粉煤灰陶粒的研究進展

柴春鏡，宋慧平，馮政君，張金才，程芳琴

(山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所 國家環(huán)境保護煤炭廢棄物資源化高效利用技術(shù)重點實驗室，山西 太原 030006)

0 引 言

粉煤灰是從煤燃燒后煙氣中收捕的細灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。大量粉煤灰堆存，不僅造成土地資源浪費，還會污染大氣、水體和土壤等。我國粉煤灰主要用于混凝土的摻合料、充填材料等，綜合利用技術(shù)和層次較低，產(chǎn)品附加值低[1]。目前，粉煤灰高附加值利用的研究主要集中在處理污水、廢氣，提取氧化鋁、氧化硅及稀有金屬，合成陶瓷材料和沸石分子篩等方面[2]。利用粉煤灰制備陶粒是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、開辟粉煤灰綜合利用方式的有效途徑[3-4]。

粉煤灰陶粒的制備方法主要有2種，即焙燒法和免燒法。以粉煤灰為主要原料，加入少量外加劑(如激發(fā)劑、黏結(jié)劑、成孔劑等)，經(jīng)混合、成球，通過焙燒或自然養(yǎng)護(或蒸汽養(yǎng)護、蒸壓養(yǎng)護等)而成[5-6]。根據(jù)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不同，粉煤灰焙燒陶粒又可分為燒結(jié)陶粒和燒脹陶粒。燒結(jié)陶粒在焙燒過程中不發(fā)生較大的體積膨脹，內(nèi)部只有少量連通或開放性的氣孔。燒脹陶粒會發(fā)生較大的體積膨脹，內(nèi)部有大量的封閉氣孔，因此具有更優(yōu)異的保溫性能和更低的堆積密度。粉煤灰焙燒陶粒因其質(zhì)輕、高強、保溫、隔熱、耐火性好、抗震性能好、吸水率低、抗凍性能和耐久性能好等優(yōu)異性能而被廣泛用于建筑輕骨料、園藝種植、水力壓裂支撐劑、建筑回填、生物濾料和墻體材料等[7-8]。目前，我國的粉煤灰陶粒以焙燒型為主。焙燒陶粒具有技術(shù)成熟、產(chǎn)品強度高等優(yōu)勢，但存在能耗高、投資大、工藝復(fù)雜等缺點。鑒于此，眾多學(xué)者開始了免燒陶粒工藝的探索。目前，粉煤灰免燒陶粒的研究仍處于研制階段，還未推廣使用，其克服了焙燒法制備陶粒成本高、污染大等缺點，未來可應(yīng)用于對筒壓強度要求偏低、堆積密度要求偏高的場合[5]。

本文分別對焙燒法和免燒法制備粉煤灰陶粒的可行性進行分析，同時對國內(nèi)外不同學(xué)者的研究成果進行對比分析，并對粉煤灰陶粒的發(fā)展趨勢進行展望，以期為粉煤灰陶粒的研究提供參考。

1 粉煤灰制備陶粒的可行性

早期的陶粒是由黏土燒制而成。黏土的主要成分是偏鋁硅酸鹽，是一類層狀硅酸鹽，層片由硅氧四面體和鋁氧八面體組成。我國部分粉煤灰的礦物組成情況[9]見表1。粉煤灰礦物組成主要為非晶體礦物玻璃體。晶體礦物包括石英、莫來石、赤鐵礦、磁鐵礦等，其中，石英為主要結(jié)晶相，而莫來石的形成與原煤中硅鋁礦物(如高嶺石)的熱分解有關(guān)。

表1 我國部分粉煤灰的礦物組成[9]

粉煤灰的活性主要來自玻璃體。玻璃體含量越高，粉煤灰活性越高。

為評價粉煤灰的火山灰反應(yīng)活性，分析其加工過程中技術(shù)特征，需準確測定粉煤灰中玻璃體含量。XRD的Rietveld方法常被用來測定材料中晶體礦物和玻璃體的含量。Rietveld法是利用非線性最小二乘法原理的XRD全譜擬合方法，通過精修晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)和峰形參數(shù)，以獲得模擬數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的最佳匹配，模擬結(jié)果中包括晶體礦物含量值[10]。侯新凱等[11]提出以堿-酸兩段溶解來快速測定粉煤灰中玻璃體含量的化學(xué)物相分析法。我國部分粉煤灰的化學(xué)組成情況[5]見表2。粉煤灰的主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，占87%以上，并含少量CaO、MgO、Fe2O3、K2O和Na2O等，其化學(xué)成分與黏土相似，均含有大量的活性SiO2和Al2O3。因此，粉煤灰的化學(xué)組成滿足了制備陶粒的基本理論條件。

