利用電石渣制備結構用硅酸鹽陶粒的研究

唐國強，崔曉昱，顧敏佳，崔崇，馬海龍

（1.南京理工大學材料科學與工程學院，南京210018；2.江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司，南京210028；3.寧夏大學民族預科教育學院，銀川750002）

利用電石渣制備結構用硅酸鹽陶粒的研究

唐國強1，崔曉昱2，顧敏佳1，崔崇1，馬海龍3

（1.南京理工大學材料科學與工程學院，南京210018；2.江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司，南京210028；3.寧夏大學民族預科教育學院，銀川750002）

硅酸鹽殼層陶粒的制備利用電石渣等作為鈣質原料，粉煤灰作為硅質原料，在濕基電石渣摻量為37.5%～43.4%，溫度為180℃，壓力為1MPa的蒸壓養護條件下得到了筒壓強度高于10 MPa，經過15次凍融循環質量損失小于4%的細石英砂-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；筒壓強度較市售陶粒提高4～6 MPa，增幅達60%以上。采用標號52.5硅酸鹽水泥可以配制出抗壓強度80 MPa硅酸鹽殼層陶粒混凝土，干表觀密度比普通混凝土降低20.9%。硅酸鹽殼層陶粒可以配置不同標號的輕混凝土（LWAC），陶粒在混凝土中具有顯著強度提升效應，對混凝土強度的貢獻優于碎石和燒結陶粒。

電石渣；水熱合成；筒壓強度；輕粗集料；硅酸鹽殼層陶粒；承重結構；輕集料混凝土

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

國內學者針對上述問題提出了諸多解決方案。如部分或全部代替水泥中的鈣質材料燒制成水泥熟料[6]；或制作成化工原料如輕質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，嚴重影響水泥熟料品質，且摻量僅占9%，限制電石渣轉化為水泥熟料的應用[16]。電石渣含水率34%～47%，性質粘稠，在水泥生料加工過程中需增設專用設備，導致了生產工藝復雜化，不論是濕磨干燒工藝還是新型干法干磨干燒工藝，都存在上述問題[17]。其他的應用電石渣利用率不高且大多要經過提純，超過400℃的高溫煅燒等，存在工藝流程復雜，能耗較大等弊端。

針對上述問題，本次實驗利用電石渣作為鈣質原料，加入部分硅質原料和添加劑，采用水熱合成的工藝，通過鈣硅水化反應，形成了以托貝莫來石為主要物相的輕集料—硅酸鹽殼層陶粒，筒壓強度高于10 MPa，形成了電石泥渣生產輕質高強度硅酸鹽殼層陶粒生產技術。本技術對電石渣沒有嚴苛要求，實現原位處理無需脫水，采用180℃水熱合成方式，大大降低了殼層陶粒生產能耗與成本。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

本次實驗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；細石英砂來自安徽鳳陽；水泥選用高標號與低標號兩種水泥，分別為南京小野田525普通硅酸鹽水泥和海螺325復合硅酸鹽水泥；選用細度模數2.2河沙作為混凝土細集料；主要材料成分列表見表1、表2。

表1 各材料主要成分分析%

2.2 測試方法

陶粒筒壓強度參考國家標準輕集料及其試驗方法，GT/B17431.2-2010[18]。不同級別陶粒輕混凝土的配合比設計參考JGJ51-2002[19]，混凝土立方抗壓性能測試參考JTG E30-2005[20]。

表2 碎石、燒結陶粒性能

3 結果與討論

3.1 電石渣-粉煤灰-細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，設計電石泥渣摻量37.5%～48.2%，殼層陶粒制作采用文獻[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的養護制度，養護結束后將陶粒在105℃環境中烘干進行各項性能測試。

不同摻量電石泥渣對陶粒筒壓強度影響規律見圖1，當電石渣摻量在37.5%～43.4%時隨著摻量增加陶粒筒壓強度大于10 MPa，并在43.4%時呈現峰值，當摻量大于43.4%時陶粒筒壓強度開始降低。經過15次凍融循環實驗結果見表3，電石渣硅酸鹽殼層陶粒的質量損失率在2.82%～3.19%，小于國家標準規定值，陶粒具有很好的抗凍性能。電石泥摻量在37.5%～43.4%時對陶粒結構強度貢獻較大，可以采用大摻量電石泥的配置技術，提升電石泥利用率。

