1、 前 言中国是以煤炭为主要能源的国家，电力产量的 76%是由煤炭产生的，每年用煤超过 4 亿吨，占全国原煤产量的三分之一，特别是改革开放以来，电力工业迅猛发展，导致粉煤灰排放量逐年锐增，预计到 2010 年粉煤灰的排放量将达到2.6 亿吨，成为世界最大的排灰国。但是，目前我国的粉煤灰利用率仅为 30%左右，主要用于筑路基和回填，每年仍有 1 亿吨未能利用的粉煤灰，储存于灰场中。每年需征大量土地用于储灰，建灰场费用和运行费用都很高;另外，粉煤灰用于筑路或回填会受地区、时间的限制，存在使用不均衡、不连续的问题。若对粉煤灰综合利用不加大研究和处理力度，将会给能源生产、资源利用和环境保护带来不可估量的
2、严重后果。因此，应该大力拓展粉煤灰在其他领域的应用。中国一直非常重视粉煤灰的开发利用，自 20 世纪 50 年代三门峡大坝工程开始使用粉煤灰以来，国家投人了大量人力、物力，对粉煤灰的性能及其利用进行了大范围、多领域、卓有成效的科学实验和技术开发，将粉煤灰的应用范围扩展到工业、农业、建筑业等多个领域，取得了非常巨大的社会效益和经济效益。因此，长期被作为固体废弃物看待的粉煤灰，近年来随着国际性能源供需矛盾的加剧和对环境保护愈来愈高的要求，已引起了世界各国的关注，并对其利用进行了广泛的研究、试验和应用，取得了一定的成就。国外先进国家（欧盟、美国等）粉煤灰利用率已达 70-80%，我国粉煤灰利用率亦达
3、 40-50%，对节约能源和改善环境起到了重要作用。然而，我国电厂排放的粉煤灰品质极不稳定，有 80%以上的粉煤灰烧失量超过 6%，有的达到 20%以上，资源化性能较差，极大地限制了粉煤灰的应用范围和数量，是导致我国粉煤灰利用率偏低的重要原因。因此，为实现能源节约和减少粉煤灰对环境的污染，开拓粉煤灰综合利用的新途径，通过对粉煤灰资源化特性及高等级公路路面的修复工程应用技术进行了研究，揭示出粉煤灰中的不同成分和形貌对其资源化特性的影响规律，完成了粉煤灰脱炭及脱炭粉煤灰混凝土配合比等方面的小型试验研究。曾有人在豫 03 号高等级公路路面修复工程中应用脱炭粉煤灰完成了试验路的修筑工作，实际道路运营和
4、技术性能检测结果表明，该技术符合路面修复工程的要求，具2有显著的社会效益、经济效益和环境效益。粉煤灰是燃煤颗粒中所含矿物质经历了一系列变化而形成的。这些矿物质主要是硅酸盐矿物(粘土、岩盐、长石等)和石英，经高温晶格(除少量石英外)受到破坏而熔融，在表面张力和外部压力作用下变成液滴，逸出锅炉后急骤降lm凝固成硅酸盐玻璃态微珠(漂珠、磁珠、沉珠等)。这些微珠混合物夹杂少量单体碳和石英，由烟囱排出形成粉煤灰。粉煤灰的主要化学成分是二氧化硅和氧化铝硅酸盐，还含有少见的 FeZ03. CaO. MgO 和未燃尽碳。有些粉煤灰还可能富集了锗、稼、铀、镍、铂等稀有元素。表 1 是我国粉煤灰化学成分变化范围和
5、国外几个地区典型粉煤灰的化学成分。粉煤灰外观类似水泥，它的成分和细度都将影响其颜色，从乳白色到灰黑色。粉煤灰呈多孔性蜂窝状组织，比表面积较大，一般在 2 500 5 000 cm2/g，因此具有较高的吸附活性。粉煤灰的颗粒大小为 0.5 -300 u m。由于煤种、燃烧方式、锅炉构造和收集方式的不同，粉煤灰的粒径、比表面积和化学成分也随之变化。粉煤灰的这些理化特性决定了它可以在许多领域得到利用。粉煤灰是燃煤过程中产生的一种固体废弃物，随着能源需求量的增加，粉煤灰的产生里也与日俱增近几年来我国电力系统年耗煤约:3.05 亿吨，年排粉煤灰和渣达 8600 万吨，绝大多数灰渣堆积于灰场，估计到 20
6、08 年，贮灰场的占地面积将大幅度提高。这不仅严重污染环境，也耗费了大量的上地资源。因此长期以来粉煤灰的综合利用成为环境保护领域的一个重要课题。在发达国家粉煤灰资源化程度已很高。英国粉煤灰利用率为 46.2%,德国为 65% ，法国 75%.口本已达 100%。美国很早就把粉煤灰与其他矿产并列为主要的矿物资源，并着手从中提取各种金属。我国粉煤灰的利用率相对较低，亦已取得了可喜的成绩。根据文献调研，结合粉煤灰综合利用的现状，如今粉煤灰综合利用的途径很多，其中生产新型建筑材料是最有效的途径之一。而用于生产轻型砼的粉煤灰陶粒吃灰量最大，应用范围广泛，可以用来制造轻质高强的砼，用于对自重有一定限制的工
