利用電石渣制備結(jié)構(gòu)用硅酸鹽陶粒的研究

唐國(guó)強(qiáng)，崔曉昱，顧敏佳，崔崇，馬海龍

（1.南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210018；2.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，南京210028；3.寧夏大學(xué)民族預(yù)科教育學(xué)院，銀川750002）

利用電石渣制備結(jié)構(gòu)用硅酸鹽陶粒的研究

唐國(guó)強(qiáng)1，崔曉昱2，顧敏佳1，崔崇1，馬海龍3

（1.南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210018；2.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，南京210028；3.寧夏大學(xué)民族預(yù)科教育學(xué)院，銀川750002）

硅酸鹽殼層陶粒的制備利用電石渣等作為鈣質(zhì)原料，粉煤灰作為硅質(zhì)原料，在濕基電石渣摻量為37.5%～43.4%，溫度為180℃，壓力為1MPa的蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下得到了筒壓強(qiáng)度高于10 MPa，經(jīng)過(guò)15次凍融循環(huán)質(zhì)量損失小于4%的細(xì)石英砂-粉煤灰-電石渣陶粒。所得陶粒堆積密度低于900kg/m3，表觀密度低于1 800 kg/m3；筒壓強(qiáng)度較市售陶粒提高4～6 MPa，增幅達(dá)60%以上。采用標(biāo)號(hào)52.5硅酸鹽水泥可以配制出抗壓強(qiáng)度80 MPa硅酸鹽殼層陶?；炷粒杀碛^密度比普通混凝土降低20.9%。硅酸鹽殼層陶?？梢耘渲貌煌瑯?biāo)號(hào)的輕混凝土（LWAC），陶粒在混凝土中具有顯著強(qiáng)度提升效應(yīng)，對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)優(yōu)于碎石和燒結(jié)陶粒。

電石渣；水熱合成；筒壓強(qiáng)度；輕粗集料；硅酸鹽殼層陶粒；承重結(jié)構(gòu)；輕集料混凝土

目前國(guó)內(nèi)PVC生產(chǎn)工藝主要采用、乙烯和電石乙炔法等為原料的技術(shù)路線。2016年，中國(guó)PVC產(chǎn)能約為2 326萬(wàn)t，電石乙炔法約占產(chǎn)能82%。電石渣大多為電石乙炔法生產(chǎn)PVC產(chǎn)生，按每生產(chǎn)1 t PVC大約產(chǎn)生1.3～1.5 t干基電石渣計(jì)，2016年電石渣產(chǎn)生量約為23 000萬(wàn)t[1-4]。大部分電石渣采用堆放或是掩埋方式處理，不僅浪費(fèi)了大量鈣質(zhì)原料，還嚴(yán)重污染土壤，使土壤堿化，造成二次污染[5]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)上述問(wèn)題提出了諸多解決方案。如部分或全部代替水泥中的鈣質(zhì)材料燒制成水泥熟料[6]；或制作成化工原料如輕質(zhì)CaCO3[7-10]，高純CaCl2[11]，煅燒生石灰CaO等[12]，制作保溫材料[13，14]；或利用其強(qiáng)堿性處理酸性污染源，如煤的固硫，酸性污水的處理等[15]。其中，燒制為水泥熟料是大量利用電石渣的通常做法，但由于電石渣中含有Na、K、氧化物，Cl-等有害元素，嚴(yán)重影響水泥熟料品質(zhì)，且摻量?jī)H占9%，限制電石渣轉(zhuǎn)化為水泥熟料的應(yīng)用[16]。電石渣含水率34%～47%，性質(zhì)粘稠，在水泥生料加工過(guò)程中需增設(shè)專用設(shè)備，導(dǎo)致了生產(chǎn)工藝復(fù)雜化，不論是濕磨干燒工藝還是新型干法干磨干燒工藝，都存在上述問(wèn)題[17]。其他的應(yīng)用電石渣利用率不高且大多要經(jīng)過(guò)提純，超過(guò)400℃的高溫煅燒等，存在工藝流程復(fù)雜，能耗較大等弊端。