表2 我國部分粉煤灰的化學(xué)組成[5]

1.1 粉煤灰用于焙燒陶粒的機理研究

粉煤灰燒結(jié)陶粒是利用高溫使粉煤灰中的玻璃體熔融，冷卻后，粉煤灰顆粒間相互黏結(jié)，得到具有一定強度的陶粒。粉煤灰燒脹陶粒與燒結(jié)陶粒的不同之處在于：燒脹陶粒存在較大的體積膨脹，即發(fā)泡物質(zhì)在高溫下釋放氣體，產(chǎn)生氣體壓力；陶粒坯體在高溫作用下，會逐漸產(chǎn)生液相，液相具有一定的黏度；在氣體壓力作用下，坯體會發(fā)生塑性變形，可將產(chǎn)生的氣體束縛，防止氣體外逸。通過坯體變化和坯體內(nèi)氣體的共同作用，使陶粒發(fā)生理想的膨脹。

通過焙燒，原料轉(zhuǎn)化形成熱穩(wěn)定性更強的新物相。粉煤灰中的SiO2和Al2O3在焙燒過程中可形成莫來石相，是構(gòu)成陶粒骨架的成分；CaO、MgO、Fe2O3等可作為焙燒過程中的助熔劑，降低陶粒的燒成溫度；粉煤灰中的有機質(zhì)、CaCO3、MgCO3、鐵鹽、錳鹽或人為添加的可以產(chǎn)生氣體的其他高溫產(chǎn)氣類物質(zhì)是形成多孔形態(tài)的主要成分。

原料配比是陶粒燒制的關(guān)鍵。根據(jù)實際要求和原料性質(zhì)，參照Riley三角形，通過試驗確定最佳配料比。Riley三相的核心區(qū)如圖1所示。圖中曲線范圍表示原料成分含量在此范圍內(nèi)，制備的陶粒產(chǎn)品具有較好的膨脹性[4]。

圖1 Riley三相示意[4]

焙燒過程中，許多學(xué)者認為，陶粒膨脹是因為發(fā)生了表3的相關(guān)反應(yīng)[4,12-13]。

表3 粉煤灰陶粒的膨脹機理[4,12-13]

反應(yīng)式(1)和(2)：生料球燒制過程基本為無氧狀態(tài)。在燒制初期，空氣中的O2與粉煤灰中的未燃盡碳反應(yīng)，生成CO和CO2。

反應(yīng)式(3)和(4)：粉煤灰混合料內(nèi)有碳酸鹽存在，因此存在碳酸鹽的分解反應(yīng)。

反應(yīng)式(5)～(7)：陶粒中含有的Fe2O3在高溫條件下發(fā)生自身氧化還原反應(yīng)，分解生成Fe2+，釋放出O2，造成陶粒膨脹。

反應(yīng)式(8)～(11)：由Fe2O3分解產(chǎn)生的O2與燒制階段產(chǎn)生的還原碳、粉煤灰中的未燃盡碳反應(yīng)，生成CO和CO2。若不考慮中間產(chǎn)物，可認為膨脹氣體CO和CO2主要由碳與Fe2O3反應(yīng)生成。

反應(yīng)式(12)：燒制過程中，陶粒生料中的水分蒸發(fā)，也會造成陶粒膨脹。

原料中產(chǎn)氣成分不足時，可加入產(chǎn)氣物質(zhì)。

粉煤灰陶粒發(fā)生膨脹，主要是由于碳與鐵發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成CO和CO2。

粉煤灰中的含碳量和碳鐵比均影響陶粒的膨脹性能。根據(jù)粉煤灰的具體情況，將碳鐵比控制在0.5左右。

1.2 粉煤灰用于免燒陶粒的機理研究

粉煤灰免燒陶粒主要以粉煤灰、水泥、固體激發(fā)劑(CaO、CaSO4)和黏結(jié)劑等為原料，經(jīng)加工成球，通過自然養(yǎng)護、蒸汽養(yǎng)護、蒸壓養(yǎng)護等方式而制成。粉煤灰自身基本沒有水硬膠凝性能，但以粉末狀態(tài)接觸到水時，會在一定溫度下與Ca(OH)2或其他堿土金屬氫氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一種具備水硬膠凝性能的化合物，從而提升陶粒強度和耐久性。