7、程结构及建筑工程中。如公路桥桥面，高层建筑楼面、墙板、屋面等。也可用于石材缺乏的平原地区，作为配制砼的骨料等等。粉煤灰陶粒制品及其空心砌块具有容重轻、保温隔热效果好、施工方便、抹灰无空鼓、不脱落等优点，使其经济和社会效益较为显著。随着墙体改3革的需要，其利用量也越来越大。 在本文中，我着重讨论的是粉煤灰陶粒的生产技术及其应用发展方向。受到胡光教授的大力支持和帮助，在此表示深深的谢意。由于时间仓促，及本人水平有限，难免出现错误和许多不足之处诚望有关专家学者给予批评指正。4第一部分 粉煤灰特性一、化学特性燃料煤由有机物及无机物组成，有机物燃烧后生成碳、氢、氧，无机物燃烧后即生成粉煤灰的化学成分与煤
8、种、产地、燃烧炉型等有关。我国低钙灰的成分比较接近，其化学组成由表 1 可见，粉煤灰的主要成分为氧化硅、氧化铝及氧化铁，其总量约占粉煤灰的 85%左右。低钙煤中氧化钙含量较低，基本无自硬性。但是，目前我国高钙灰的排放量有明显增长的趋势，而高钙灰含有一定的自硬性矿物，有利于增进粉煤灰的强度贡献。另外，近年来随着锅炉容量的不断提高，炉内煤粉燃烧趋于完全，代表影响材料长期稳定性的烧失量也逐渐降低，因此可以说，经过高温燃烧后的粉煤灰是相当纯净的建材原料。相关人员通过对发电厂的粉煤灰进行的化学成分分析（表 1）表明，粉煤灰中硅的含量最高，其次是铝，以复杂的复盐形式存在，酸溶性较差。铁含量相对较低，以氧化
9、物形式存在，酸溶性好。此外还有未燃尽的炭粒 、CaO 和少量的MgO、Na2O、K2O、SO3 等。表 1 粉煤灰的化学组成二、物理特性煤粉在锅炉中燃烧时，其无机物经历了分解、烧结、熔融及冷却等过程，冷却后的粉煤灰颗粒主要由硅铝玻璃体和少量碳粒组成，玻璃体又以单珠、连珠体和海绵状不规则多孔体组成。粉煤灰的品质主要取决于这些粒径、形貌不一的各种颗粒成分的组合比例。其中，粉煤灰的活化能力主要靠硅铝玻璃体，5而在常温下硅铝玻璃体以多聚物组成为主，活化能力较低。因此，常温下粉煤灰是一种性质稳定的材料。粉煤灰的密度、堆积容量和细度见表 20表 2 粉煤灰的密度、堆积容量和细度三、粉煤灰的放射性和浸出物毒
10、性在人类日常的生活环境中，到处都存在着微量天然的放射性物质，主要为238u ,232T h2 2sR a 和 40K 等 4 种放射性元素，只要其含量不超过一定的标准，对人类健康就不会带来负面影响。GB6763-86 中规定，建筑材料用工业废渣中放射性物质的含量应满足下列要求:AR /3 30 + A T, /2 60+A,/3800 镇 1 (1 )A, / 20 0 镇 1 (2 )根据杨钦元4等测得的粉煤灰天然放射性元素的比活度，按上述两个公式23计算的结果分别为 0. 93 和 0.73，均未超出国家标准，说明粉煤灰产品的放射性对人体是安全的。粉煤 灰 中 除了主要元素外，尚有一定量的
11、砷、铬、铅、汞、铜、锌、镍等对人体健康可能产生不利的微量元素。这些微量元素对环境的影响主要通过浸出物的毒性完成。据粉煤灰方面专家的研究结果证明，粉煤灰中有害元素在水体中的浸出极微，基本不会影响环境水质，浸出后的水质尚符合国家地表水水质二级标准。四、其它特性(1) 形态效应 泛指粉煤灰颗粒形貌、粗细、表面粗糙度、级配、内外结构等几何特征及色度、密度等特征在混凝土中产生的效应。粉煤灰的形态效应可以在混凝土材料中起到减水、引水、保水、释水、润滑、减阻、解絮、塑化、增浆、浓化、粘聚、增密、减气、堵孔、调凝、促硬等作用。(2) 活性效应 指低钙粉煤灰的玻璃体中活性氧化钙、氧化铝与氢氧化钙发6生化学反应，
12、生成胶凝性的水化铝硅酸钙，和高钙粉煤灰的自硬胶凝性的性能。(3) 微集料效应 指粉煤灰的微细颗粒均匀分布于水泥浆体的基相中，就象微细的集料，能够增强混凝土的强度。粉煤灰微集料在混凝土中的效应比未水化的水泥颗粒的微集料效应还略胜一筹。第二部分、 粉煤灰的综合利用国外早在 19 世纪 20 年代就开始粉煤灰综合利用的工作。目前在一些工业发达国家中，利用粉煤灰生产建材已逐步形成产业化，如法国生产的粉煤灰水泥已占其水泥总量的 60%以上，英国的粉煤灰陶粒已居各种人造骨料产量首位，美国、德国、日本等也都把粉煤灰再利用作为一项国策，除了对现有的利用途径深人研究外，还力图开发一些新途径，以进一步提高粉煤灰利
13、用率。我国建筑行业对粉煤灰的利用研究，早在 20 世纪 50 年代就已开始，经过几十年的实践，摸索出不少经验，现已成为粉煤灰的利用大户。正在建设中的三峡工程预计用粉煤灰量达 133. 8 万吨，在修建沪宁、京深及京冀等高等级公路时也大量使用了粉煤灰。一、为什么提出粉煤灰的综合利用粉煤灰的综合利用，是当前我国科技领域中很重要的命题。提出粉煤灰的综合利用，主要原因有以下几个方面：首先，粉煤灰的综合利用是建设节约型社会的需要。两年前“国办发200533 号”文件明确提出“加快发展以粉煤灰一等固体废物为原料的新型墙体材料，是提高资源利用率、改善环境、促进循环经济发展的重要途径”，由此可见国家对粉煤灰利
