陶粒堆積密度的主要因素是包殼的厚度，在聚苯乙烯球粒粒徑相同的情況下，包殼厚度越厚，堆積密度越大。包殼厚度相近的情況下，聚苯乙烯球粒粒徑越大，其堆積密度也越大。

2.2筒壓強度

從實驗結(jié)果看，不同堆積密度的包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的筒壓強度一般為0.4～1.6 MPa，比GB 17431.1—2010中的普通輕粗集料、超輕粗集料低1～2個等級。該陶粒筒壓強度偏低的主要原因是聚苯乙烯球粒的包殼結(jié)構(gòu)與普通實心陶粒結(jié)構(gòu)不同。一方面，薄殼結(jié)構(gòu)抗彎應力的能力小，在很小的點接觸壓力下就被擠破，導致筒壓強度降低。另一方面，包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒粒徑過于均勻，堆積時空隙率偏大，造成筒壓強度偏低。但是這些空隙的存在使吸聲性能得到有效的提高。

3　包殼層增強機理分析

3.1主要原理

從物相結(jié)構(gòu)上看，粉煤灰活性的來源主要來自鋁硅玻璃體，這種非晶質(zhì)的玻璃相處于暫時穩(wěn)定的狀態(tài)，但它始終保持著向更加穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢。提高粉煤灰活性的根本機理和途徑就是打破它所處的介穩(wěn)狀態(tài)，使粉煤灰游離出更多可溶性的SiO2和Al2O3，它們與石灰或水泥水化生成的Ca（OH）2作用，生成具有水硬性的膠凝材料水化硅酸鈣和含鋁水化合物，從而使陶粒產(chǎn)生強度。

3.2激發(fā)劑的激發(fā)作用

3.2.1生石灰的激發(fā)作用

受天然火山灰加石灰制備膠凝材料的啟發(fā)，將生石灰作為激發(fā)粉煤灰活性的首選材料。由于粉煤灰呈酸性，在強堿的作用下粉煤灰會受到強烈的侵蝕作用，能打破玻璃體表面的Si—O、Al—O鍵。CaO的水化產(chǎn)物Ca（OH）2與SiO2和Al2O3化合生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。由于CaO在水化過程中極具活性，進一步加速這一反應過程。

3.2.2熟石膏的激發(fā)作用

本實驗所用的熟石膏含硫酸鹽（硫酸鈣），硫酸鹽可激發(fā)粉煤灰、生石灰系統(tǒng)的水化反應，其機理為：熟石膏先水化生成二水石膏，粉料加水混合后，生石灰溶解于水產(chǎn)生OH-和Ca2+離子，OH-能破解粉煤灰鋁硅玻璃體中的Si—O和Al—O鍵，在硫酸鹽作用下，Ca2+與破解的Si—O、Al—O鍵反應生成具有水硬性的膠凝材料產(chǎn)生強度。經(jīng)XRD圖譜分析，發(fā)現(xiàn)大部分水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）、水化鋁酸鈣（C-A-H）和鈣礬石（A-F），是陶粒產(chǎn)生一定強度的主要原因。

3.2.3水玻璃的激發(fā)作用

水玻璃除了能作為粘結(jié)劑之外，還可以起到激發(fā)劑的作用。水玻璃的主要成分是Na2O·nSiO2，在水溶液中發(fā)生水解反應，而生成的硅酸溶膠SiO2并不穩(wěn)定，其中一部分Si—O鍵容易互相交聯(lián)形成網(wǎng)狀聚合物。另有少量硅酸溶膠SiO2，在堿性環(huán)境中與粉煤灰玻璃體進一步發(fā)生反應。水玻璃的加入，配合了生石灰和石膏的激發(fā)作用，更好地提高了粉煤灰玻璃體的激發(fā)效果。

4　應用

目前，國內(nèi)外地鐵軌道上無砟軌道道床的吸音板材料的骨料主要為：陶瓷類、輕質(zhì)混凝土類、無機類、燒結(jié)陶粒類[6-7]。本實驗制備的包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒主要作為地鐵吸聲材料的骨料，以水泥作為膠凝材料，輔以減水劑，經(jīng)混合、攪拌、壓制及養(yǎng)護等工藝制作出一種新型地鐵軌道吸音板[9]。

4.1吸音板制作工藝

吸音板主要原材料為自制包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒、普通硅酸鹽水泥和外加劑，其配合比見表5。

表5　包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒吸音板的配合比

單塊板的尺寸為1180 mm×1000 mm×170 mm。模具分2部分，側(cè)板和蓋板。采用線切割的鋼模制作吸音板，減小其安裝過程中的累積誤差，確保吸音板的精確安裝。陶粒吸音板模具如圖4所示。

圖4　吸音板模具

包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒吸音板制作過程為：（1）組裝模具并在其表面涂上機油；（2）按配合比計算稱量所用原材料；（3）將自制陶粒、水泥投入強制式攪拌機中，使拌合料充分混合均勻，將減水劑與拌合水混合慢慢加入拌合料中；（4）待攪拌數(shù)分鐘，拌合料成半干松狀態(tài)時，將其到入模具中并壓制成型；（5）0.5 h后拆模，吸音板試塊用塑料薄膜覆蓋并進行灑水養(yǎng)護；（6）試塊養(yǎng)護時間不少于7 d；（7）養(yǎng)護后使其在空氣中自然干燥。制備的軌道吸音板如圖5所示。