針對(duì)上述問(wèn)題，本次實(shí)驗(yàn)利用電石渣作為鈣質(zhì)原料，加入部分硅質(zhì)原料和添加劑，采用水熱合成的工藝，通過(guò)鈣硅水化反應(yīng)，形成了以托貝莫來(lái)石為主要物相的輕集料—硅酸鹽殼層陶粒，筒壓強(qiáng)度高于10 MPa，形成了電石泥渣生產(chǎn)輕質(zhì)高強(qiáng)度硅酸鹽殼層陶粒生產(chǎn)技術(shù)。本技術(shù)對(duì)電石渣沒(méi)有嚴(yán)苛要求，實(shí)現(xiàn)原位處理無(wú)需脫水，采用180℃水熱合成方式，大大降低了殼層陶粒生產(chǎn)能耗與成本。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本次實(shí)驗(yàn)電石渣為浙江巨化工股份有限公司所提供；粉煤灰為南京華能熱電廠提供；細(xì)石英砂來(lái)自安徽鳳陽(yáng)；水泥選用高標(biāo)號(hào)與低標(biāo)號(hào)兩種水泥，分別為南京小野田525普通硅酸鹽水泥和海螺325復(fù)合硅酸鹽水泥；選用細(xì)度模數(shù)2.2河沙作為混凝土細(xì)集料；主要材料成分列表見(jiàn)表1、表2。

表1 各材料主要成分分析%

2.2 測(cè)試方法

陶粒筒壓強(qiáng)度參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)輕集料及其試驗(yàn)方法，GT/B17431.2-2010[18]。不同級(jí)別陶粒輕混凝土的配合比設(shè)計(jì)參考JGJ51-2002[19]，混凝土立方抗壓性能測(cè)試參考JTG E30-2005[20]。

表2 碎石、燒結(jié)陶粒性能

3 結(jié)果與討論

3.1 電石渣-粉煤灰-細(xì)石英砂殼層陶粒物理性能

電石渣硅酸鹽殼層陶粒的制備以濕基電石渣摻量為研究變量，設(shè)計(jì)電石泥渣摻量37.5%～48.2%，殼層陶粒制作采用文獻(xiàn)[21]介紹的方法，成球尺寸控制在5～16 mm，料球（25±2）℃保濕靜置24 h，采用飽和蒸汽壓力1.0 MPa，180℃恒溫8 h的養(yǎng)護(hù)制度，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后將陶粒在105℃環(huán)境中烘干進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試。

不同摻量電石泥渣對(duì)陶粒筒壓強(qiáng)度影響規(guī)律見(jiàn)圖1，當(dāng)電石渣摻量在37.5%～43.4%時(shí)隨著摻量增加陶粒筒壓強(qiáng)度大于10 MPa，并在43.4%時(shí)呈現(xiàn)峰值，當(dāng)摻量大于43.4%時(shí)陶粒筒壓強(qiáng)度開(kāi)始降低。經(jīng)過(guò)15次凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，電石渣硅酸鹽殼層陶粒的質(zhì)量損失率在2.82%～3.19%，小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，陶粒具有很好的抗凍性能。電石泥摻量在37.5%～43.4%時(shí)對(duì)陶粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大，可以采用大摻量電石泥的配置技術(shù)，提升電石泥利用率。

圖1 濕基電石渣摻量對(duì)陶粒強(qiáng)度影響

表3 硅酸鹽殼層陶粒性能

3.2 殼層陶粒對(duì)混凝土增強(qiáng)效果的研究

為了表征殼層硅酸鹽陶粒在混凝土中的應(yīng)用性能，配置了不同骨料對(duì)比試驗(yàn)，膠凝材料選用525普通硅酸鹽水泥。對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用電石渣硅酸鹽殼層陶粒、燒結(jié)陶粒和碎石作為對(duì)照組，固定砂率為30%，采用粗集料等體積代換，制得立方抗壓試塊（70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm）及彈性模量試塊（70.7 mm×70.7 mm×212.1 mm）在溫度為（25±2）℃的水中養(yǎng)護(hù)28天，參考GB/T 50081-2002測(cè)試各項(xiàng)性能?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)方案見(jiàn)表4，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 不同骨料混凝土的配合比kg/m3

表5 不同骨料混凝土的性能

由表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，混凝土配合比相同，不同骨料對(duì)強(qiáng)度和干表觀密度的影響十分顯著，電石渣硅酸鹽殼層陶?；炷撩芏缺绕胀ɑ炷凛p20.9%，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了80 MPa，比普通混凝土抗壓強(qiáng)度高8.2%，比燒結(jié)陶?；炷量箟簭?qiáng)度高56.9%。硅酸鹽殼層陶?；炷翉椥阅Ａ窟_(dá)到31.3 GPa，介于普通混凝土（48.9GPa）與燒結(jié)陶粒混凝土（23.6 GPa）之間，硅酸鹽陶?；炷恋膭傂詢?yōu)于燒結(jié)陶?；炷?。表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硅酸鹽殼層陶粒在混凝土中具有優(yōu)異綜合性能，尤其對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)超過(guò)了碎石和燒結(jié)陶粒，具有輕質(zhì)高強(qiáng)特性。

