輕骨料的制備及其應(yīng)用進(jìn)展

王彩輝， 牛 涵， 李克艷， 李文皓， 許晨席

(1.河北省交通工程與環(huán)境協(xié)同發(fā)展新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043;2.河北省超材料與微器件工程研究中心，河北 石家莊 050043;3. 衡水市水利科學(xué)研究院，河北 衡水 053000)

輕骨料是指堆積密度不大于1 200 kg/m3的輕粗或輕細(xì)骨料，其密度范圍一般為200～1 200 kg/m3，共分為11個(gè)等級(jí)，其中，堆積密度在500 kg/m3以下的為超輕粗骨料。輕骨料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱、抗凍抗堿等性能優(yōu)異特點(diǎn)，在建筑材料中被廣泛研究與應(yīng)用[1-5]。

天然輕骨料主要來(lái)源于多孔巖石[6]，隨著使用量的增加，天然輕骨料的供給開(kāi)始出現(xiàn)不足。為了緩解天然輕骨料的不足及工業(yè)廢棄物對(duì)環(huán)境污染的壓力，人造輕骨料開(kāi)始出現(xiàn)[7]。工業(yè)廢棄物當(dāng)中，粉煤灰、污泥、赤泥、礦渣等較多應(yīng)用于制造輕骨料，尾礦類[7-10]應(yīng)用相對(duì)較少。在功能研究方面，除了輕質(zhì)高強(qiáng)特點(diǎn)外，還向吸附性能等方向發(fā)展[11,12]。但就目前的應(yīng)用程度來(lái)看，國(guó)內(nèi)輕骨料混凝土的應(yīng)用相對(duì)較少，但不乏代表性應(yīng)用，如天津永定新河大橋?yàn)槿p骨料建筑。而在國(guó)外，輕骨料混凝土的應(yīng)用相對(duì)廣泛，如：美國(guó)的休斯頓廣場(chǎng)大廈，荷蘭的荷蘭尼美金馬斯·瓦爾運(yùn)河上的杜肯伯格塞橋，挪威的Stolma橋與Raftsund橋等[13-15]，均為輕骨料建筑。

1 輕骨料類型

隨著環(huán)境改善要求與資源枯竭壓力的影響，為達(dá)到碳中和及碳達(dá)峰的國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃目的，輕骨料制備所需的原料，除極少的天然輕骨料(浮石等)經(jīng)簡(jiǎn)單處理直接被用作制備輕骨料混凝土外[6]，其主要原料由天然的礦物資源逐漸趨于以固廢物為主，相關(guān)研究文獻(xiàn)如表1所示，且輕骨料類型也逐漸偏向不同功能性的多孔燒脹類陶粒。

由表1可知：①可制備輕骨料的原料具有種類多、潛在價(jià)值大的特性。②輕骨料類型多樣，有粉煤灰基陶粒、尾礦陶粒、廢渣基陶粒、頁(yè)巖基陶粒、污泥基陶粒、改性載體陶粒等。

表1 部分制備輕骨料文獻(xiàn)

1.1 粉煤灰基陶粒

Long Ma等人[9]以粉煤灰為原料，摻加赤泥與膨潤(rùn)土，并配以一定量的造孔劑和泡沫穩(wěn)定劑，焙燒出表觀密度為731 kg/m3、堆積密度為547 kg/m3、筒壓強(qiáng)度為3.3 MPa及吸水率為9.7%的具有良好性能的輕質(zhì)陶粒。Juan Qin等人[23]利用石灰渣和粉煤灰原料，與頁(yè)巖、珍珠巖、硅藻土和硅灰等不同添加劑混合，制備出以鈣長(zhǎng)石為主要物相的多孔陶粒，其密度為740 kg/m3、24 h吸水率39.03%、表觀孔隙率49.49%及筒壓強(qiáng)度4.73 MPa。Tommy Yiu Lo等人[27]以高碳粉煤灰為主要原料，成功制備出高碳粉煤灰輕骨料，并提出了一種以碳為內(nèi)嵌燃料的高碳粉煤灰輕骨料燒結(jié)方法。這種高碳粉煤灰輕骨料應(yīng)用于混凝土中，有利于混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展。

1.2 廢渣基陶粒

Qing-xiu JING等人[7]以鎢渣為主要原料，摻加一定比例的硅藻土，成功制備出廢渣基陶粒，通過(guò)研究得出：在303 K條件下，陶粒對(duì)Cu2+的吸附量為9.421 mg/g。當(dāng)Cu2+初始濃度為100 mg/L及投加量為0.5 g，吸附時(shí)間為300 min時(shí)，銅的去除率達(dá)94.21%，可有效吸附重金屬離子，用于廢水處理。