粉煤灰的主要物相為玻璃相，其活性主要來自玻璃體。固體激發(fā)劑中的CaO和水泥水化形成Ca(OH)2；利用堿性物質(zhì)破壞玻璃體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使玻璃體中的活性物質(zhì)SiO2和Al2O3溶出，將網(wǎng)絡(luò)高聚體解聚成低聚度的硅鋁酸鹽膠體物，玻璃體中的活性SiO2和Al2O3與Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成具有膠凝性的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣。鋁酸鹽迅速水化生成水化產(chǎn)物，CaSO4溶于水，與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成少量的鈣礬石，大部分水化產(chǎn)物是類似托勃莫來石類的水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)，這是陶粒產(chǎn)生一定強度的主要原因[5]。多數(shù)研究者還認為C-S-H的組成隨水化進程而改變。

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2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 粉煤灰焙燒陶粒

粉煤灰焙燒陶粒的制備過程如圖2所示，主要包括：配料、混合、造粒、干燥、預(yù)燒、焙燒、冷卻和篩分等過程。目前，很多學(xué)者開展了關(guān)于原料配比、預(yù)熱時間、預(yù)熱溫度、升溫速率、煅燒時間、煅燒溫度等因素對陶粒產(chǎn)品性能影響的研究。陶粒生坯在焙燒前，需進行自然干燥或放入烘箱干燥，以防在焙燒過程中，因水分較高而出現(xiàn)脹裂。

圖2 粉煤灰制備焙燒陶粒工藝流程

預(yù)燒是為了減少料坯突然進入高溫時，因溫度急劇變化所引起的炸裂，同時使氣體緩慢產(chǎn)生。預(yù)燒處理不足，易造成高溫焙燒時料球的炸裂。預(yù)燒溫度過高或預(yù)燒時間過長，會使料坯膨脹性能不佳。

焙燒是陶粒制備過程的中心環(huán)節(jié)，直接影響陶粒制品的性能。焙燒過程是使膨脹氣體逸出，產(chǎn)生具有一定黏度的液相，同時抑制氣體逸出的動態(tài)平衡過程。不同性能要求的陶粒，其焙燒條件不同。

筆者以粉煤灰、煤矸石為主要原料，經(jīng)配料、造粒、干燥、預(yù)燒、焙燒等工藝，制備出了焙燒陶粒。制備的生料球和熟料球如圖3所示。

圖3 焙燒陶粒的生料球和熟料球

Chen等[14]以城市污泥、粉煤灰等為原料，在焙燒條件下制備出了陶粒。在此基礎(chǔ)上，對工藝條件進行優(yōu)化設(shè)計，研究了產(chǎn)品的重金屬浸出特性研究，證明了焙燒工藝對重金屬具有固化作用，并探索了吸附機理：① 陶粒具有介孔結(jié)構(gòu)，具備發(fā)生陽離子交換的孔隙豐度。② 靜電引力。Pb2+進入吸附劑的孔隙，被陰離子基團吸引，沉積在陶粒表面。③ 形成共價鍵。大量Pb2+與Si—O或Al—O—Si—O鍵合，嵌入吸附劑的基質(zhì)框架中。

Liu等[15]以城市污泥、粉煤灰、淤泥為原料，按照質(zhì)量比5∶5∶3混合，采用700 ℃預(yù)熱40 min、1 210 ℃燒結(jié)30 min、15 min內(nèi)冷卻至1 170 ℃的工藝條件，制備出了陶粒密度等級700，吸水率6%，抗壓強度6.6 MPa和強度等級40 MPa的陶粒；釉質(zhì)表面，均勻分布的孔隙結(jié)構(gòu)、方石英和莫來石的形成是陶粒輕質(zhì)和高強度的主要原因。

Li等[16]以脫水污泥、粉煤灰、河流底泥為主要原料，采用焙燒工藝制備出了陶粒濾料，濾料符合CJ/T 299—2008《水處理用人工陶粒濾料》，浸出液中重金屬含量遠低于GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標準-浸出毒性鑒別》。焙燒工藝中，燒失率、膨脹率和燒結(jié)溫度之間的關(guān)系可以用三階多項式擬合曲線進行很好地擬合，相關(guān)系數(shù)R2>0.999。焙燒工藝可分為2個階段：燒失率在整個階段逐漸增加；同時膨脹率在第1階段先降低，第2階段開始上升。