表5的數(shù)據(jù)表明，采用525高標(biāo)號(hào)水泥，殼層硅酸鹽陶粒在配制高標(biāo)號(hào)混凝土中具有很好的力學(xué)性能。為了配置不同標(biāo)號(hào)混凝土，采用325水泥復(fù)合硅酸鹽水泥作為膠凝材料，固定粗骨料體積比為50%，設(shè)計(jì)3組混凝土配合比，采用標(biāo)號(hào)325水泥配置的混凝土配合比見(jiàn)表6，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 各組混凝土配合比（325復(fù)合硅酸鹽水泥）kg/m3

由表6及表7可知，采用325復(fù)合硅酸鹽水泥配置的硅酸鹽殼層陶?；炷岭S著水泥用量增加而抗壓強(qiáng)度增加；當(dāng)水泥摻量為230 kg/m3時(shí)混凝土28天抗壓強(qiáng)度為33.5 MPa，水泥摻量280 kg/m3時(shí)混凝土28天抗壓強(qiáng)度達(dá)到了44.2 MPa，水泥摻量為305 kg/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度已達(dá)到52 MPa。在低水泥摻加量的情況下，硅酸鹽殼層陶粒在不同級(jí)別混凝土中都具有很好的增強(qiáng)效果，混凝土斷口可以看到硅酸鹽殼層陶粒與砂漿基體具有很好的界面結(jié)合?？梢灶A(yù)測(cè)，采用425或525水泥，殼層陶?；炷翍?yīng)具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

表7 各組混凝土28 d抗壓強(qiáng)度（325復(fù)合硅酸鹽水泥）

3.3 硅酸鹽殼層陶粒的應(yīng)用前景

陶?；炷劣捎谄淞己玫墓こ虄?yōu)勢(shì)在中國(guó)已有多處使用。唐津（唐山—天津）高速公路二期工程中的永定新河大橋，全長(zhǎng)1.5 km，大橋中引橋上部結(jié)構(gòu)全部采用高強(qiáng)陶?；炷粒?jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，粉煤灰頁(yè)巖陶粒使得橋梁上部結(jié)構(gòu)自重降低20%，主梁跨度從26 m增至35 m，節(jié)省了預(yù)應(yīng)力鋼筋并增加結(jié)構(gòu)整體性，增加了結(jié)構(gòu)抗震性，節(jié)省工程造價(jià)10%[22]。

天津芥園西道立交橋，支線上跨分離式立交橋橋梁全長(zhǎng)324.66 m，現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，建造采用高強(qiáng)頁(yè)巖陶粒，陶粒輕混凝土強(qiáng)度LC40，該項(xiàng)工程是我國(guó)首例在全橋上使用高強(qiáng)度的輕骨料混凝土[23]。

昆明市高海公路軟基路段橋梁位于滇池草海邊緣，地層為軟～流塑狀深層軟土，最深處已超過(guò)70m，樁側(cè)極限摩阻力低。為減輕橋梁結(jié)構(gòu)自重、縮短樁長(zhǎng)、降低施工難度、減少基礎(chǔ)處理費(fèi)用，設(shè)計(jì)采用1900級(jí)LC40預(yù)應(yīng)力輕質(zhì)混凝土小箱梁方案。高海公路軟基路段橋梁利用陶?；炷?，使得工程總造價(jià)比采用普通混凝土減少643萬(wàn)元，節(jié)約工程造價(jià)17.3%[24]。

上述工程中橋梁結(jié)構(gòu)均使用預(yù)應(yīng)力陶粒輕混凝土，陶?；炷帘碛^密度1 850～1 950 kg/m3，輕混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為L(zhǎng)C40，各工程使用陶?；炷僚c殼層陶?；炷列阅芤?jiàn)表8。通過(guò)表8對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，電石泥殼層陶?；炷恋男阅芘c燒結(jié)陶?；炷列阅芟喈?dāng)。由于燒結(jié)陶粒的煅燒溫度在1 200℃以上，而殼層陶粒采用180℃水熱合成，殼層陶粒生產(chǎn)具有節(jié)能制造的優(yōu)勢(shì)。由表5、表7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)[21～23]對(duì)比可以得到，在同樣密度等級(jí)條件下，電石泥渣殼層陶?；炷帘葻Y(jié)陶?；炷翉?qiáng)度更高，在輕質(zhì)高強(qiáng)的承重結(jié)構(gòu)中具有巨大的應(yīng)用前景。