圖1 濕基電石渣摻量對陶粒強度影響

表3 硅酸鹽殼層陶粒性能

3.2 殼層陶粒對混凝土增強效果的研究

為了表征殼層硅酸鹽陶粒在混凝土中的應用性能，配置了不同骨料對比試驗，膠凝材料選用525普通硅酸鹽水泥。對比實驗采用電石渣硅酸鹽殼層陶粒、燒結陶粒和碎石作為對照組，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）℃的水中養護28天，參考GB/T 50081-2002測試各項性能。混凝土配合比設計方案見表4，對比實驗結果見表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實驗結果可以看到，混凝土配合比相同，不同骨料對強度和干表觀密度的影響十分顯著，電石渣硅酸鹽殼層陶粒混凝土密度比普通混凝土輕20.9%，抗壓強度達到了80 MPa，比普通混凝土抗壓強度高8.2%，比燒結陶粒混凝土抗壓強度高56.9%。硅酸鹽殼層陶粒混凝土彈性模量達到31.3 GPa，介于普通混凝土（48.9GPa）與燒結陶粒混凝土（23.6 GPa）之間，硅酸鹽陶粒混凝土的剛性優于燒結陶粒混凝土。表5實驗結果表明，硅酸鹽殼層陶粒在混凝土中具有優異綜合性能，尤其對混凝土抗壓強度的貢獻超過了碎石和燒結陶粒，具有輕質高強特性。

表5的數據表明，采用525高標號水泥，殼層硅酸鹽陶粒在配制高標號混凝土中具有很好的力學性能。為了配置不同標號混凝土，采用325水泥復合硅酸鹽水泥作為膠凝材料，固定粗骨料體積比為50%，設計3組混凝土配合比，采用標號325水泥配置的混凝土配合比見表6，實驗結果見表7。

表6 各組混凝土配合比（325復合硅酸鹽水泥）kg/m3

由表6及表7可知，采用325復合硅酸鹽水泥配置的硅酸鹽殼層陶粒混凝土隨著水泥用量增加而抗壓強度增加；當水泥摻量為230 kg/m3時混凝土28天抗壓強度為33.5 MPa，水泥摻量280 kg/m3時混凝土28天抗壓強度達到了44.2 MPa，水泥摻量為305 kg/m3時，對應混凝土28 d抗壓強度已達到52 MPa。在低水泥摻加量的情況下，硅酸鹽殼層陶粒在不同級別混凝土中都具有很好的增強效果，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合。可以預測，采用425或525水泥，殼層陶粒混凝土應具有更高的結構強度。

表7 各組混凝土28 d抗壓強度（325復合硅酸鹽水泥）

3.3 硅酸鹽殼層陶粒的應用前景

陶粒混凝土由于其良好的工程優勢在中國已有多處使用。唐津（唐山—天津）高速公路二期工程中的永定新河大橋，全長1.5 km，大橋中引橋上部結構全部采用高強陶粒混凝土，經過優化設計，粉煤灰頁巖陶粒使得橋梁上部結構自重降低20%，主梁跨度從26 m增至35 m，節省了預應力鋼筋并增加結構整體性，增加了結構抗震性，節省工程造價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324.66 m，現澆預應力混凝土連續梁，建造采用高強頁巖陶粒，陶粒輕混凝土強度LC40，該項工程是我國首例在全橋上使用高強度的輕骨料混凝土[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70m，樁側極限摩阻力低。為減輕橋梁結構自重、縮短樁長、降低施工難度、減少基礎處理費用，設計采用1900級LC40預應力輕質混凝土小箱梁方案。高海公路軟基路段橋梁利用陶粒混凝土，使得工程總造價比采用普通混凝土減少643萬元，節約工程造價17.3%[24]。

上述工程中橋梁結構均使用預應力陶粒輕混凝土，陶粒混凝土表觀密度1 850～1 950 kg/m3，輕混凝土設計標號為LC40，各工程使用陶粒混凝土與殼層陶粒混凝土性能見表8。通過表8對比可以發現，電石泥殼層陶粒混凝土的性能與燒結陶粒混凝土性能相當。由于燒結陶粒的煅燒溫度在1 200℃以上，而殼層陶粒采用180℃水熱合成，殼層陶粒生產具有節能制造的優勢。由表5、表7的實驗結果與文獻設計數據[21～23]對比可以得到，在同樣密度等級條件下，電石泥渣殼層陶粒混凝土比燒結陶粒混凝土強度更高，在輕質高強的承重結構中具有巨大的應用前景。