Qin等[17]以石灰泥、粉煤灰為主要原料，頁巖、珍珠巖、硅藻土、鋸末為外加劑，經(jīng)造粒、燒結(jié)制備了陶粒，并分析添加劑、燒結(jié)溫度和石灰泥含量對陶粒物理性能的影響。結(jié)果表明：燒結(jié)溫度為1 050 ℃、原料配比為40%石灰泥、55%粉煤灰和5%硅藻土?xí)r，陶粒的最佳容重為0.74 g/cm3，24 h吸水率為39.03%，顯氣孔率為49.49%，筒體抗壓強度為4.73 MPa。硅藻土含量由5%增到20%時，24 h吸水率和表觀孔隙率先降后略增。因此，最佳含量為5%。根據(jù)24 h吸水率和筒體抗壓強度指標，燒結(jié)溫度1 050 ℃，5%硅藻土、40%石灰泥為最佳條件。

不同燒結(jié)溫度下陶粒斷口的掃描電鏡圖像(原料配比為40%石灰泥、55%粉煤灰和5%硅藻土)如圖4所示?？芍獰Y(jié)溫度1 050 ℃時，陶粒具有較好的結(jié)晶性和氣孔性。

圖4 不同燒結(jié)溫度下陶粒斷口的掃描電鏡[17].

粉煤灰焙燒陶粒包括燒結(jié)陶粒和燒脹陶粒2種，其部分研究成果見表4和表5。

表4 粉煤灰燒結(jié)陶粒的部分研究成果

表5 粉煤灰燒脹陶粒的部分研究成果

1)粉煤灰燒脹陶粒的原料中包含造孔劑、助脹劑、發(fā)泡劑、石灰石等產(chǎn)氣組分，產(chǎn)生的氣體使加溫至玻璃態(tài)的原料產(chǎn)生膨脹，通過對原料配方、發(fā)泡劑的選擇及用量、造粒過程用水量、燒結(jié)工藝(預(yù)燒溫度、預(yù)燒時間、煅燒溫度、煅燒時間等)等因素進行優(yōu)化試驗，可生產(chǎn)不同堆積密度的陶粒制品；粉煤灰燒結(jié)陶粒在焙燒過程中，原料在高溫下固熔黏結(jié)，不產(chǎn)生較大的體積膨脹。

2)焙燒制度為預(yù)熱溫度400～800 ℃、預(yù)熱時間15～30 min、煅燒溫度1 000～1 250 ℃、煅燒時間15～60 min。由于各地原料性質(zhì)及所用試驗設(shè)備的差異，在實際生產(chǎn)中，應(yīng)進行試燒研究，確定最佳原料配比及焙燒制度。

3)粉煤灰燒結(jié)陶粒的結(jié)構(gòu)堅實致密。雖然燒結(jié)過程有少量氣體逸出和水分蒸發(fā)，造成燒結(jié)陶粒內(nèi)部含少量氣孔，但主體結(jié)構(gòu)仍致密；燒脹陶粒發(fā)生較大的體積膨脹，內(nèi)部有大量閉氣孔，顯氣孔較少。

4)粉煤灰燒結(jié)陶粒的堆積密度較大，為750～900 kg/m3，部分產(chǎn)品在900 kg/m3以上；燒結(jié)陶粒的強度一般比燒脹陶粒高，高強燒結(jié)陶粒的強度可達25～40 MPa；燒結(jié)陶粒的吸水率低于燒脹陶粒。

5)采用焙燒法制備粉煤灰陶粒，既可將粉煤灰中的有毒有害有機物組分徹底高溫?zé)峤鉃镃O2、H2O等無毒無害小分子物質(zhì)，又可殺滅病原微生物、致病菌，并有固化重金屬的作用[18]。在應(yīng)用過程中，須考慮陶粒產(chǎn)品的浸出毒性等環(huán)境安全性指標。焙燒陶粒生產(chǎn)工藝成熟，主要污染物為廢氣(烘干及煅燒窯煙氣、堆場無組織粉塵等)、廢水(脫硫除塵廢水、初期雨水等)、噪聲、固體廢物(煤灰渣等)。因此，須配套脫硫除塵等污染防治設(shè)施。焙燒陶粒的顏色一般為暗紅色、赭紅色，也有灰黑色、灰白色、灰黃色等。

