利用工業(yè)固廢制備陶粒的研究及建筑工程領域應用現(xiàn)狀*

楊雪晴 宋杰光 鐘 璐 巫嘉偉 何春艷 林國堅 龐才良 劉榮進

（1.萍鄉(xiāng)學院海綿城市研究院，江西 萍鄉(xiāng) 337055；2.桂林理工大學廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，廣西 桂林 541004）

1 陶粒的概述

陶粒是一種通過高溫燒結(jié)或免燒結(jié)工藝所制備的球狀產(chǎn)品，具有良好的性能，因為陶粒的質(zhì)量輕、強度高。陶粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也呈蜂窩狀，因此陶粒是制作保溫隔熱產(chǎn)品、防高溫、防潮濕、吸音降噪等產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)材料[1-3]。陶?；炷恋膬?yōu)越性在許多大跨度和高層建筑中更是展現(xiàn)得淋漓盡致，許多公共設施和經(jīng)常暴露在外的墻體廣泛使用以陶粒為骨料生產(chǎn)的輕質(zhì)鋼筋混凝土產(chǎn)品[4-5]。煤矸石的化學成分以二氧化硅和氧化鋁為主，陶?？梢酝ㄟ^添加其他燒結(jié)助劑，將原料二氧化硅所占比例與工藝做適當調(diào)整來制備。

2 陶粒的種類及性能

隨著我國社會的高速發(fā)展，工業(yè)規(guī)模也在迅速增長，同樣帶來的弊端就是工業(yè)固廢的劇增、不斷堆積。這樣的后果不僅是原材料的銳減和對土地資源的浪費，也對人類生存環(huán)境和自然生態(tài)造成了一定的威脅。近些年來，國家的環(huán)保政策愈加嚴格，為建設成資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展型社會的關鍵在于可循環(huán)的經(jīng)濟模式和實現(xiàn)工業(yè)固廢、危廢的再生利用，其中實現(xiàn)工業(yè)固廢、危廢的再生利用已然成為可持續(xù)發(fā)展的主導推動力[6-7]。

目前，陶粒的分類方法很多[8-9]，按原料分類，陶粒可以分為黏土陶粒、頁巖陶粒、粉煤灰陶粒、垃圾陶粒、河底泥陶粒、生物污泥陶粒等[2]；陶粒按強度也可分為高強陶粒、普通陶粒。根據(jù)我國新修編的《輕集料及其實驗方法》GB∕T17431.1-2010 新標準，高強陶粒是指強度標號≥25MPa 的結(jié)構(gòu)用輕粗集料；普通陶粒是指強度標號＜25MPa 的結(jié)構(gòu)用輕粗集料；高強陶粒的吸水率、筒壓強度、密度等級、強度標號為特定指標，其他指標（有害物質(zhì)含量、軟化系數(shù)等）較普通陶粒、超輕陶粒相同，高強陶粒表觀密度大，孔隙率小，細孔含量多從而具有輕質(zhì)高強、低吸水率、良好的保溫隔熱性能和耐火性能[3]，且高強陶粒較其兩者具有較高的強度標號有利于改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延展性，從而具有良好的抗震性能；按陶粒性能可分為高性能陶粒和普通性能陶粒，高性能陶粒具有高強、低吸水率、密度較小，普通性能陶粒的強度較高性能陶粒略低，其孔隙率和吸水率略高，兩者性能都優(yōu)越于普通集料；按陶粒的密度可分為一般密度陶粒、超輕陶粒、特低密度陶粒。根據(jù)我國新修編的《輕集料及其實驗方法》GB∕T 17431.1-2010 新標準，一般密度陶粒、超輕陶粒、特低密度陶粒分別是指密度>500kg∕m3、300kg∕m3～500kg∕m3、<300kg∕m3的陶粒，一般密度陶粒其強度相對于超輕和特低密度陶粒較高，特低密度陶粒相較于其他兩者具有非常優(yōu)異的保溫隔熱性能，但強度較差。

