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利用粉煤灰烧制陶粒的实验研究
曾天敏 杨桓（新疆建筑科学研究院，乌鲁木齐 830054）
摘要 利用哈密某电厂粉煤灰为主要原料，根据硅酸盐物理化学原理选择与
粉煤灰适应的各种物相成分，满足SiO2-Al2O3-Cao-Fe2O3等主要成分在高温下形成共熔物，达到利用该电厂粉煤灰烧制粉煤灰陶粒目的的研究。找出烧制粉煤灰陶粒的参数（烧成温度、烧成时间、温度带），各项性能技术指标满足GB2838.81要求的粉煤灰陶粒，并进行中试生产，配制轻质陶粒混凝土，为今后新疆地区粉煤灰陶粒的生产及利用提供实验依据。
关键词 粉煤灰陶粒； 参数； 实验依据
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0粉煤灰陶粒的历史和现状
烧结粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主要原料，掺加少量的粘结剂（黏土、页岩、塑化剂等）和固体燃料（煤粉、木屑等），经混合、成球、高温焙烧（1100~1300℃）而制得的一种性能较好的人造轻骨料。
我国也是利用粉煤灰生产陶粒最早的国家之一，技术成熟，并得到一定程度的推广，但我国的陶粒生产技术总体水平还处于落后地位，主要表现在以下几点： 1、生产能耗高，生产成本高，从而限制了粉煤灰陶粒技术的发展；
2、规模小，至今我国没有几家大型生产粉煤灰陶粒的企业，因而粉煤灰利用率很低； 3、粉煤灰陶粒的应用不完全配套，限制了粉煤灰陶粒的生产。
4、政策不配套，在本世纪初以前都是对天然集料的开采和利用无限制性法规，制约了粉煤灰利用技术的发展。
在新疆，大部分电厂仍然采用火力发电，每年产生大量的粉煤灰，由于没有得到充分利用，造成了大量的资源浪费，同时还污染了环境。目前新疆还没有利用粉煤灰烧制陶粒的生产厂家，大部分陶粒生产厂家还是以粘土或页岩为原料。大量的粉煤灰（除一部分用于水泥制品、加气混凝土、混凝土外加剂外）排放在露天灰场，造成环境污染和资源浪费，这些除政策和经济等原因外，主要是没得到很好的技术支持，因为利用粉煤灰烧制陶粒，原材料影响很大，必须根据当地的材料特点研究其烧成配方、工艺、设备等技术参数，才能应用于生产实际，并推广应用，使新疆的粉煤灰变废为宝，把污染源变为造福于人类的资源。
1 粉煤灰陶粒的烧成原理初步探讨
烧结粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主要原料，掺加少量的粘结剂（黏土、页岩、塑化剂等）和固体燃料（煤粉、木屑等），经混合、成球、高温焙烧（1100~1300℃）而制得的一种性能较好的人造轻骨料。它是一个物理化学相平衡和热力学化学反应过程。根据各原材料的化学组成，调配混合物内的各种矿物（SiO2、Al2O3、Cao、Fe2O3等）的含量，使之在一定温度下、一定时间内发生氧化—还原反应得到粉煤灰陶粒。在高温炉中，混合物首先在富铁区发生熔融，形成液相，当升高到一定温度（略低于陶粒烧成温度时），SiO2、Al2O3、Cao、Fe2O3形成液态熔融的硅酸盐化合物，内部发生氧化反应，生成气体，在陶粒内形成微小、密闭的气孔，使颗粒产生膨胀；颗粒表面发生还原反应，形成陶粒坚硬的外壳。在陶粒烧成温度上烧制一段时间（约5~15分钟），经过急冷处理后，陶粒烧制完成。
2实验部分
2.1 粉煤灰
1、细度，45μm筛筛余量小于45%，20μm筛筛余量小于85%； 2、粉煤灰中无块状物及杂草等；
3、化学成分，粉煤灰是生产粉煤灰陶粒的主要原料，约占含料总量的80%左右。对化学成分一般不受严格限制。下表是哈密某电厂粉煤灰的化学分析。（表一）