燒結(jié)陶粒由于采用1 150～1 250℃高溫?zé)Y(jié)，根據(jù)DB46/282—2014《蒸壓灰磚單位產(chǎn)品綜合能耗和電耗限額》推算，高溫?zé)Y(jié)陶粒生產(chǎn)能耗為116 kgce/m3；而采用180℃，保溫8 h水熱合成制度所得電石泥渣殼層陶粒生產(chǎn)能耗為24 kgce/m3，節(jié)能79.3%，比燒結(jié)陶粒更綠色，更節(jié)能環(huán)保。不同工程中燒結(jié)陶?；炷僚c殼層陶?；炷列阅軐?duì)比見(jiàn)表8。

表8 不同工程中燒結(jié)陶?；炷僚c殼層陶粒混凝土性能對(duì)比

4 結(jié)論

（1）電石渣硅酸鹽殼層陶粒筒壓強(qiáng)度隨電石渣摻量（濕基）37.5%～43.4%維持同一水平，當(dāng)電石渣摻量高于43.4%時(shí)才會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度損失。因此，電石渣作為陶粒鈣質(zhì)原料可大量使用。電石渣陶粒成球時(shí)不需要對(duì)電石渣進(jìn)行預(yù)處理，可以大量利用電石渣，降低了企業(yè)處理電石渣的成本，電石渣硅酸鹽殼層陶粒生產(chǎn)技術(shù)為氯堿工業(yè)提供了一項(xiàng)新的固廢利用途徑。

（2）電石渣硅酸鹽殼層陶?；炷翉?qiáng)度與普通混凝土強(qiáng)度相接近，而遠(yuǎn)高于燒結(jié)陶粒混凝土強(qiáng)度；密度比普通混凝土降低20.9%；彈性模量介于燒結(jié)陶?；炷僚c普通混凝土，與砂漿基體有良好的變形協(xié)調(diào)性，因此，電石渣硅酸鹽殼層陶粒混凝土更適合應(yīng)用于需要降低自重的承重結(jié)構(gòu)中，在預(yù)應(yīng)力橋梁、裝配式構(gòu)件、建筑結(jié)構(gòu)與節(jié)能一體化領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

（3）與高溫?zé)Y(jié)陶粒相較，電石渣硅酸鹽殼層陶粒采用1 MPa飽和蒸汽壓，180℃保溫8 h水熱合成，具有明顯節(jié)能生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)DB46 282 2014推算，高溫?zé)Y(jié)陶粒生產(chǎn)能耗為116 kgce/m3，水熱合成殼層陶粒能耗為24 kgce/m3，節(jié)能79.3%。

［1］牛云輝，封培然．電石渣的應(yīng)用現(xiàn)狀．中國(guó)氯堿，2010（11）：35．

［2］江鎮(zhèn)海．電石渣的綜合利用途徑.中國(guó)資源綜合利用，2010，28（10）：35．

［3］張淼．2013年全球PVC市場(chǎng)回顧及2014年展望.聚氯乙烯，2014，42（6）：1－6．

［4］幺恩琳，王曉強(qiáng)．氯堿行業(yè)電石渣綜合利用的發(fā)展及前景展望.中國(guó)氯堿，2013，40（2）：40．

［5］郝敬團(tuán)，姜旭峰．電石渣的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進(jìn)展.廣州化工，2013，41（8）：45．

［6］許京法．利用電石渣煅燒水泥熟料的生產(chǎn)工藝.水泥，2005，9：13－18．

［7］田飛宇．電石渣兩步法制備輕質(zhì)碳酸鈣的研究.現(xiàn)代化工，2013，33（4）．

［8］李晨．電石渣合成高純碳酸鈣的研究.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2011，43（4）．

［9］閆琨．利用電石渣液相法制備納米碳酸鈣.化工環(huán)保，2008，28（6）．

［10］盧忠遠(yuǎn)．利用電石渣制備球形碳酸鈣的研究.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39（11）．

［11］曾蓉．電石渣氯化銨循環(huán)法制備高純氯化鈣的工藝.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，32（6）．

［12］田偉軍．從電石渣中回收氧化鈣的工藝研究與生產(chǎn)實(shí)踐.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2010，42（8）．