6)目前，關(guān)于粉煤灰焙燒陶粒應(yīng)用研究較多的是將其作為水處理吸附劑、載體、建筑骨料、隔熱材料和支撐劑等[19-20]。根據(jù)陶粒的應(yīng)用領(lǐng)域，在滿足使用要求的基礎(chǔ)上，通過試驗，確定最佳的原料配比及工藝條件。同種材料，孔隙率越大，強度下降。對于孔隙率和強度之間的客觀矛盾，可通過工藝優(yōu)化，實現(xiàn)指標間的統(tǒng)籌兼顧。

2.2 粉煤灰免燒陶粒

粉煤灰免燒陶粒的制備過程如圖5所示，主要包括：配料、混合、造粒、陳化、干燥、養(yǎng)護和冷卻等過程。影響粉煤灰免燒陶粒性能的主要因素有原料性質(zhì)、激發(fā)劑摻量、黏結(jié)劑用量、發(fā)泡劑種類及用量、養(yǎng)護方式、蒸養(yǎng)溫度和養(yǎng)護時間等，可通過改變工藝條件，制備出不同性能和用途的產(chǎn)品。

圖5 粉煤灰制備免燒陶粒工藝流程

陳化使免燒陶粒生料中的部分水分蒸發(fā)，生料的各組分繼續(xù)進行水化反應(yīng)，生成更多的膠凝水化物，提高免燒陶粒的早期強度[30]。烘干可使免燒陶粒生料中的自由水逐漸脫去、固體顆粒緊縮靠攏，減少或消除水分急劇蒸發(fā)引起的熱膨脹作用[30]。養(yǎng)護是免燒陶粒制備過程中的重要環(huán)節(jié)。養(yǎng)護方式有自然養(yǎng)護、蒸汽養(yǎng)護和蒸壓養(yǎng)護等。養(yǎng)護方式、蒸養(yǎng)溫度和養(yǎng)護時間等都會影響免燒陶粒的性能。

周靖淳[31]以粉煤灰、剩余污泥、水泥為主要原料，CaO為激發(fā)劑，水玻璃為黏結(jié)劑，碳酸氫鈉為造孔劑，制備出燒結(jié)陶粒和免燒陶粒。參照GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標準-浸出毒性鑒別》，對免燒及燒結(jié)陶粒的Cu、Zn、Cd、Hg、Cr、As等重金屬指標進行檢測。陶粒毒性檢測結(jié)果見表6，可知2種陶粒作為水處理濾料均符合國家標準。

表6 陶粒毒性檢測結(jié)果[31]

高淑燕[32]以粉煤灰為主要原料、生石灰和石膏為激發(fā)劑、水泥為黏結(jié)劑和激發(fā)劑(質(zhì)量比為25∶5∶2∶1)，以微波(480 W，5 min)作為加熱方式，制備了免燒陶粒。為提高免燒陶粒的氣孔率，以雙氧水和碳酸銨為發(fā)泡劑，制備了具有高氣孔率的免燒粉煤灰陶粒。通過調(diào)節(jié)發(fā)泡劑用量，可實現(xiàn)對陶粒產(chǎn)品宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的控制。試驗原材料、無發(fā)泡劑免燒陶粒和雙氧水免燒陶粒的XRD圖譜如圖6所示。不同雙氧水用量制得的免燒陶粒的SEM照片如圖7所示。研究結(jié)果表明：① 雙氧水用量達10%前，陶粒的堆積密度和筒壓強度均隨著雙氧水用量的增加而降低，之后隨著雙氧水用量的增加而增加；導(dǎo)熱系數(shù)和表觀密度的變化與之相似，只是轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在雙氧水用量為7.5%。這些性能的變化均與陶?？倸饪茁实淖兓喾?，即雙氧水用量的變化通過影響陶?？倸饪茁实淖兓鴮μ樟５男阅墚a(chǎn)生影響。② 通過對產(chǎn)品的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)進行分析，可知雙氧水陶粒的主要水化產(chǎn)物為C-S-H。

圖6 原材料及無發(fā)泡劑、微波輻照和雙氧水、微波輻照制備的免燒陶粒的XRD圖譜[32]