圖5　吸音板

4.2檢測方法

為檢測軌道吸音板的降噪性能，在北京交通大學地下與隧道工程實驗室內(nèi)進行現(xiàn)場模擬測試。首先，將吸音板安放在軌道內(nèi)；其次，通過一臺軌道振源發(fā)生器SBZ30（如圖6），用于模擬列車噪聲；然后，在道床和隧道壁分別安裝測點，利用INV 3018C型24位高精度數(shù)據(jù)采集儀和INV9206型聲壓傳感器采集數(shù)據(jù)；最后，通過測試吸音板放置前后混響時間的差值，依據(jù)無吸音板工況、安裝干燥吸音板工況、安裝半飽和（含水）吸音板工況、安裝飽和（含水）吸音板工況、潮濕吸音板干燥后工況的吸聲數(shù)據(jù)，推導出隧道內(nèi)聲壓級衰減值，從而對吸音板的吸音性能進行分析。

無吸音板工況是指在隧道工程實驗室內(nèi)不安裝吸音板（背景）；干燥吸音板工況是指在驗室內(nèi)安裝，在自然條件下養(yǎng)護28 d后的干燥吸音板；飽和（含水）吸音板工況是指安裝含水率約為90%～100%的吸音板；半飽和（含水）吸音板工況是指安裝含水率約為50%的吸音板；潮濕后干燥吸音板工況是指在實驗室內(nèi)安裝，在溫度（20±2）℃、相對濕度95%條件下養(yǎng)護28 d后的干燥吸音板。

圖6　列車噪音模擬設備

4.3降噪效果分析

將道床測點和隧道壁測點的聲壓級倍頻程譜測試結(jié)果進行平均，對比各測點的聲壓級倍頻程譜如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可見：

（1）干吸音板工況下，道床聲壓級（A）有效值降低4 dB，平均值降低4 dB，最大值降低3.3 dB。隧道壁聲壓級有效值降低4.1 dB，平均值降低4.3 dB，最大值降低3.4 dB。

圖7　不同工況隧道壁1/3倍頻程中心頻率

圖8　不同工況道床1/3倍頻程中心頻率

（2）飽和（含水）吸音板工況下，道床聲壓級（A）有效值降低5.1 dB，平均值降低5.1 dB，最大值降低4.7 dB。隧道壁聲壓級（A）有效值降低5.1dB，平均值降低5.1dB，最大值降低4.2dB。

（3）半飽和（含水）吸音板工況下，道床聲壓級有效值降低5.5 dB，平均值降低5.5 dB，最大值降低5.1 dB。隧道壁聲壓級有效值降低4.9 dB，平均值降低4.9 dB，最大值降低4.7 dB。

（4）潮濕吸音板干燥后工況下，道床聲壓級有效值降低5.5 dB，平均值降低5.5dB，最大值降低5.6dB。隧道壁聲壓級有效值降低5.5dB，平均值降低5.5dB，最大值降低4.8dB。

（5）對于道床測點，吸音板對于100 Hz以下、500 Hz以上頻段的降噪效果優(yōu)于其它頻段；對于隧道壁測點，吸音板對于250 Hz以上頻段的降噪效果優(yōu)于其它頻段。

5　結(jié)論

（1）包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的原料以粉煤灰為主，沒有原料的地區(qū)限制，可減少電廠排灰的占地面積，有利于治理環(huán)境污染，是工業(yè)廢料資源化利用的有效途徑之一。

（2）該陶粒只需要自然養(yǎng)護，無環(huán)境污染，生產(chǎn)工藝簡單，投資相對不大，可有效地降低陶粒的制作成本。

（3）以包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒為骨料制作的吸音板，在干吸音板工況下道床和隧道壁降噪較差，有效值降低4.3dB；飽和（含水）吸音板和半飽和（含水）吸音板工況下道床和隧道壁降噪效果一般，有效值分別降低5.1、4.9dB；潮濕吸音板干燥后工況下道床和隧道壁降噪效果最佳，有效值降低5.5dB。

（4）利用自制陶粒制備的吸音板，由聲壓級時程測試結(jié)果可知，陶粒吸音板的降噪效果都達到3～5 dB且吸音效果穩(wěn)定。對于道床測點，吸音板對于100 Hz以下、500 Hz以上頻段的降噪效果優(yōu)于其它頻段；對于隧道壁測點，吸音板對于250 Hz以上頻段的降噪效果優(yōu)于其它頻段。

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Analysis of preparation and application of shell type non-sintered fly ash ceramsite

ZHU Wanxu1，2，3，F(xiàn)ENG Lei1，ZHOU Hongmei1，LUAN Haoxiang1，QIN Yicai1
（1.College of Civil and Architecture Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；2.Guangxi Key Laboratory for Geotechnics，Guilin 541004，China；3.College of Civil and Architecture Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China）

With fly ash，ordinary Portland cement and other additives for the package material，polystyrene spheres as core，the incorporation of a certain amount of interface modifier，through dosing，ball forming，natural curing process，shell type non-sintered fly ash ceramsite with mass ash，high cylinder pressure intensity，and low bulk density was obtained.Using the self-made ceramsite as aggregate，using 42.5 ordinary Portland cement as cementitious material，supplemented by water reducing agent，a new type of track sound-absorbing panels was prepared.The measure point and its sound pressure level effects on tunnel wall are measured under different conditions.Results show that under dry condition of sound-absorbing panels（wet and dry）noise reduction effect is the best while in dry sound-absorbing plate under the condition of noise reduction effect is poor.The noise reduction effect of sound-absorbing board above 250 Hz band is better than other band.

fly ash，non-sintered，ceramsite，acoustic board，noise reduction

TU55+2

A

1001-702X（2016）10-0090-05

2016-04-13

朱萬旭，男，1972年生，廣西玉林人，教授，主要從事建筑新材料研發(fā)與預應力技術(shù)及相關研究開發(fā)。