3 陶粒在建筑領域的產(chǎn)品及種類

陶粒種類繁多，不同原料形成的陶粒在工業(yè)和民用建筑產(chǎn)品中具有不同的功能且陶粒在建筑領域應用范圍廣泛，尤其是工業(yè)和民用建筑。黏土陶粒、粉煤灰陶粒和頁巖陶粒以黏土、粉煤灰和黏土頁巖為主要原料，通常適用于結(jié)構(gòu)或保溫耐火用輕骨料混凝土。目前，國內(nèi)市場上常用黏土陶粒作為過濾材料，不僅適用于工業(yè)和民用水處理，還廣泛用于食品、冶金、化工、紡織、印染等工業(yè)廢水的生化除油、去污和重金屬離子過濾；粉煤灰陶粒具有大多數(shù)陶粒所擁有的優(yōu)點，粉煤灰陶?；炷脸１蛔鳛榻ㄖ突鸹炷劣糜谑姓ㄔO、公路橋梁、工業(yè)與民用建筑和水利工程中；頁巖陶粒廣泛應用于保溫、耐火隔熱材料、海綿城市建設等多個建筑領域，主要產(chǎn)品有砌塊和隔墻板等，但頁巖和黏土國家已出臺相關政策禁止或限制開采[10-12]。

為了符合國家相關政策，研究人員考慮用垃圾、污泥、河泥代替?zhèn)鹘y(tǒng)陶粒來研究新型陶粒。因此，固體廢棄物的再生利用受到越來越多的重視。將城市垃圾通過處理、造粒、焙燒后得到垃圾陶粒，其具有造價低、來源豐富廣泛、能耗低、強度高、重量輕的特點[7]。垃圾陶?，F(xiàn)階段不僅可以制成新型墻體材料（墻體、砌墻磚等），還可以用于結(jié)構(gòu)保溫型吸聲降噪型陶?；炷羀8]和用于水處理的凈化。研究人員將生物污泥進行處理過后，進行造粒、燒結(jié)而成生物污泥陶粒從而有效避免了環(huán)境的污染且具有一定的價值意義。國內(nèi)江河、湖泊數(shù)量眾多，且經(jīng)過多年的沉淀有大量的淤泥，研究人員考慮通過用河底淤泥代替黏土，通過原料處理、干燥、成球、焙燒而成河底泥陶粒[9]。河底泥陶粒的資源化利用有效解決了環(huán)境污染問題，還緩解了建材制造業(yè)與農(nóng)業(yè)用地相關產(chǎn)業(yè)的土地沖突問題；目前，在建筑材料的利用中，污泥陶粒制備的輕骨料混凝土、砌塊等建筑材料已得到了廣泛的研究[10]。以上利用垃圾、污泥、河泥制備出來的陶粒真正做到了“再利用、綠色化、資源化”，這樣不但解決了二次污染的問題也達到了廢棄物資源化的目的，且污泥的資源化利用不僅保護了有限的農(nóng)田土地不被破壞，也節(jié)約了黏土，為固體廢棄物找到了合理的出路。

4 陶粒的研究現(xiàn)狀

4.1 陶粒國外研究現(xiàn)狀

21世紀，陶粒帶動了建筑行業(yè)飛速發(fā)展，許多發(fā)達國家和發(fā)展中國家生產(chǎn)陶粒的數(shù)量也大幅增加[13-15]。目前陶粒的應用領域已經(jīng)發(fā)生變化，它作為一種新型建筑材料在建筑行業(yè)中的應用越來越廣泛，從傳統(tǒng)建筑行業(yè)擴展到具體的實物產(chǎn)品，如陶粒砌塊，陶粒磚和陶粒板等。陶粒的原料已經(jīng)從傳統(tǒng)的黏土和頁巖轉(zhuǎn)變?yōu)榱松顝U料和工業(yè)固廢。有效減少了黏土，頁巖等天然礦物的大量使用。生產(chǎn)陶粒的設備也正朝著自動化、智能化，網(wǎng)絡化方向發(fā)展。國外目前的發(fā)展趨勢主要是：原料來源多種多樣，主要是以工業(yè)固體廢棄物為主；在制備陶粒過程中，主要是在提高生產(chǎn)效率，降低能量消耗的同時還可以起到保護環(huán)境的作用；在產(chǎn)品性能上，主要朝著高強度和輕量化兩個方向發(fā)展；在應用上，從傳統(tǒng)的普通混凝土發(fā)展到保溫砌塊和保溫墻體材料。

4.2 陶粒國內(nèi)研究現(xiàn)狀

自20 世紀70 年代，我國開始研發(fā)煤矸石陶粒，經(jīng)過長期發(fā)展，已經(jīng)獲得了豐富的技術儲備，工業(yè)產(chǎn)值也呈穩(wěn)步增長的趨勢。近年來，我國煤矸石陶粒的研究和生產(chǎn)有加速的趨勢。