［13］曹建新．利用電石渣制備硬硅鈣石.化學(xué)工程，2007，35（12）．

［14］劉紅艷．利用工業(yè)電石渣合成硅酸鈣保溫材料.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（1）．

［15］黃新章．電石渣在治理污染方面的應(yīng)用.沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，6（3）．

［16］田之文．電石渣作為石灰質(zhì)原料的有害成分分析與控制.聚氯乙烯，2007，2．

［17］包先法．電石渣生產(chǎn)水泥熟料的工藝.中國(guó)氯堿，2006，12：35－38．

［18］GT／B 17431．2－2010．輕集料及其試驗(yàn)方法．

［19］JGJ51－2002．輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程．

［20］JTG E30－2005．公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程．

［21］楊秀麗，崔崇，崔曉昱，等．殼層增強(qiáng)人造硅酸鹽骨料性能.科技導(dǎo)報(bào)，2014，32（25）．

［22］吳旗，孫運(yùn)國(guó)．高強(qiáng)粉煤灰頁(yè)巖陶?；炷猎谟蓝ê哟髽蛏系膽?yīng)用及優(yōu)化設(shè)計(jì)效果．粉煤灰，2001，04（27）．

［23］崔守遠(yuǎn)．高強(qiáng)頁(yè)巖陶粒混凝土在芥園西道立交橋中的應(yīng)用．鐵道建筑，2009，4．

［24］沈永林，陳實(shí)，丁建彤．高嶢至海口一級(jí)公路楊家村大橋輕質(zhì)混凝土方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介．2004“第七屆全國(guó)輕骨料混凝土學(xué)術(shù)討論會(huì)”暨“第一屆海峽兩岸輕骨料混凝土產(chǎn)制與應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)”論文集．2004．

Preparation of load-bearing carbide slag shell-aggregate and research of its properties

TANG Guo-qiang1，CUI Xiao-yu2，GU Min-jia1，CUI Chong1，MA Hai-long
（1.College of materials science and technology，NJUST，Nanjing 210018，China；2.Jiangsu Construction Engineering Quality Inspection Center Co.,Ltd.,Nanjing 210028，China；3.Ningxia University National Preparatory School of Education，Yinchuan 750002，China）

Load-bearing carbide slag shell-aggregate is prepared by hydro-thermal synthesis and autoclave curing progress of carbide slag，silica materials（fly ash，tails of quartz sand used to produce glass）and fine aggregate（quartz）under the condition of saturated steam（180℃，1MPa）.This kind of load-bearing aggergate with bulk density no more than 900 kg/m3and apparent density no more than 1 800 kg/m3contains 37.5%～43.4%wet carbide slag.Its cylinder compressive strength is more than 10MPa，which exceeds the commerical aggregates’by more than 60%and the weight loss is less than 4%after 15 times freezing and thawing cycle.Compressive strength of ceramsite concrete perpared with 525 Portland cement is up to 80 MPa. Compared with normal concrete，the dry density of ceramsite concrete reduces the amount by 20.9%.The ceramsite in this experiment can be used to prepare different grade LWAC and has higher performance in concerte than sinter ceramsite and broken stone in improving concrete compressive strength.

carbide slag；hydro-thermal synthesis；cylinder compressive strength；lightweight aggregate；load-bearing lightweight aggregate concrete

X781.2

B

1009－1785(2017)07-0041-04

2017-03-15

四產(chǎn)業(yè)同發(fā)力三友化工上半年凈利增227%

國(guó)家自然科學(xué)基金資助（51578289、51468053）

三友化工近日發(fā)布半年度公告，顯示公司上半年實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入99.89億元，同比增長(zhǎng)35.99%，歸屬于母公司的凈利潤(rùn)9.62億元，同比增長(zhǎng)227.48%。實(shí)現(xiàn)每股收益0.5200元。

公司稱，其四大支柱產(chǎn)業(yè)業(yè)績(jī)?cè)賱?chuàng)新高，純堿分公司、化纖公司、氯堿公司、硅業(yè)公司凈利潤(rùn)分別同比增長(zhǎng)154%、136%、247%、1964%。此外，公司還加強(qiáng)多元化發(fā)展，物流公司加快業(yè)務(wù)發(fā)展，積極拓展煤炭、氯化鉀等外部市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入6.8億元，同比增長(zhǎng)316.52%。香港貿(mào)易公司境外融資1.5億美元，公司國(guó)際化經(jīng)營(yíng)能力大幅提升。