燒結陶粒由于采用1 150～1 250℃高溫燒結，根據DB46/282—2014《蒸壓灰磚單位產品綜合能耗和電耗限額》推算，高溫燒結陶粒生產能耗為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能耗為24 kgce/m3，節能79.3%，比燒結陶粒更綠色，更節能環保。不同工程中燒結陶粒混凝土與殼層陶粒混凝土性能對比見表8。

表8 不同工程中燒結陶粒混凝土與殼層陶粒混凝土性能對比

4 結論

（1）電石渣硅酸鹽殼層陶粒筒壓強度隨電石渣摻量（濕基）37.5%～43.4%維持同一水平，當電石渣摻量高于43.4%時才會出現強度損失。因此，電石渣作為陶粒鈣質原料可大量使用。電石渣陶粒成球時不需要對電石渣進行預處理，可以大量利用電石渣，降低了企業處理電石渣的成本，電石渣硅酸鹽殼層陶粒生產技術為氯堿工業提供了一項新的固廢利用途徑。

（2）電石渣硅酸鹽殼層陶粒混凝土強度與普通混凝土強度相接近，而遠高于燒結陶粒混凝土強度；密度比普通混凝土降低20.9%；彈性模量介于燒結陶粒混凝土與普通混凝土，與砂漿基體有良好的變形協調性，因此，電石渣硅酸鹽殼層陶粒混凝土更適合應用于需要降低自重的承重結構中，在預應力橋梁、裝配式構件、建筑結構與節能一體化領域具有應用前景。

（3）與高溫燒結陶粒相較，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，具有明顯節能生產優勢。根據DB46 282 2014推算，高溫燒結陶粒生產能耗為116 kgce/m3，水熱合成殼層陶粒能耗為24 kgce/m3，節能79.3%。

［1］牛云輝，封培然．電石渣的應用現狀．中國氯堿，2010（11）：35．

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

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

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

［5］郝敬團，姜旭峰．電石渣的應用現狀與研究進展.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工藝.水泥，2005，9：13－18．

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

［8］李晨．電石渣合成高純碳酸鈣的研究.無機鹽工業，2011，43（4）．

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

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

［11］曾蓉．電石渣氯化銨循環法制備高純氯化鈣的工藝.石河子大學學報，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實踐.無機鹽工業，2010，42（8）．

［13］曹建新．利用電石渣制備硬硅鈣石.化學工程，2007，35（12）．

［14］劉紅艷．利用工業電石渣合成硅酸鈣保溫材料.實驗室研究與探索，2010，29（1）．

［15］黃新章．電石渣在治理污染方面的應用.沈陽工程學院學報，2010，6（3）．

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

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

［18］GT／B 17431．2－2010．輕集料及其試驗方法．

［19］JGJ51－2002．輕骨料混凝土技術規程．

［20］JTG E30－2005．公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程．

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

［22］吳旗，孫運國．高強粉煤灰頁巖陶粒混凝土在永定河大橋上的應用及優化設計效果．粉煤灰，2001，04（27）．

［23］崔守遠．高強頁巖陶粒混凝土在芥園西道立交橋中的應用．鐵道建筑，2009，4．

［24］沈永林，陳實，丁建彤．高嶢至海口一級公路楊家村大橋輕質混凝土方案設計簡介．2004“第七屆全國輕骨料混凝土學術討論會”暨“第一屆海峽兩岸輕骨料混凝土產制與應用技術研討會”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

四產業同發力三友化工上半年凈利增227%

國家自然科學基金資助（51578289、51468053）

三友化工近日發布半年度公告，顯示公司上半年實現營業收入99.89億元，同比增長35.99%，歸屬于母公司的凈利潤9.62億元，同比增長227.48%。實現每股收益0.5200元。

公司稱，其四大支柱產業業績再創新高，純堿分公司、化纖公司、氯堿公司、硅業公司凈利潤分別同比增長154%、136%、247%、1964%。此外，公司還加強多元化發展，物流公司加快業務發展，積極拓展煤炭、氯化鉀等外部市場，實現營業收入6.8億元，同比增長316.52%。香港貿易公司境外融資1.5億美元，公司國際化經營能力大幅提升。