1.3 污泥基陶粒

LIU Junzhe等人[20]以污泥為主要原料，并摻加一定量的粉煤灰和淤泥，成功制備出由方石英和莫來(lái)石為主相的、密度等級(jí)為700 kg/m3、吸水率為6%、抗壓強(qiáng)度為6.6 MPa的高性能綠色陶粒，其測(cè)定的重金屬含量浸出值遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，驗(yàn)證了固廢材料再利用的安全性，證明了成品的可行性。YUE Dongting等人[21]利用脫水污泥和黃河沉積物為原料，制備出比重為454.41 kg/m3、顆粒密度為990.13 kg/m3、吸水率3.97%的超輕陶粒，其所有的物理性能均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[37]。

1.4 頁(yè)巖基陶粒

元敬順等[38-39]以頁(yè)巖為主要原料、粉煤灰為輔料及低品位的SiC為發(fā)泡劑，制備出SiC摻量為0.10%、焙燒溫度分別在1 150 ℃和 1 160 ℃時(shí)，24 h吸水率分別為2.4%和2.2%、輕骨料的顆粒強(qiáng)度分別達(dá)到11.1 MPa和10.4 MPa、表觀密度分別為1 020 kg/m3和960 kg /m3的高性能輕骨料；當(dāng)焙燒溫度為1 150 ℃及粉煤灰摻量為40%時(shí)，表觀密度為 1 060 kg/m3、輕骨料的顆粒強(qiáng)度達(dá)到 9.5 MPa，24 h 吸水率僅為 2.5%，達(dá)到了高性能輕骨料要求[37]。

1.5 尾礦陶粒和改性載體陶粒

近年來(lái)，由于各礦藏的不斷開(kāi)發(fā)，尾礦數(shù)量也在不斷累積，對(duì)環(huán)境造成了一定的污染，亟待處理與應(yīng)用，因此以尾礦為主要原料的輕骨料研究逐步展開(kāi)。

1.5.1 尾礦陶粒

Chuan Wang等人[26]以建造業(yè)廢渣和白云鄂博尾礦為原料，制備出筒壓強(qiáng)度為9.6 MPa且符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[37]的輕骨料。趙威等[40]以商洛市小馬溝金尾礦為主要原料，粘土、長(zhǎng)石為輔助原料，并加入高純SiC為高溫發(fā)泡劑，制備出筒壓強(qiáng)度為10.2 MPa、堆積密度為762 g/cm3、吸水率為2.6%的高強(qiáng)輕質(zhì)陶粒。

1.5.2 改性載體陶粒

Yue Cheng等[41]采用磁性材料對(duì)多孔陶粒進(jìn)行改性。用改性多孔陶粒作載體，應(yīng)用于生物膜反應(yīng)器時(shí)，可為磁性改性和微生物粘附創(chuàng)造條件，其對(duì)化學(xué)需氧量和氨氮的去除率比活性污泥反應(yīng)器高25%～30%，比無(wú)磁性載體的生物膜反應(yīng)器高15%～20%。研究發(fā)現(xiàn)，在曝氣流量為1.5 mL/h、曝氣時(shí)間為10 h/d、溫度為25～30 ℃的條件下，多孔陶粒生物膜反應(yīng)器對(duì)化學(xué)需氧量和氨氮的去除率可達(dá)90%以上。

2 制備工藝

2.1 組分優(yōu)化

雖然制備輕骨料的原料廣泛，但必須遵循一定的組分比例原則。一般情況下，制備輕骨料會(huì)參考Riley三相圖[42](圖1)來(lái)展開(kāi)，其原料含量大致范圍為：SiO2，60%～70%；Al2O3，15%～25%；其它氧化物(CaO、MgO、FeO、Fe2O3、(K、Na)2O)，15%～25%。

圖1 Riley三相圖[42]

在此基礎(chǔ)上，要獲得良好的膨脹效果與最佳強(qiáng)度，需考慮原料之間的高溫熔融情況及原料各組分含量對(duì)輕骨料整體性能的影響。如：YAN Jianhua等[22]將粉煤灰、玻璃粉及堿渣的混合物作為核，以廢玻璃與頁(yè)巖作為殼，最終成功制備出核殼結(jié)構(gòu)的陶粒；但是，經(jīng)Wang Liang等[43]研究證明，添加不同含量的氧化鈣，可使粉煤灰的熔點(diǎn)出現(xiàn)非線性變化。因此，原料的各組分含量及各組分在高溫時(shí)的相互作用情況，是制備輕骨料的關(guān)鍵因素之一。