14、用的重视。建设节约型社会，就是让各种资源充分利用起来，这是我们的经济增长方式从粗放型走向可持续发展新模式的唯一途径，它将引领我们的经济社会发展向人与自然环境和谐相处的方式转变。建设节约型社会的核心就是促进资源的高效利用和综合利用，最大限度提高资源的产出效益，做到能量的梯级利用。实现粉煤灰的综合利用，是加快建设节约型社会的需求，是推进循环经济发展，是科学发展观的7选择。我们要按照中央的要求和部署，运用多种手段，采取更有效措施，把粉煤灰充分利用起来，让它在我们的社会生活中发挥应有的作用。其次，粉煤灰综合利用是国家产业政策的需要。为更好的让粉煤灰得到充分利用，多年来国家给予许多产业优惠政策。再次，粉
15、煤灰综合利用是其自身存在的需要。主要表现两个方面:一是占地面积大。资料表明，现阶段我国粉煤灰年排渣量达 2 亿多吨，累计堆存量将达 25 亿多吨，占地面积将近 3 万 hm2。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量将逐年增加，占地面积必然随之加大，所以粉煤灰消化吸收问题已摆在我们面前;二是污染环境。我国电厂所产生的这些粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染空气;若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。因此粉煤灰的处理和综合利用已成为全球广泛关注的问题。二、怎样搞好粉煤灰的综合利用随着社会的发展，人们对粉煤灰已有比较深人的了解和认识。使粉煤灰具有其他火山灰质材料所
16、没有的优异特性，能改善拌和物的和易性，易于运输，活性得以充分发挥。由于粉煤灰具有这些特性，我国主要将其利用到生产建筑材料、筑路和回填等领域。粉煤灰建筑材料与传统的建筑材料比有许多优点。如粉煤灰加混凝土，其比重只有 500kg/m3，是粘土砖比重的 1/3;导热率为0.11-0.13W/(m “ K)，为粘土砖导热律的 1/5，具有轻质、绝热、耐火等优良性能。粉煤灰烧结砖比普通粘土砖轻 20%，导热系数只有粘土砖的 70%，粉煤灰陶粒性能优于天然轻骨料，用其配制的混凝土具有保温、隔热、抗冲击等优良性能，在高层建筑、大跨度构件和耐热混凝土中应用广泛。粉煤灰硅酸盐水泥干缩性小，水化热低，抗裂性、和易
17、性与可泵性好，适用于大坝工程及泵送混凝土施工。目前我国粉煤灰综合利用技术有 200 余项，主要有以下几类:(1)生产粉煤灰烧结砖。这种砖粉煤灰掺量在 30%-70%之间，其特点是体积轻、强度高、导热系数小、砌筑效率快。多年实践证明，粉煤灰烧结砖的粉煤灰中二氧化硅的含量不能高于 70%，超过这个标准，混合料的可塑性大大降低，制品的抗折强度和抗压强度也随之降低;三氧化二铝的含量以 20%为宜，低于 10%时，制品强度低，高于 25%时，制品强度虽然提高，但烧成温度也需提高，增加产8品成本;三氧化二铁含量以 8%为宜，含量过高，将缩小混合料烧成温度范围，给焙烧工序造成困难;氧化镁和硫化物含量越低越好
18、，氧化镁含量不超过 3%，硫化物的含量要低于 1%。(2)生产粉煤灰蒸养砖。粉煤灰的特点是在湿热条件下，能与石灰、石膏等胶凝材料反应，生成具有一定强度的水化产物。高压养护的特点是粉煤灰砖强度高，但对粉煤灰也提出两点要求:一是含碳量要低;二是活性要高。(3)生产粉煤灰硅酸盐砌块。生产粉煤灰硅酸盐砌块对粉煤灰的质量要求是烧失量不大于巧%，胶凝材料中要有足够的氧化钙，水灰比不大于 0.55。产品比重为 1800kg/m3，抗压强度可达 1-15MPa，特点是产品收缩值偏大，碳化系数低，抗冻性较差。(4)生产加气混凝土。粉煤灰掺量一般可达 70%，主要用于框架结构填充，其质量已达到 JG315 标准。
19、如生产粉煤灰加气混凝土板材，还需钢筋网片作为支架，浇注成统一整体。粉煤灰加气混凝土的性能和其他品种加气混凝土基本相同，使用范围也相同。(5)代替粘土作生产水泥的原料。从化学结构上看，粉煤灰的成分与粘土相似，实践证明，粉煤灰完全可以代替粘土生产水泥，同时还可利用其残余碳，在媛烧水泥熟料时节约燃料。其生产工艺和生产设备与生产普通硅酸盐水泥一样，无特殊技术要求。(6)粉煤灰在砂浆中可部分代替水泥。在砌筑和抹灰施工中，粉煤灰加上一定比例的添加剂(俗称掺合料)，可改变混凝土的和易性和可泵性，有利于增加混凝土后期强度，提高混凝土抗渗性，改善混凝土耐腐蚀性，降低混凝土因水化引起的温差裂缝。同时还可提高工程质
