利用工業固廢制備陶粒的研究及建筑工程領域應用現狀*

楊雪晴 宋杰光 鐘 璐 巫嘉偉 何春艷 林國堅 龐才良 劉榮進

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

1 陶粒的概述

陶粒是一種通過高溫燒結或免燒結工藝所制備的球狀產品，具有良好的性能，因為陶粒的質量輕、強度高。陶粒的內部結構也呈蜂窩狀，因此陶粒是制作保溫隔熱產品、防高溫、防潮濕、吸音降噪等產品的優質材料[1-3]。陶粒混凝土的優越性在許多大跨度和高層建筑中更是展現得淋漓盡致，許多公共設施和經常暴露在外的墻體廣泛使用以陶粒為骨料生產的輕質鋼筋混凝土產品[4-5]。煤矸石的化學成分以二氧化硅和氧化鋁為主，陶粒可以通過添加其他燒結助劑，將原料二氧化硅所占比例與工藝做適當調整來制備。

2 陶粒的種類及性能

隨著我國社會的高速發展，工業規模也在迅速增長，同樣帶來的弊端就是工業固廢的劇增、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，也對人類生存環境和自然生態造成了一定的威脅。近些年來，國家的環保政策愈加嚴格，為建設成資源節約型、環境友好型和實現可持續發展型社會的關鍵在于可循環的經濟模式和實現工業固廢、危廢的再生利用，其中實現工業固廢、危廢的再生利用已然成為可持續發展的主導推動力[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 的結構用輕粗集料；普通陶粒是指強度標號＜25MPa 的結構用輕粗集料；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（有害物質含量、軟化系數等）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構構件的延展性，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異的保溫隔熱性能，但強度較差。

3 陶粒在建筑領域的產品及種類

陶粒種類繁多，不同原料形成的陶粒在工業和民用建筑產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，通常適用于結構或保溫耐火用輕骨料混凝土。目前，國內市場上常用黏土陶粒作為過濾材料，不僅適用于工業和民用水處理，還廣泛用于食品、冶金、化工、紡織、印染等工業廢水的生化除油、去污和重金屬離子過濾；粉煤灰陶粒具有大多數陶粒所擁有的優點，粉煤灰陶粒混凝土常被作為建筑耐火混凝土用于市政建設、公路橋梁、工業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、河泥代替傳統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]。垃圾陶粒現階段不僅可以制成新型墻體材料（墻體、砌墻磚等），還可以用于結構保溫型吸聲降噪型陶粒混凝土[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、燒結而成生物污泥陶粒從而有效避免了環境的污染且具有一定的價值意義。國內江河、湖泊數量眾多，且經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境污染問題，還緩解了建材制造業與農業用地相關產業的土地沖突問題；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田土地不被破壞，也節約了黏土，為固體廢棄物找到了合理的出路。

4 陶粒的研究現狀

4.1 陶粒國外研究現狀

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

4.2 陶粒國內研究現狀

自20 世紀70 年代，我國開始研發煤矸石陶粒，經過長期發展，已經獲得了豐富的技術儲備，工業產值也呈穩步增長的趨勢。近年來，我國煤矸石陶粒的研究和生產有加速的趨勢。

近年來，由于地理環境和生存條件不同煤矸石的化學成分、性質存在很大差異，所以部分學者針對不同地區不同類型的煤矸石焙燒陶粒進行了研究。李虎杰[8]等利用黏土質煤矸石為原料，通過加入少量的頁巖和少量粘結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，最終總結出不同地區生產陶粒的最佳原料配比和最佳工藝參數。建議在試驗方法方面，使用優化生產工藝，優化實驗室陶粒焙燒試驗方法，參考國外的“一爐連續升溫制”將國內傳統的“三爐分段恒溫制”升級為“二爐分段連續升溫制”，改進燒成制度，能夠有效較小試驗結果的誤差。

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表層開裂和球團爆炸，同時逐漸產生部分氣體，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，否則會打破生球團液相和氣相的動態平衡，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節，也會對陶粒產生較大的影響。在實際生產過程中想要提高生產效率，就需要快速冷卻，陶粒的內部可能會隨著溫度快速降低過程中產生溫度應力，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 陶粒在建筑行業中的應用及前景

2020年之初爆發的疫情，對每個行業都造成了沉重的打擊。疫情不可避免會讓工廠和企業生產經營受到沖擊，對工業經濟產生負面影響，導致部分企業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，生產也緩慢地逐步恢復，才致使疫情對全年的影響可控。在各大行業受挫的期間，固體廢棄物陶粒和陶粒混凝土產品產能卻能創歷史新高[11]。這一現象從側面可以反映出，利用固體廢棄物生產陶粒仍然是推動輕集料行業發展的“主推手”。