近年來，由于地理環(huán)境和生存條件不同煤矸石的化學成分、性質(zhì)存在很大差異，所以部分學者針對不同地區(qū)不同類型的煤矸石焙燒陶粒進行了研究。李虎杰[8]等利用黏土質(zhì)煤矸石為原料，通過加入少量的頁巖和少量粘結(jié)助溶劑和少量其他輔助原料，可制備出高強度煤矸石陶粒，以此解決原料含碳量過高的問題。楊稔[9]采用不同的配方，通過一定的燒成制度焙燒出表觀密度為強度高的陶粒，主要可以應用于處理氨氮廢水，通過動態(tài)吸附實驗表明，證明陶粒在廢水的處理方面具有良好的吸附效果。范錦忠[10]對利用煤矸石和粉煤灰為原料焙燒環(huán)保型煤矸石陶粒的制備工藝做了較為深入的研究，最終總結(jié)出不同地區(qū)生產(chǎn)陶粒的最佳原料配比和最佳工藝參數(shù)。建議在試驗方法方面，使用優(yōu)化生產(chǎn)工藝，優(yōu)化實驗室陶粒焙燒試驗方法，參考國外的“一爐連續(xù)升溫制”將國內(nèi)傳統(tǒng)的“三爐分段恒溫制”升級為“二爐分段連續(xù)升溫制”，改進燒成制度，能夠有效較小試驗結(jié)果的誤差。

5 陶粒的制備及工藝設備

陶粒的制備工藝主要是由原料預處理、配料、成型、干燥預熱、冷卻這幾個過程構(gòu)成。工藝流程圖見圖1。

圖1 陶粒的制備工藝流程圖[3]

利用破碎機將試驗原料的粒徑破碎至2mm以下，接下來加入一定量的清水（摻水量以易于成球為標準，通常為12%～20%。因為如含水率過低，陶粒不易成球，易碎裂；含水率過高，過度消耗熱能，增加制備成本。然后將漿料均勻攪拌，采用圓盤成球機成球，球徑大小集中分布在5mm～15mm，保證良好的顆粒級配。生料成球后在恒溫干燥箱中干燥一段時間，使成球的陶粒脫水干燥。最后按一定的順序裝入樣缸中準備焙燒。焙燒過程是燒制陶粒的關鍵階段，包括預熱階段和焙燒階段兩個重要過程。生球在干燥后就進入預熱溫度為350℃～600℃的預熱階段。預熱的目的是使生球表層的水分進一步被去除，防止焙燒過程中由于溫度急劇上升引起爐內(nèi)表層開裂和球團爆炸，同時逐漸產(chǎn)生部分氣體，為軟化生球團做準備。陶粒的外粘度和陶粒中氣體的形成都會被焙燒溫度和保溫時間影響。焙燒溫度應在生球團膨脹溫度范圍內(nèi)，否則會打破生球團液相和氣相的動態(tài)平衡，導致陶粒的密度、強度和吸水率都會受到影響。冷卻工藝也是試驗過程中一個必不可少的環(huán)節(jié)，也會對陶粒產(chǎn)生較大的影響。在實際生產(chǎn)過程中想要提高生產(chǎn)效率，就需要快速冷卻，陶粒的內(nèi)部可能會隨著溫度快速降低過程中產(chǎn)生溫度應力，從而導致陶粒性能降低，因此，需要研究不同配比的原料所制備的煤矸石陶粒的冷卻溫度。所制備的煤矸石陶粒，要嚴格按照《輕集料及其試驗方法》國標（GB∕T17431－2010）進行檢測[4]。

6 陶粒在建筑行業(yè)中的應用及前景

2020年之初爆發(fā)的疫情，對每個行業(yè)都造成了沉重的打擊。疫情不可避免會讓工廠和企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營受到?jīng)_擊，對工業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)生負面影響，導致部分企業(yè)步入困難的境地甚至倒閉，但隨著疫情在嚴格的控制下，逐漸好轉(zhuǎn)，生產(chǎn)也緩慢地逐步恢復，才致使疫情對全年的影響可控。在各大行業(yè)受挫的期間，固體廢棄物陶粒和陶?；炷廉a(chǎn)品產(chǎn)能卻能創(chuàng)歷史新高[11]。這一現(xiàn)象從側(cè)面可以反映出，利用固體廢棄物生產(chǎn)陶粒仍然是推動輕集料行業(yè)發(fā)展的“主推手”。