20、量，节省水泥，降低混凝土成本，节约资源，保护环境。(7)粉煤灰用于筑路和回填。用粉煤灰筑路既可以增加路面强度，又是投资少、见效快、大量使用粉煤灰的好办法。资料表明，用粉煤灰筑路，道路使用年限多，维护少，可节省维护费用 50%左右。用粉煤灰进行单一煤层长壁式边采煤边填充探索性试验在我国获得成功，为电厂粉煤灰寻找地下灰场和在建筑9物下直接采煤，防止平原地表塌陷，开辟了广阔前景。三、 粉煤灰综合利用的发展方向粉煤灰的综合利用在我国已研究多年，目前，我国粉煤灰综合利用技术政策总的原则是:把大批量用灰技术作为重点，把提高粉煤灰综合利用经济效益、社会效益有机结合作为主攻方向;巩固已有的技术成果，逐步完善比
21、较成熟的利用技术，大力推广成熟的粉煤灰综合利用技术，积极采用国际先进技术和设备，不断提高我国的粉煤灰利用技术水平。总的看来，粉煤灰用于砌筑、回填技术成熟，工艺简单，而且吃灰量大，属于大力推广应用技术;粉煤灰高强混凝土仍是需要完善发展的技术;粉煤灰空心烧结砖、粉煤灰混凝土空心小砌块等建筑制品方面应用技术是今后的发展热点，也有必要在工业化生产中继续探索，完善其工艺技术参数。今后我国重点开发研究的技术课题在以下几个方面:(1)加大对节能建筑研究力度近年来，全国城镇以上年新建住宅面积达 3 亿多平方米。如果节能达 50%以上住宅墙体全部采用粉煤灰产品，加上公路建设、矿井回填等，那么，全国电厂大量粉煤灰
22、将会被消化。当前国内电力紧张，有人主张多建电厂，专家认为建电厂是表，搞节能建筑才是本。由此可见，保护环境，减少污染，搞好粉煤灰综合利用，加大节能建筑力度，才是消化粉煤灰的最有效途径。(2)加速粉煤灰在混凝土中的优效应技术继续开展粉煤灰应用混凝土工程的机理研究。引用目前国际上正在发展的“高标号水泥+大掺量粉煤灰+高效减水剂”的方法。积极开展高钙粉煤灰中氧化钙的控制研究，发展高钙粉煤灰作为混凝土掺和料的应用技术。(3)研究粉煤灰硅铝铁合金冶炼技术此技术是在高温条件下用碳将粉煤灰中的二氧化硅,三氧化二铝,三氧化二铁等氧化物的氧脱去，除去杂质制成硅、铝、铁三元合金或硅、铝、铁、钡四元合金，作为热法炼镁
23、的还原剂和炼钢的脱氢剂，这样粉煤灰利用率高、成本低、市场大，可明显提高金属镁的纯度和钢的质量。(4)推广粉煤灰在塑料、橡胶等方面的应用粉煤灰主要是作添加剂来使用，10并可以不断扩大粉煤灰的高值利用领域。如果从粉煤灰中提取微珠、碳、铁、铝，洗煤重介质，冶炼三元合金，高强轻质耐火砖和耐火泥浆，作为塑料、橡胶等的填充料，制作保温材料和涂料等。(5)粉煤灰高新技术的研究这里主要是指:粉煤灰复合高温陶瓷涂层技术;粉煤灰微珠复合材料技术;粉煤灰微珠细末分离技术。这些技术在当今世界粉煤灰领域具有非常重要研究价值。(6)深入开展粉煤灰综合利用专用设备开发和完善粉煤灰管理体系研究开展自动化程度的粉煤灰利用专用设
24、备研究，提高我国粉煤灰利用技术装备水平。开展粉煤灰综合利用工程技术经济性和系统性理论研究，制订合理的粉煤灰综合利用的产品标准、技术规程、质量管理体系和评价体系。(7)粉煤灰陶粒技术研究粉煤灰陶粒技术在我国已进行多年研究，但一直未实现工业化生产，尤其是全粉煤灰砂型烧结陶粒在国内是空白。发展粉煤灰陶粒用于生产轻质混凝土符合建筑行业的发展方向，也是粉煤灰应用技术的前沿课题。（8）粉煤灰混凝土粉煤灰混凝土制作的工艺流程与普通混凝土基本相同，只在搅拌前掺人粉煤灰。掺有粉煤灰的混凝土，能有效改善普通混凝土的性能，并降低水泥、砂子的用量。粉煤 灰 混 凝土应用面极广，在土木工程、水利工程、建筑工程等方面都可
25、广泛使用。我国上海等城市建设的混凝土工程，如地铁、隧道、污水管道、排水管道、大型基础、地道式立交桥、市郊水利工程等均采用了粉煤灰混凝土。多年的应用实践证明，粉煤灰混凝土在以下方面的应用更能充分显示其优越性:1)大体积混凝土，如建造水坝、油井平台、大型基础等;2)泵送混凝土;3)预拌混凝土;4)振动碾压混凝土。另外，粉煤灰还可生产加气混凝土，即以粉煤灰为基本原料，配以生石灰、水泥、石膏及铝粉等添加剂制成的一种轻质建材。加气混凝土中，粉煤灰的掺量可达 70%，值得推广应用。（9） 生产水泥和砂浆粉煤灰生产水泥即将粉煤灰、水泥熟料和其它材料等磨细并掺和而形成的11水泥产品。包括用粉煤灰代替粘土配料做