圖7 不同雙氧水用量制得的免燒陶粒的SEM照片[32]

Wu等[33]以粉煤灰、水泥和石膏為主要原料，以碳酸氫銨為造孔劑，在熱處理溫度<300 ℃的條件下，制備了不同孔隙率的多孔吸聲陶粒。研究了造孔劑用量、加熱速率和養(yǎng)護時間對陶粒微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：隨著成孔劑用量和升溫速率的增加，孔隙率增大；而隨著養(yǎng)護時間的延長，孔隙率減小。對于未養(yǎng)護的陶粒，當造孔劑用量為2.0%、升溫速率為20.0 ℃/min時，其最大顯氣孔率可達32.67%；而對于養(yǎng)護72 h的材料，最大孔隙率僅為27.43%。吸聲性能與孔隙率呈正相關(guān)。

粉煤灰免燒陶粒的部分研究成果見表7。

表7 粉煤灰免燒陶粒的部分研究成果

1)目前，粉煤灰免燒陶粒所采用的主要原料為粉煤灰和水泥，并輔以激發(fā)劑、黏結(jié)劑和發(fā)泡劑等。激發(fā)劑多采用生石灰和石膏，黏結(jié)劑多采用水玻璃和黏土等。發(fā)泡劑多采用雙氧水、鋁粉、鋅粉、碳酸氫鈉和碳酸氫銨等。免燒陶粒亦可分為多孔型和致密型。實際生產(chǎn)和科學(xué)研究中，需根據(jù)陶粒的用途，通過試驗來確定原料種類及配料比。

2)免燒陶粒沒有焙燒工藝，養(yǎng)護方式以自然養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護為主。自然養(yǎng)護溫度為25 ℃左右，所需時間較長，為20～90 d。為使強度快速增加，大多采用蒸汽養(yǎng)護方式。蒸汽養(yǎng)護是利用水蒸氣的擴散使生料球逐層發(fā)生水化反應(yīng)，從而增加陶粒強度。蒸養(yǎng)溫度為50～100 ℃，蒸養(yǎng)時間為8～24 h。蒸養(yǎng)時間越長，水化反應(yīng)越徹底，陶粒強度越高。

3)粉煤灰免燒陶粒的造粒工藝、外形、堆積密度、用途與焙燒陶粒大體相同，其強度比焙燒陶粒低，尤其是多孔免燒陶粒；粉煤灰免燒陶粒的吸水率比焙燒陶粒高，一般大于15%；粉煤灰免燒陶粒密實度較高，只有加入發(fā)泡劑，才具備封閉氣孔結(jié)構(gòu)。

4)采用免燒法制備粉煤灰陶粒，一般需要添加水泥，其引入可以為粉煤灰的活化提供有效的堿性環(huán)境，同時水泥又是無機膠凝材料，起到固化作用，能固結(jié)重金屬等有害物質(zhì)，亦是免燒法產(chǎn)品強度的主要來源[34]。免燒陶?？朔藷Y(jié)法制備陶粒成本高、污染大等缺點。但在應(yīng)用中，須考慮陶粒產(chǎn)品的浸出毒性等環(huán)境安全性指標?？刹捎蒙芷谠u價方法、潛在風(fēng)險指數(shù)方法和改進的評價方法等對陶粒產(chǎn)品(焙燒陶粒和免燒陶粒)的環(huán)境影響進行評價[35-36]。免燒陶粒一般為灰黑色，表面沒有光澤度，不如焙燒陶粒光滑。

5)粉煤灰免燒陶粒的主要應(yīng)用領(lǐng)域是作為水處理填料和吸音材料等，如粉煤灰免燒陶?？勺鳛锳F、BAF、曝氣生物濾池的填料用于處理生活污水，亦可用來處理NO廢氣等。

3 陶粒產(chǎn)品的技術(shù)指標

衡量陶粒產(chǎn)品性能的指標有：堆積密度、視密度、孔隙率、筒壓強度、比表面積、顯氣孔率和破碎率等。根據(jù)陶粒的用途，制備出符合該用途要求的產(chǎn)品，并按照相關(guān)標準對其性能進行測試。