由黏土、頁巖等原料制備而成的人工輕集料，后經(jīng)焙燒而制成傳統(tǒng)陶粒。由于可采黏土和頁巖會造成自然生態(tài)環(huán)境的破壞[12]，因此研究固體廢棄物制備陶粒具有極為重要的意義。且隨著近些年我國對環(huán)境保護的重視，傳統(tǒng)建筑材料因高能耗、高排放[13]而成為降低產(chǎn)能、限制發(fā)展的目標，大批水泥企業(yè)被搬遷、關停。綠色建材的發(fā)展成了“聚焦點”，通過利用各種固廢來制備建材產(chǎn)品就是其中一個主要的方向[14]，對于輕集料行業(yè)來說，除了對設備進行更迭成環(huán)保型、降低能耗和排放外，利用固體廢棄物制備陶粒是一個可持續(xù)發(fā)展的綠色方向。固體廢料的資源化利用持續(xù)得到相關政策的支持更是加快了對陶粒行業(yè)的進一步發(fā)展，“十三五” 規(guī)劃中提出加快污泥資源化和多污染協(xié)同處理的技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，生態(tài)環(huán)境部將妥善處置污泥?！笆奈濉?規(guī)劃中提出加強危廢固廢資源化處置[15]、資源節(jié)約利用和推動綠色發(fā)展，把資源利用化、廢物減量化做到最好，同時兼顧經(jīng)濟效益?，F(xiàn)階段，粉煤灰陶粒已被廣泛應用[17]，污泥為原料生產(chǎn)的陶粒也相對較為成熟，還有大量的已開發(fā)的固體廢棄物陶粒，例如煤矸石陶粒、垃圾陶粒、海泥陶粒等。就以海泥陶粒舉例，國內(nèi)的沿海城市較多，由于潮汐作用海岸線會有大量的海泥沉積較長。不斷地開發(fā)和利用海泥生產(chǎn)陶粒不僅有效解決了固體廢棄物，也產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。這表明，工業(yè)固廢資源化利用技術，能夠?qū)崿F(xiàn)“以廢治廢”“變廢為寶”，是未來綠色建筑材料發(fā)展方向之一，工業(yè)固體廢物資源化的利用仍存在廣闊的發(fā)展和研究空間，也將取得可觀的經(jīng)濟社會效益，陶粒工業(yè)在固廢資源化利用擁有獨特的優(yōu)勢，必將在固廢資源化利用中發(fā)揮巨大的作用。

未來，在綠色環(huán)保、固廢綜合利用、資源節(jié)約利用的政策以及可循環(huán)經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展的社會大背景下，環(huán)保型建筑、新型綠色建筑材料的需求下，陶粒行業(yè)除了采用環(huán)保裝備、減少能耗和排放之外，綜合利用工業(yè)固廢原料并生產(chǎn)符合市場需求的輕骨料產(chǎn)品是一個主要的發(fā)展方向[18]。同時所帶動的使整個工業(yè)固廢陶粒的相關產(chǎn)業(yè)，也將不斷地增加關鍵技術的研究，將會有更多高附加值多功能型陶粒[18]來滿足更多樣化的市場需求。相信在今后工業(yè)固廢陶粒將逐漸成為主流，將會有更多大型、更加先進、自動化的陶粒生產(chǎn)設備將逐步取代陳舊落后的設備，陶粒的制備工藝將會協(xié)同處置工業(yè)固體廢棄物的技術進一步成熟與發(fā)展，陶粒在建筑工程應用等市場規(guī)模將會不斷開拓。高效綜合資源化利用工業(yè)固體廢棄物，發(fā)展高性能綠色多功能產(chǎn)品，是陶粒行業(yè)在可持續(xù)發(fā)展之下的必經(jīng)之路，具有極為重要的社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益。

7 陶粒在建筑領域中的應用所存在的問題

工業(yè)規(guī)模不斷擴大，伴隨著工業(yè)固廢和種類繁多的廢料廢渣污泥等增加、堆積。與利用粉煤灰和工業(yè)污泥制備陶粒的成熟技術應用相比，利用煤矸石、各種尾礦和冶煉廢渣等其他工業(yè)固體廢棄物燒制陶粒的產(chǎn)業(yè)化進展緩慢[18-20]，許多固廢資源還未能夠制備成陶粒，亟待加強相應的研究，也是為進一步推進國家的號召“綠水青山就是金山銀山”。