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表一 粉煤灰化学成分 成分 烧失量 二氧化硅 三氧化二铝 含量% 1.20 53.42 19.11 三氧化二铁 9.39 氧化钙 11.72 氧化镁 2.24 碱度 2.08
2.2 粘结剂
我国生产的粉煤灰陶粒大多采用粘土作为粘结剂，掺量随粘土的品种和质量及粉煤灰的细度有关。哈密电厂的粉煤灰自身成球性很差，为了便于粉煤灰成球，并能满足其焙烧要求，研究中加入了粘土，以改善混合料的塑性，提高生料的机械强度和热稳定性。在本次研究中，我们采用了当地的粘土。从实验结果可以看出（10~12#），在粉煤灰不变的情况下，随着粘土掺量增大，陶粒质量有所改观，考虑到本研究主要是利用粉煤灰烧制陶粒，因此，粘土掺量在适当范围即可。它的矿物组成主要是石英、高岭石。其化学分析见表2。表二 粘土化学成分 成分 烧失量 含量% 10.23 二氧化硅 三氧化二铝 三氧化二铁 氧化钙 氧化镁 三氧化硫 53.48 15.54 6.49 7.77 3.9 0.65 2.3 固体燃料
在本次实验中，选用的是无烟煤。无烟煤在实验中不但是起助燃作用，而且产生气体，在陶粒内部形成气孔，使陶粒膨胀，从而达到陶粒轻质的目的。实验表明（13#~17#），固体燃料掺量太少或太多时均达不到理想结果，不是烧不成就是出现过烧现象。本次所产地 新疆哈密煤矿 灰份% 22.07 挥发份% 10.76 固定碳% 67.17 用的无烟煤分析见表3。
表三固体燃料（无烟煤物化性能）
2.4 助熔剂
助熔剂作用主要是降低粉煤灰陶粒烧成温度，提高陶粒质量，从7#~9#实验可以看出，提高助熔剂掺量，烧成温度带缩小，烧成时间缩短，很不利于烧成控制。
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2.5 实验仪器与设备
SIC105型电热鼓风干燥箱：最高温度400℃，电压220V，频率50Hz; 高温箱式电炉2台：型号SSX-12-16，额定功率12KW； 球磨机：型号3S08，规格Φ500×500mm; 电子天平，小型回转窑等；
2.6 实验工艺流程及要点
实验工艺流程如下：粘土、无烟煤破碎→粘土、无烟煤、粉煤灰磨细→称量→拌匀→加水拌和→陈化→成球→烘干→烧成→成品。 实验工艺要点： 1、各种原料在磨细后按配料比先进行粗拌，再用细度为150~200目的筛子进行筛分，确保筛余量小于1%，目的就是将料充分混合均匀。如果没有拌匀，烧成的陶粒会出现陶粒外壳厚薄不均，陶粒内部气孔分布不匀的现象；
2、称量，称量在粉煤灰烧制成功与否起很大作用，因此，称量一定要准确。 3、成球，加入造孔剂混合成球，球的大小在Φ5~25mm之间；
4、烧成时要求升温速度快，特别是物料出现液相时，要求升温更快，这样，可以有效的使陶粒多孔化，烧成温度在1140~1165℃之间。
2.7 实验配方的确定
本次研究中，由于缺乏先进的实验设备，如差热分析仪、X衍射仪等，只能通过烧
成的陶粒进行表观和力学上的性能进行分析。根据各种原材料的化学成分，并在以往的经验基础上，进行了大量的试烧实验，在试烧实验的基础上，分析各物料的搭配情况，确定烧成温度和烧成时间。现摘录一部分有代表性的配方进行分析，将混好的配料成球后放入鼓风干燥箱，升温至100℃左右烘干2~4小时，目的是脱去物料中的附着水，防止煅烧时炸裂或出现裂纹，把经烘干后的料球移入温度为350℃左右的高温电炉中预烧5分钟左右，然后迅速移入高温电炉中胀烧6~12min，然后取出让其自然冷却，结果见表4。
表四 烧结温度和烧结时间实验结果
预烧预热样品 温时间 度℃ min 烧结温度℃ 1120~1140 1# 350 5 1140~1160 1160~1180 1120~1140 2# 350 5 1140~1160 10 发泡很小，气泡较少 烧结时间 min 12 10 10 12 样品观测结果 表面呈黄色，无气孔 表面呈黑黄色，无气孔 气体外溢至外壳，中间实心，过烧 表面呈黄色，无气孔 4