對于混凝土用的陶粒輕集料，其性能測試方法可參考GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗方法 第2部分：輕集料試驗方法》。對于多孔陶瓷制品，其顯氣孔率和容重的測試方法可參考GB/T 1966—1996《多孔陶瓷顯氣孔率、容重試驗方法》。對于多孔陶瓷制品，其室溫條件下壓縮強度的試驗方法可參考GB/T 1964—1996《多孔陶瓷壓縮強度試驗方法》。對于水力壓裂和礫石充填作業(yè)用的陶粒支撐劑，其性能測試方法可參考SY/T 5108—2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試方法》。對于以黏土、頁巖、粉煤灰、火山巖等為原料加工而成的水處理用人工陶粒濾料，其性能測試方法可參考CJ/T 299—2008《水處理用人工陶粒濾料》。對于民用與工業(yè)建筑自承重墻體及保溫隔熱用的陶粒加氣混凝土砌塊，其性能測試方法可參考JG/T 504—2016《陶粒加氣混凝土砌塊》。對于工業(yè)與民用建筑物墻體及保溫隔熱用的陶粒發(fā)泡混凝土砌塊，其性能測試方法可參考GB/T 36534—2018《陶粒發(fā)泡混凝土砌塊》。對于以硅酸鹽礦物等原料加工而成的陶粒濾料，其性能測試方法可參考QB/T 4383—2012《陶粒濾料》。對于公路工程水泥混凝土用頁巖陶粒，其性能測試方法可參考JT/T 770—2009《公路工程 高強頁巖陶粒輕骨料》。

4 存在問題及解決措施

我國粉煤灰的產(chǎn)生量很大，通常每消耗1 t煤就會產(chǎn)生250～300 kg粉煤灰。每年燃煤電廠因燃煤產(chǎn)生的粉煤灰為6億t，約占世界粉煤灰總產(chǎn)量的1/2，而目前我國粉煤灰綜合利用率僅為70%[48]。

我國粉煤灰綜合利用經(jīng)歷了“以儲為主”—“儲用結(jié)合”—“以用為主”3個發(fā)展階段。目前，粉煤灰綜合利用主要方式有生產(chǎn)水泥、混凝土及其他建材產(chǎn)品，應(yīng)用于建筑工程、筑路、改良土壤、回填、生產(chǎn)生物復(fù)合肥、提取物質(zhì)實現(xiàn)高值化利用等，涉及建材、建筑、冶金、化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

我國在粉煤灰綜合利用過程中，面臨的主要問題有：① 粉煤灰產(chǎn)地和市場存在地理隔離；② 綜合利用技術(shù)和層次較低；③ 產(chǎn)品品位低、附加值低；④ 粉煤灰綜合利用標準體系不完備；我國粉煤灰綜合利用相關(guān)標準主要集中在傳統(tǒng)建材利用方面，缺少在分類、高價值產(chǎn)品及非建材利用方面(環(huán)保、農(nóng)業(yè)、填埋等方面)的標準；⑤ 缺少操作性更強、強制性應(yīng)用的政策等。

建議采取的措施：① 實施運輸費用優(yōu)惠政策，擴大粉煤灰產(chǎn)品運輸經(jīng)濟半徑，增加拓寬粉煤灰的銷路和應(yīng)用范圍；② 延伸粉煤灰綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈，進一步提高粉煤灰的綜合利用率以及利用水平；③ 開發(fā)高附加值利用技術(shù)，不僅可以擴展粉煤灰利用途徑，還能提高粉煤灰的利潤空間，充分調(diào)動非煤企業(yè)的投資；④ 完善粉煤灰綜合利用的相關(guān)標準體系；⑤ 政府提供更為實際的支持手段[48]。

5 結(jié) 語

利用粉煤灰制備陶粒是粉煤灰資源化的重要途徑之一。焙燒法是目前普遍采用的粉煤灰陶粒的生產(chǎn)方法，技術(shù)成熟，但存在能耗高、污染大、成本高、建廠難立項等弊端。因此，開發(fā)粉煤灰免燒陶粒就成為發(fā)展的新趨向。我國的免燒陶粒尚處于研制階段，產(chǎn)品存在強度低、比表面積小等缺點，為提高陶粒的性能，降低成本，可從多孔免燒陶粒的外加劑選擇、工藝和環(huán)境安全性等方面進行深入研究。利用粉煤灰制備陶粒，不但解決了粉煤灰的污染問題，還解決了陶粒原料的來源問題，具有重要的現(xiàn)實意義。