隨著工業(yè)固廢制備陶粒方面的研究工作不斷的探索，在國內(nèi)已有大量的研究并取得了一定的研究成果[20]，但現(xiàn)階段工業(yè)廢棄物陶粒在實際應用上仍存在一些問題。

a.工業(yè)固體廢棄物制備陶粒的生產(chǎn)和應用短時間內(nèi)不能與實驗理論研究相匹配，很少有研發(fā)成果轉(zhuǎn)化為應用技術，導致工業(yè)規(guī)模小、實物應用不成熟的現(xiàn)象。

b.資本和市場化忽視了技術專業(yè)化。若能調(diào)整制備工藝，優(yōu)化配方，提升工業(yè)固體廢棄物陶粒的性能、增加其功能研究，具有更高價值的陶粒將有效改善陶粒的市場環(huán)境。

c.目前，我國陶粒專用設備主要依靠自主研發(fā)，技術手段與國外先進水平相比相對落后。有必要根據(jù)工業(yè)固體廢物原料的特點制造和研究設備，優(yōu)化和改進制備工藝。

d.雖然陶粒生產(chǎn)線的環(huán)保水平逐步提高，但與水泥等成熟行業(yè)的設備相比，在精細化、智能化和綠色節(jié)能水平上仍有較大差距，這是限制輕集料行業(yè)發(fā)展壯大的重要原因之一。

e.我國污泥處理行業(yè)受經(jīng)濟、監(jiān)管體制和污泥處理技術水平等因素的限制，尚未形成城市和工業(yè)污泥的綜合利用和循環(huán)利用。

f.陶?；炷恋膽迷诮ㄖI域還存在些問題尚未解決，例如，陶粒混凝土在硬化期間或者后期的使用過程有可能會出現(xiàn)變形，從而影響工程的安全性[21]。

g.在工業(yè)固廢燒制陶粒過程中，隨著溫度的升高和物理化學反應之后，原料中的易揮發(fā)性重金屬揮發(fā)出來的污染氣體對空氣造成二次污染[22]。

8 研究及應用前景

目前，《國家工業(yè)固體廢物資源綜合利用產(chǎn)品目錄》中將工業(yè)固體廢物分為六大類，主要包括煤矸石、尾礦、冶煉渣、粉煤灰、爐渣、脫硫石膏等，通過綠色發(fā)展、低碳發(fā)展、環(huán)保發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟，提高資源利用率，實現(xiàn)工業(yè)固廢的高效資源化利用、實現(xiàn)高效環(huán)保已刻不容緩[11-12]。利用工業(yè)固廢為主要原料制備陶粒，既能適應市場對于輕質(zhì)建材、高強材料、環(huán)保材料的重大需求，符合國家發(fā)展戰(zhàn)略，又可以獲得優(yōu)良的經(jīng)濟和社會效益[13-15]。

相比其他普通材料都沒有陶粒所具備的許多優(yōu)良性能，使得陶粒不得不發(fā)揮著重要的作用，因此陶?？梢栽谑澜绶秶鷥?nèi)迅速發(fā)展。陶粒不僅密度小，質(zhì)量輕，還同時具有保溫，隔熱，降噪的功能。陶粒自身的堆積密度通常小于900kg∕m3，而一般情況下最輕的陶粒堆積密度僅有200kg∕m3～300kg∕m3，用一定配比所制備的混凝土與同等標號普通混凝土相比較，質(zhì)量輕1∕3～1∕4。陶粒傳導熱量效果小，隔熱保溫性能好。在相同條件下，陶?；炷恋膶嵯禂?shù)低于普通混凝土和磚墻，僅為普通混凝土的1∕4～1∕5，因此可以起到很好的保溫隔熱效果。在相同條件下，陶粒的耐火性能優(yōu)良，陶?；炷恋哪突饦O限大約是普通混凝土的4 倍多，強度變化減小，耐火極限高。經(jīng)過測試表明，陶粒混凝土抗震性能遠遠優(yōu)于普通混凝土，因為陶粒的相對抗震系數(shù)遠高于普通混凝土和磚砌體。且陶粒的吸水率低，抗凍性能、耐久性能、抗?jié)B性能和抗堿骨料反應能力卓越。陶粒所具備的優(yōu)良性能為陶粒的廣泛應用奠定了堅實的基礎。陶粒廣泛應用于建筑領域、水處理領域、花卉養(yǎng)植領域等中，特別在建筑領域，陶粒作為輕質(zhì)粗骨料可以減輕混凝土自重，保溫隔熱，吸音降噪，具有良好的應用前景[5-7]。

9 結(jié)語

隨著陶粒的深入研究，在建筑工程領域的應用將逐漸增大，利用工業(yè)固廢制備陶粒成為工業(yè)固廢減量化的有效途徑之一，讓工業(yè)固廢經(jīng)過綠色循環(huán)實現(xiàn)經(jīng)濟效益，將進一步推動整個工業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。