26、原料和做混合材。粉煤灰的成分与粘土相似，可以替代粘土配料生产水泥，还可利用其残余碳，在锻烧水泥熟料时节约燃料。做混合材时根据粉煤灰掺量不同分为普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥二种。普通硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥熟料、粉煤灰和适量石膏磨细而成的产品;矿渣硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥熟料、粉煤灰和矿渣共同磨细而成的产品。用粉 煤 灰 生产水泥可以达到改善混凝土性能和节约水泥的目的。每立方米混凝土可用灰 50-100 kg,节约水泥 50-100 kg。掺粉煤灰的水泥凝结较缓慢，和易性好，可泵性好，有利于长距离运输和泵送施工。但要求粉煤灰有较高的质量，如细度大、活性高、含碳量低等。粉煤 灰 做 砂浆材料即以
27、粉煤灰代替部分水泥、石灰或砂而制成的砂浆。砂浆在建筑工程中用量很大，而用于砂浆中的粉煤灰质量要求不高，粗灰、细灰均可应用，因此，可利用大量粉煤灰。（10） 筑路和回填用粉 煤 灰 、石灰和碎石按一定比例混合搅拌可制作路面基层材料。粉煤灰掺量最高可达 70 %，而且对粉煤灰的质量要求不高。粉煤 灰 代 替粘土筑路堤有全灰和间隔灰两类，施工步骤与粘土路堤相同。另外，工程回填、围海造田和矿井回填等都可大量使用粉煤灰，对环境和水质也不会造成危害。因此，筑路和回填也可利用大量粉煤灰。第三部分 粉煤灰在生产陶粒方面的应用粉煤灰综合利用的途径很多，其中生产新型建筑材料是最有效的途径之一。而用于生产轻型砼的粉
28、煤灰陶粒吃灰量最大，应用范围广泛，可以用来制造轻质高强的砼，用于对自重有一定限制的工程结构及建筑工程中。如公路桥桥面，高层建筑楼面、墙板、屋面等。也可用于石材缺乏的平原地区，作为配制砼的骨料等等。粉煤灰陶粒制品及其空心砌块具有容重轻、保温隔热效果好、施工方便、抹灰无空鼓、不脱落等优点，使其经济和社会效益较为显著。随着墙体改革的需要，其利用量也越来越大。（一） 粉煤灰陶粒的生产技术1 烧结粉煤灰陶粒12烧结粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主要原材料，掺加少量粘结剂(粘土、页岩、煤矸石、固化剂等)和固体燃料(如粉煤)，经混合、成球、高温焙烧(12001300)而制得的一种性能较好的人造轻骨料。其用灰量大，还
29、可以充分利用粉煤灰中的热值。当使用的粘土塑性指数在 15%20%左右时，粉煤灰约85%90%。生产工艺一般由原料的磨细处理、混合料加水成球、焙烧等工序制成，其工艺流程相对比较复杂。烧结通常采用烧结机、回转窑或立波尔窑。以烧结机烧结技术较好，因为其对原料的适用范围大、生产操作方便、产量高、质量较好、工艺技术成熟。用烧结机生产的粉煤灰陶粒容重一般为 650kg/m3，可以配制 300 号砼。含铁比较高的矿物及固体废弃物皆可以作为陶粒生产中的复合助熔剂。经焙烧好的陶粒经破碎筛分级后，将粒径 0.2mm 的尘粒回收到原材料中重新进行成球烧结，对于提高陶粒的烧结质量和处理自身废弃物是一项必要的措施，也是
30、晶坯技术在陶粒生产工艺中的具体应用。2 蒸养粉煤灰陶粒蒸养粉煤灰陶粒是以电厂干排粉煤灰为主要原料，掺入适量的激发剂(石灰、石膏、水泥等)，经加工、制球、蒸汽养护而成的球形颗粒产品。与烧结粉煤灰陶粒相比，不用烧结，工艺简单，能源消耗少，成本低 ，而且可以解决烧结粉煤灰陶粒散粒的问题，因而具有较强的竞争能力和社会效益。蒸养粉煤灰陶粒的工艺流程如下图所示：粉煤灰固化剂混磨 搅拌 成球蒸汽养护自然养护出 厂粉煤灰粘土煤成球破碎筛分焙烧球磨 混合烘干烘干球磨成品13蒸养、双免护粉煤灰陶粒生产工艺流程新制成的陶粒外面裹有一层松散的粉煤灰，避免其在运输和养护过程中发生凝聚。其养护比较简单，通过控制养护条件可
31、以控制陶粒内发生的火山灰反应，以使陶粒硬化。养护条件一般控制在温度 8090，相对 湿度 100%，常压。为解决蒸养粉煤灰陶粒密度高(800850kg/m 3)的问题，有研究表明 9 ，分别掺加泡沫剂、铝粉或轻质掺和骨料到粉煤灰及胶结料中，经搅拌、制成多孔芯材，再成球而得陶粒坯体，养护后得陶粒，其自然状态下含水的堆积密度为 780 kg/m3左右，绝干状态下堆积密度为 650720 kg/m3，筒压强度及吸水率都能达标。3 双免粉煤灰陶粒 以粉煤灰为主，掺入固化剂、成球剂和水，以强制搅拌、震压成型，自然养护而成。相对于前两种而言，明显具有能耗低、工艺简单、成本低等优点。其主要原理是利用激发剂来