由黏土、頁巖等原料制備而成的人工輕集料，后經焙燒而制成傳統陶粒。由于可采黏土和頁巖會造成自然生態環境的破壞[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境保護的重視，傳統建筑材料因高能耗、高排放[13]而成為降低產能、限制發展的目標，大批水泥企業被搬遷、關停。綠色建材的發展成了“聚焦點”，通過利用各種固廢來制備建材產品就是其中一個主要的方向[14]，對于輕集料行業來說，除了對設備進行更迭成環保型、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發展的綠色方向。固體廢料的資源化利用持續得到相關政策的支持更是加快了對陶粒行業的進一步發展，“十三五” 規劃中提出加快污泥資源化和多污染協同處理的技術研發和產業化，生態環境部將妥善處置污泥。“十四五” 規劃中提出加強危廢固廢資源化處置[15]、資源節約利用和推動綠色發展，把資源利用化、廢物減量化做到最好，同時兼顧經濟效益。現階段，粉煤灰陶粒已被廣泛應用[17]，污泥為原料生產的陶粒也相對較為成熟，還有大量的已開發的固體廢棄物陶粒，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。不斷地開發和利用海泥生產陶粒不僅有效解決了固體廢棄物，也產生了巨大的經濟效益。這表明，工業固廢資源化利用技術，能夠實現“以廢治廢”“變廢為寶”，是未來綠色建筑材料發展方向之一，工業固體廢物資源化的利用仍存在廣闊的發展和研究空間，也將取得可觀的經濟社會效益，陶粒工業在固廢資源化利用擁有獨特的優勢，必將在固廢資源化利用中發揮巨大的作用。

未來，在綠色環保、固廢綜合利用、資源節約利用的政策以及可循環經濟、可持續發展的社會大背景下，環保型建筑、新型綠色建筑材料的需求下，陶粒行業除了采用環保裝備、減少能耗和排放之外，綜合利用工業固廢原料并生產符合市場需求的輕骨料產品是一個主要的發展方向[18]。同時所帶動的使整個工業固廢陶粒的相關產業，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、自動化的陶粒生產設備將逐步取代陳舊落后的設備，陶粒的制備工藝將會協同處置工業固體廢棄物的技術進一步成熟與發展，陶粒在建筑工程應用等市場規模將會不斷開拓。高效綜合資源化利用工業固體廢棄物，發展高性能綠色多功能產品，是陶粒行業在可持續發展之下的必經之路，具有極為重要的社會、經濟、生態效益。

7 陶粒在建筑領域中的應用所存在的問題

工業規模不斷擴大，伴隨著工業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固體廢棄物燒制陶粒的產業化進展緩慢[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”。

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

a.工業固體廢棄物制備陶粒的生產和應用短時間內不能與實驗理論研究相匹配，很少有研發成果轉化為應用技術，導致工業規模小、實物應用不成熟的現象。

b.資本和市場化忽視了技術專業化。若能調整制備工藝，優化配方，提升工業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境。

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

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

e.我國污泥處理行業受經濟、監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污泥的綜合利用和循環利用。

f.陶粒混凝土的應用在建筑領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變形，從而影響工程的安全性[21]。

g.在工業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，原料中的易揮發性重金屬揮發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，《國家工業固體廢物資源綜合利用產品目錄》中將工業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，通過綠色發展、低碳發展、環保發展和循環經濟，提高資源利用率，實現工業固廢的高效資源化利用、實現高效環保已刻不容緩[11-12]。利用工業固廢為主要原料制備陶粒，既能適應市場對于輕質建材、高強材料、環保材料的重大需求，符合國家發展戰略，又可以獲得優良的經濟和社會效益[13-15]。

相比其他普通材料都沒有陶粒所具備的許多優良性能，使得陶粒不得不發揮著重要的作用，因此陶粒可以在世界范圍內迅速發展。陶粒不僅密度小，質量輕，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，陶粒混凝土的導熱系數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，陶粒的耐火性能優良，陶粒混凝土的耐火極限大約是普通混凝土的4 倍多，強度變化減小，耐火極限高。經過測試表明，陶粒混凝土抗震性能遠遠優于普通混凝土，因為陶粒的相對抗震系數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、抗滲性能和抗堿骨料反應能力卓越。陶粒所具備的優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、花卉養植領域等中，特別在建筑領域，陶粒作為輕質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，利用工業固廢制備陶粒成為工業固廢減量化的有效途徑之一，讓工業固廢經過綠色循環實現經濟效益，將進一步推動整個工業的轉型發展。