2.2 成型工藝

從制備工藝的角度來(lái)講，輕骨料分為免燒結(jié)型與燒結(jié)型輕骨料。一般情況下，免燒結(jié)型輕骨料強(qiáng)度相對(duì)較低，受水化程度影響[29]；燒結(jié)型輕骨料不受水化因素影響，由燒結(jié)生成相提供強(qiáng)度，其強(qiáng)度相對(duì)較大。成型工藝中除了燒結(jié)因素外，混料、拌合成型及溫度控制等每個(gè)階段對(duì)輕骨料的強(qiáng)度都有不同程度的影響。如干燥溫度不宜過(guò)高或過(guò)低，防止造成裂紋等缺陷，以致影響輕骨料的強(qiáng)度；在高溫焙燒時(shí)，把控氣體量與液相量、氣體壓力與液相黏力，是制備輕骨料的輕質(zhì)與高強(qiáng)特性的核心點(diǎn)。

一般輕骨料燒結(jié)成型工藝流程：稱取原材料→預(yù)濕→預(yù)攪拌→成型→預(yù)熱→煅燒→保溫→產(chǎn)品。免燒結(jié)成型工藝流程：稱取原材料→預(yù)濕→預(yù)攪拌→成型→養(yǎng)護(hù)→產(chǎn)品。

3 材料特性及應(yīng)用方向

材料特性決定應(yīng)用前景。目前，輕骨料的強(qiáng)度、比重、孔結(jié)構(gòu)、吸附過(guò)濾性等性能研究較多，應(yīng)用方面主要側(cè)重于建筑材料和功能材料。

3.1 材料特性

比強(qiáng)度作為輕骨料的特性之一，越來(lái)越受到關(guān)注。筆者通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[9,27,44-58]中的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到其表觀密度與顆粒強(qiáng)度及比強(qiáng)度的關(guān)系(如圖2所示)。可以發(fā)現(xiàn)，一般情況下，輕骨料的表觀密度越大，其顆粒強(qiáng)度越大，而比強(qiáng)度并沒(méi)有隨之顯著提高，這就限制了其在工程、尤其大型建筑中的應(yīng)用。因此，通過(guò)優(yōu)化制備工藝及材料組成，以提高輕骨料的綜合特性，是擴(kuò)大其應(yīng)用的有效手段。Tommy Yiu Lo等人[27]利用工業(yè)廢棄物粉煤灰，將碳作為燃燒期內(nèi)燃燃料，減少其燒結(jié)時(shí)間，制備出高碳粉煤灰輕骨料混凝土，可用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用。付麗文[13]、劉冬學(xué)[59]及聶立武[60-61]等利用硼泥、廢渣、粉煤灰等原料，成功制備出高強(qiáng)型與耐火型的硼泥陶粒，并應(yīng)用于耐火混凝土、耐火砌塊及耐火填充料中。

圖2 陶粒的特性指標(biāo)

3.2 應(yīng)用方向

目前多利用輕骨料的輕質(zhì)高強(qiáng)特性來(lái)制備輕骨料混凝土。葉艷霞等[1]采用輕骨料制備了纖維增強(qiáng)輕骨料混凝土(SFHLAC)，使輕骨料的力學(xué)強(qiáng)度和韌性得到了較大的改善。黃顯龍等[2]采用預(yù)飽和、預(yù)飽和苯丙乳液及表面苯丙乳液三種方式改善輕骨料混凝土的阻尼及抗凍性能，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)三種方式處理后，混凝土中的界面過(guò)渡區(qū)顯著改善，混凝土的綜合性能得到提升。方江華等[3]將輕骨料應(yīng)用到噴射混凝土當(dāng)中，研究其與聚丙烯纖維的協(xié)同增韌性能。同時(shí)，輕骨料具有多孔結(jié)構(gòu)，在抗凍融方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，也得到了一定的研究與應(yīng)用[4-5]，隔熱保溫方面[62-63]也有涉及。除此之外，近幾年以來(lái)，功能性輕集料的研究相繼展開(kāi)，主要集中在濾膜等功能性載體方面[64-65]。

4 研究建議

(1)在制備方面，應(yīng)重點(diǎn)研究輕骨料微觀層面的物化反應(yīng)及形成機(jī)理。目前大多研究只是通過(guò)調(diào)整原料間的配制比例、完成基本性能測(cè)試，獲得宏觀數(shù)據(jù)，并未以此參數(shù)為基礎(chǔ)做深入研究，沒(méi)有進(jìn)一步闡釋是何種物化反應(yīng)或者分子及原子間的反應(yīng)所致。

(2)在性能指標(biāo)方面，目前的研究多注重廢棄物的再利用，很少注重輕骨料的指標(biāo)的提升，特別是在比強(qiáng)度方面，應(yīng)重點(diǎn)研究，以期獲得較廣泛的應(yīng)用。