32、激发粉煤灰的活性，使粉煤灰受激发后，形成类似水泥水化产物的水化硅酸钙和钙矾石，即依靠水化产物来获得。粉煤灰陶粒的新品种当前，我国的砼技术正向轻质、高强、高性能的方向发展，轻集料及其砼的发展也不例外。近来，上海、宜昌等地轻质高强陶粒的出现正标志着这种发展趋势。轻集料砼是一种轻质、高强、节能的轻质砼，其中密度小、保温性能好的陶粒砼小型空心砌块得到迅速发展，成为取代普通粘土砖的最有发展前途的新型墙体材料。随着轻集料砼的发展，粉煤灰陶粒的生产技术也不断地向前发展，又出现了以下的新品种。4 粉煤灰包壳免烧轻质陶粒为克服传统工艺生产的陶粒存在能耗高、强度低等缺点，选择利用粒径 1-2mm 的膨胀珍珠岩粉作
33、陶粒的核，以干排粉煤灰、水泥和外加剂为壳对核进行包裹，形成一种壳核结构的粉煤灰免烧轻质陶粒。该产品具有能耗低、容重14小、强度高、吸水率小、保温性能好、生产工艺简单等特点，可取代烧结或非烧结粉煤灰陶粒，广泛用在新型节能保温建材等方面，以便大大降低墙体自重，大幅提高墙体的保温性能，减少建筑物的能耗。在生产中，粉磨是重要环节，可以使原料均化，并降低细度，从而增加反应活性。其次，养护环节也很重要，最好用蒸养，以提高产品质量，缩短生产周期。该陶粒材料来源广，成本低，生产工艺简单，适于推广。粉煤灰中含碳量越高、pH 值越低、就易碳化，使表面起砂、强度降低，影响陶粒及砼质量。为改善陶粒性能，有关专家根据壳
34、体原理，提出陶粒表面包一层水泥薄壳的技术设想。即以粉煤灰为主，加入激发剂、活化剂，采用内裹外包新工艺，连续成球，自然养护而成的一种吃灰量最大的轻骨料。在成球区陶粒出成球盘的瞬间，利用陶粒表面的水膜，均匀地洒上碱性较高的水泥粉，使流动的陶粒表面包上一层水泥壳。经保潮养护，水泥迅速水化、硬化，形成密实、坚硬的薄壳，可大大提高陶粒表面的碱度、密实度，以及抗碳化、耐磨损、抗冻融等耐久性能。5 全粉煤灰陶粒首钢设计研究院于 1983 年开始对全粉煤灰陶粒进行研究试制，用羧甲基纤维为粘结剂，取代传统粉煤灰陶粒生产所用的粘土，进行了全粉煤灰陶粒的半工业试验研究，效果良好。采用高温快速烧结、快速冷却，使陶粒球
35、外表烧结而内部又未充分燃烧致密，或增加可燃物质碳，使陶粒气孔率增加且燃烧均匀。生产全粉煤灰陶粒要有良好的粉煤灰原料，最好有成分和细度均适宜的干粉煤灰固定来源。湿粉煤灰和粗灰应进行脱水和烘干处理，磨细或在使用中掺加细粉煤灰。应控制粉煤灰中的 Fe2O3和 SO3，前者含量应控制在 10%以下，后者含量按标准要求越低越好。（二）粉煤灰陶粒的应用及发展方向粉煤灰固化剂混磨 搅拌蒸汽养护出厂自然养护151 粉煤灰陶粒的应用概况 17自 1958 年以来，我国陶粒的应用范围越来越广。据调查，95%用于建筑工程，使用多集中在大中城市，且北方广于南方。2 房屋建筑工程 我国生产的粉煤灰陶粒，在北京、上海、天
36、津、东北等地较广泛地应用于高层建筑构件的保温和结构保温材料。3 桥梁、船舶建造用粉煤灰陶粒配制的轻骨料砼可以用于浇制桥梁上部结构、桥面板以及船用活动地板，比普通砼自重减轻 47%，从而提高了桥梁、船舶的多项技术性能指标。4 保湿隔热、耐火材料采用陶粒砼制品代替其他耐火材料，其性能好、节能效果好，被广泛用于冶金、建筑、炼油等部门的窑、炉等热工装置方面。5 过滤材料 利用破碎型轻质陶砂的开口孔隙发育和高吸附比表面的特点，在滤水工程中使用效果颇佳。陶粒有吸水不吸油的特点，我国各大油田使用它可以除去重油中的水分。6 吸声材料 利用陶粒制作的微孔吸声砖，用于控制交响回荡时间，效果甚好。7 农业方面 可作
37、无土栽培的介质或作土壤的调节剂。8 粉煤灰陶粒的发展方向 17，189 合理调整产业结构，发展高强陶粒。根据轻骨料的特点，提高陶粒砼的配制技术，切实解决其“高不成、低不就”的质量状态和售价过高等制约发展16的因素。10 建立一套完整的质量保证体系，确保工程质量，为在软土地区、抗震设防区和碱集料多发区大量推广应用作必要的技术准备。表 1 生产粉煤灰陶粒对粉煤灰的质量要求项目 质量要求 备注含碳量1.10%2.含量稳定当含碳量超过陶粒配合比中对碳的需求量时，焙烧时会产生过烧细 度4900 孔/cm 2筛过筛含量3 9001050 1420 232双免粉煤灰陶粒 5.57.0 650750 21 5
38、20包壳粉煤灰陶粒 3.5 610700超轻粉煤灰陶粒 1.0 200500 22表 3 技术经济指标种类成本(元/m3)售价(元/m3)设备投资(万元)10 万 t 生产线的纯利润(万元/a)吃灰量(万t)烧结粉煤灰陶粒8085 1054050100 6双免粉煤灰陶粒 35 55 30 180 71811 轻骨料是既具有火山灰活性，又无碱集料反应危害的优质集料。在进一步解决它的高强性能后，应注意防止片面向高强超强方向发展，还应着重研究轻骨料砼的长期性和耐久性，发展高性能轻质陶粒砼。（三） 粉煤灰陶粒的各种指标各种粉煤灰方面资料表明，无论是哪种粉煤灰陶粒，其中粉煤灰用量均在 80%以上。因此，
39、要生产出性能优良且成本较低的粉煤灰陶粒，对粉煤灰的质量要有一定的要求（见表 1）。各种粉煤灰陶粒的质量指标见表 2，其技术经济指标见表3。用粉煤灰陶粒制造双免粉煤灰小型空心砌块，进而用于砌筑 20 层框架高层建筑内外墙，可比粘土砖减轻自重 40%50%，减少基础造价 10%，节省砌筑用水泥 30%，降低建筑成本 30%40%。粉煤灰陶粒有多种生产工艺，应根据当地的情况来选择。同时，粉煤灰陶粒在环境、工程、能源、经济等方面具有较好的环境效益 19 。因此，在采用新工艺、新技术、新设备及当前环境问题十分严峻和发展绿色建材的趋势下，发展推广轻质高性能的粉煤灰陶粒和陶粒砼，是进一步提高砼的质量和提高其
40、绿色程度的必由之路。灰土或主要含粘土的混合物(长石、石英等)经成型、干燥、烧制而成的制品通称为陶瓷制品。粉煤灰陶质材料包括粉煤灰粘土烧结砖、粉煤灰陶粒、粉煤灰墙地砖等。其中，粉煤灰粘土烧结砖是以粉煤灰和粘土为原料，经搅拌、成型、干燥、烧制而成的砖，其粉煤灰掺量 30%70%。用于烧制粉煤灰烧结砖的粉煤灰，要求Si02 的含量不宜高于 70%，否则，混合料的塑性和抗折、抗压强度均会降低，另外，从强度和烧成温度范围考虑，A12q 含量宜为 150o-250o,Fe2 仇含量宜为 5%一10%,Mgo 和硫化物含量越小越好。粉煤灰陶粒是以粉煤灰为原料，加人一定量的胶19结料和水，经成球、烧结而成的轻
41、骨料。它是一种性能较好的人造轻骨料，用灰量大，还可充分利用粉煤灰中的热值，其粉煤灰掺量可达 80 0o。粉煤灰墙地砖的生产目前普遍采用半干压成法，一般粉煤灰掺量约在 30%一 50%，产品规格都比较小，大于 300 mmX 300 mm 的砖较少。用粉煤灰代替部分粘土生产陶质材料，不仅可以达到节能节土的目的，其制品性能也近似或优于纯粘土原料的产品，因此，有广泛的发展前景。第四部分、粉煤灰在农业方面的应用粉煤灰具有吸持水分的能力，其持水特性与紫砂土、砂壤土或轻壤土相近，与土壤水分相比，粉煤灰水分更易被植物利用。土壤 中 掺 入粉煤灰，可以改良土壤质地，使其容重、比重、孔隙度、通气性、渗透率、pH
42、 等理化性质得到改善，可起到增产效果。用粉煤灰改良粘性土、酸性土效果明显，每亩掺灰量在 1.5-3万 kg 左右，可使粮食作物增产 10002000。另外，为了减少灰场的二次扬尘，增加绿化面积，可在灰场上直接种植乔灌木，如柳树、荆条、刺槐、紫穗槐等。第五部分、 粉煤灰的精细利用粉煤灰是包含多种元素的重要资源，可以通过一定的化学或物理方法从中分选或提取出有用的物质。如:粉煤灰中漂珠的分选利用;粉煤灰中碳粒的分选利用;粉煤灰中富铁玻璃微珠的分选利用;粉煤灰中铝的提取等。漂珠 是 粉 煤灰中微态轻质、中空、表面光滑，能漂在灰水面上的珠状颗粒。从湿排灰中分选漂珠，可直接在灰场中人工捞取或用溢流法选取，
43、干排灰则可采用风选法选取漂珠。漂珠具有耐磨、耐高温、导热系数小、电绝缘性好、强度高、无毒无味的特征，可做多种产品如:漂珠保温、耐火制品;耐磨制品(刹车片等);塑料、橡胶制品填充料;建筑材料、涂料等。碳粒是粉煤灰中的未燃尽碳分，含量可用烧失量衡量，一般为 1%-30%不等。碳粒可做砖瓦厂的燃料、碳素制品的原料、冶金用料等，从湿排灰中分选碳粒可用浮选法，干排灰则可采用静电场法分选碳粒。从粉煤灰中分选富铁玻璃微珠，可以补充铁矿来源，改善我国铁矿储量低、品位低的状况，因此，分选价值较高。一般采用磁选法进行分选，选出的富铁玻璃微珠可作为炼铁原料和水泥原料。粉煤20灰还含有多种金属元素，可以用碱法、酸浸法
44、、酸碱联合法等提取铝、钒、稼等金属或金属氧化物。粉煤 灰 的 精细利用范围广、价值高，值得进一步深人开发研究。1 粉煤灰在路面修复工程中的资源化利用 1） 粉煤灰作为路面材料所存在的主要问题目前，国内外公认只有优质粉煤灰才可直接作为路面材料。作者经过试验研究发现粉煤灰应用受到限制的主要原因是由粉煤灰本身的物理化学特性所致。首先，在于多数粉煤灰中含碳量较大，普遍在 6%-15%之间。因为炭粒是煤粉在锅炉炉膛内的不完全燃烧所形成的，它不仅使煤粉的发热量减少，而且降低粉煤灰的品质。这类粉煤灰若不加处理即应用于路面工程将导致混凝土的需水量增加，密实度降低，孔隙率增大，还会明显地影响减水剂的掺量以及混凝
45、土外观的颜色和均匀性。炭粒往往又会在泌水过程中逐渐与浆体分离，上升到混凝土的表面，影响公路面层混凝土的质量。所以，含碳量高是造成粉煤灰品质低劣且难以推广利用的主要原因。其次，是多数粉煤灰中粗颗粒组分过多，80m方孔筛筛余一般在 1030%，不符合混凝土混合料对粉煤灰的基本要求。粉煤灰的矿物研究和形貌研究表明，粉煤灰中较粗颗粒主要由游离炭粒及炭粒、疏松多孔玻璃体的共生体组成。而粉煤灰的细度是影响其品质的又一重要指标，通过改善其细度可以明显提高粉煤灰的比重、比表面积，降低混凝土的含气量，进而明显提高粉煤灰的工作性、强度、耐久性、耐磨性。而应用分离技术将含碳的粗颗粒分离出去，可以明显提高粉煤灰的细度
46、，改善粉煤灰的品质，有利于粉煤灰混凝土早期强度的提高。第三，粉煤灰作为路面材料要求浇筑的粉煤灰混凝土具有较好的耐磨性和耐久性。由于多数粉煤灰中存在较多的游离炭粒及炭粒与松散玻璃体的共生物，而炭粒的强度低，吸水大，在粉煤灰混凝土中易形成强度低，含气量大，耐磨性差等病害。通过脱炭技术，可使粉煤灰中的绝大部分成分为玻璃微珠和颗粒较小、较密实、孔隙小的玻璃体，而这些成分具有强度高、耐磨性好、颗粒细等特点，有利于降低混凝土的含气量，提高混凝土的耐久性和耐磨性。212）粉煤灰混凝土配合比优化试验由于试验路段主要是在公路上进行水泥混凝土路面的修复工作，且在施工过程中不能中断交通，要求混凝土面板的 3 天强度
47、达到设计强度的 80%。因此，本文在配合比设计中采用在混凝土中同时掺加粉煤灰和高效早强减水剂的“双掺”技术，在置换水泥方面采用超量系数 K=1.1 的超量替代法，以期达到该工程的早强指标要求。粉煤灰混凝土混合料的拌制以基准混凝土混合料的坍落度和配合比为参照物，按等稠度的原则，进行了粉煤灰掺量为 10%，20%，30%的粉煤灰混凝土混合料的拌制及抗压强度、抗折强度的试件制备。将制备的各试件在标准条件下养护到一定龄期后，在万能试验机上对其进行抗压强度和抗折强度试验，试验结果如表 2 所示：同一掺量的粉煤灰混凝土随着龄期的增加，强度增长速度均比基准混凝土快；随着粉煤灰掺量的增加，混凝土单位用水量有所
48、减少，提高了混凝土的工作性和密实性，对其强度和耐久性有利；粉煤灰不同掺量的混凝土随龄期所形成的强度曲线有所不同。随着粉煤灰掺量的增加，混凝土早期强度有所下降。显然，粉煤灰掺量为 20%的混凝土试件的强度增长和基准混凝土的强度增长相关性较好，可将其配合比(粉煤灰：水泥：砂：碎石=0.22：0.8：2.1：4，水灰比 W/C=0.46)做为本次试验的最佳配合比。配合比 1:2.1:4 0.11:0.9:2.1:4 0.22:0.8:2.1:4 0.33:0.7:2.1:4 2、 粉煤灰混凝土路面的铺筑试验 作者在公路的路段修复中进行了粉煤灰混凝土试验路的铺筑工作。修复路段的范围为 K9+910 至
49、 K20+240，混凝土面板板厚 24cm。设计要求在施工完成 4天后开放交通，即混凝土板 3 天强度达到 C30 混凝土设计强度的 80%。试验路段分为掺粉煤灰路段和不掺粉煤灰路段两部分。路面的铺筑、质量检测按照国家工程标准进行，抗折强度的测试结果符合国家路面工程标准要求。工程竣工后，采用目前国际上通用的先进试验设备Dynatest 800 FWD 落锤式弯沉仪进行无破损检测，其测试结果符合国家路面工程标准要求。测试中的中央弯沉W1 基本反映了路面的综合强度，表明掺粉煤灰的路面强度与不掺粉煤灰的路面强度比较接近，相关性较好，符合国家路面工程标准要求。223 在建材和筑路领域的应用早在 50 年代，美国蒙大拿洲的俄马坝工程就大规模地使用粉煤灰，数量达 13万 t151，以取代当时供应紧缺的水泥，同时也降低了工程造价。实践表明，该大坝 r_程质量毫不逊色，所以世人把俄马坝工程称为粉煤灰应用史上的第一块里程碑。近儿年粉煤灰在道路工程方面的应用发展比较快，特别是应用于高速公路建设，我国正在修建的石安高速公路石家庄至安阳)将用掉 1 oo0 万 t 粉煤灰做为筑路材料，这在国内是首次，在国外也无先例 161。从目前
