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陶粒

陶粒,顾名思义,就是陶质的颗粒。陶粒的外观特征大部分呈圆形或椭圆形球体,但也有一些仿碎石陶粒不是圆形或椭圆形球体,而呈不规则碎石状。

陶粒形状因工艺不同而各异。它的表面是一层坚硬的外壳,这层外壳呈陶质或釉质,具有隔水保气作用,并且赋予陶粒较高的强度。

因为生产陶粒的原料很多,陶粒的品种也很多,因而颜色也就很多。焙烧陶粒的颜色大多为暗红色、赭红色,也有一些特殊品种为灰黄色、灰黑色、灰白色、青灰色等。免烧陶粒因所用固体废弃物不同,颜色各异,一般为灰黑色,表面没有光泽度,不如焙烧陶粒光滑。

陶粒的粒径一般为5~20最大的粒径为25。陶粒一般用来取代混凝土中的碎石和卵石

轻质性是陶粒许多优良性能中最重要的一点,也是它能够取代重质砂石的主要原因。陶粒的内部结构特征呈细密蜂窝状微孔。这些微孔都是封闭型的,而不是连通型的。它是由于气体被包裹进壳内而形成的,这是陶粒质轻的主要原因。

陶粒的细小颗粒部分称为陶砂。在陶粒中有许多小于5的细颗粒,在生产中用筛分机将这部分细小颗粒筛分出来,习惯上称之为陶砂。陶砂的密度略高,化学和热稳定性好。陶砂主要用于代替天然河砂或山砂配制轻集料混凝土、轻质砂浆,也可作耐酸、耐热混凝土细集料。主要品种有黏土陶砂页岩陶砂和粉煤灰陶砂等。使用陶砂的目的也是为降低建筑物自重。陶砂也可用于无土栽培和工业过滤。

陶粒是一种在回转窑中经发泡生产的轻骨料。它具有球状的外形,表面光滑而坚硬,内部呈蜂窝状,有密度小、热导率低、强度高的特点。在耐火材料行业中,陶粒主要用于作隔热耐火材料的骨料。

陶粒自身的堆积密度小于1100kg/m3,一般为300~900kg/m3。以陶粒为骨料制作的混凝土密度为1100~1800kg/m3,相应的混凝土抗压强度为30.5~40.0Mpa。陶粒的最大特点是外表坚硬,而内部有许许多多的微孔。这些微孔赋予陶粒质轻的特性。200号粉煤灰陶粒混凝土的密度为1600kg/m3左右。目前我国陶粒砂主要用于石油支撑剂,也是目前需求量最大的陶粒砂品种之一,也叫石油压裂支撑剂陶粒砂。

陶粒具有优异的性能,如密度低、筒压强度高、孔隙率高,软化系数高、抗冻性良好、抗碱集料反应性优异等。特别由于陶粒密度小,内部多孔,形态、成分较均一,且具一定强度和坚固性,因而具有质轻,耐腐蚀,抗冻,抗震和良好的隔绝性等多功能特点。利用陶粒这些优异的性能,可以将它广泛应用与建材、园艺、食品饮料、耐火保温材料、化工、石油等部门,应用领域越来越广,还在继续扩大。

在陶粒发明和生产之初,它主要用于建材领域,由于技术的不断发展和人们对陶粒性能的认识更加深入,陶粒的应用早已超过建材这一传统范围,不断扩大它的应用新领域。现在陶粒在建材方面的应用,已经由100-下降到80-,在其他方面的应用,已占20-。随着陶粒新品质、新用途的不断开发,它在其他方面的比例将会逐渐增大。

陶粒之所以在全世界得到快速发展,是因为它具有其他材料所不具备的许多优异性能,这一优异性能使它具有了其他材料无法取代的作用。这些优异性能有以下几个方面。

保温、隔热

华文陶粒提供的陶粒由于内部多孔,故具有良好的保温隔热性,用它配制的混凝土热导率一般为0.3~0.8W/(mk),比普通混凝土低1~2倍。所以,陶粒建筑都有良好的热环境。

耐火性优异

普通粉煤灰陶粒混凝土或粉煤灰陶粒砌块集保温、抗震、抗冻、耐火等性能于一体,特别是耐火性是普通混凝土的4倍多。对相同的耐火周期,陶粒混凝土的板材厚度比普通混凝土薄20-。此外,粉煤灰陶粒还可以配制耐火度1200℃以下的耐火混凝土。在650℃的高温下,陶粒混凝土能维持常温下强度的85-。而普通混凝土只能维持常温下强度的35-~75-。

抗震性好

陶粒混凝土由于质量轻,弹性模量低,抗变形性能好,故具有较好的抗震性能。在1976年唐山大地震中,天津建造的4栋陶粒混凝土大板建筑均基本完好,并能照常使用。而其周围相当数量的砖混建筑都不同程度地受到震害。这虽然与建筑结构体系有关,但是陶粒混凝土具有优良的抗震性能也是一个重要原因。1976年意大利费留利地区发生9级的强烈地震,统计资料表明,砖混建筑物损坏率达40-~60-,框架结构黏土空心砖建筑损坏率为33-,而陶粒混凝土建筑损坏率只有5-。陶粒的抗震性能由此可见。

吸水率低,抗冻性能和耐久性能好

陶粒混凝土耐酸、碱腐蚀和抗冻性能优于普通混凝土。250号粉煤灰陶粒混凝土,15次冻融循环的强度损失不大于2-。1976年有关部门对全国自1985年以来所建的陶粒混凝土工程进行了实测,结果表明,无论是预制的还是现浇的,室内的与室外的,所含钢筋均未锈蚀,测的碳化深度一般不大于30,后期强度还可以继续增长。由此可见,陶粒混凝土是一种优良的建筑材料,应大力推广使用。

抗渗性优异

据多次测试,陶粒混凝土的抗渗性能优于普通混凝土。以20MPa陶粒混凝土与普通混凝土为例,经多次测试进行比较,普通混凝土的抗渗指数为B6,而陶粒混凝土则可达到B18至B25。1970年天津用20MPa的陶粒混凝土建造的防空通道(深3m,地下水位0.9 m),至1980年检查时没有发现渗漏现象。宁波建造的两条20MPa陶粒混凝土囤船(载重量80t),水上作业13年,从未出现渗漏现象。因此陶粒混凝土是制作水坝,地下工程的优良建筑材料之一。

抗碱

陶粒混凝土不但耐腐蚀(酸、碱)性能优于普通混凝土。而且具有优异的抗碱集料反应能力。

混凝土的主要成分是水泥和集料。集料包括碎石和砂子,如果石子和砂子这些集料是白云石、石灰石或其他含有SiO2的岩石,如蛋白石、火山岩等,水泥中的碱就会和这些集料发生碱集料反应,引起岩石矿物解体或造成膨胀使混凝土开裂而崩溃,造成建筑破坏。这就是碱集料反应。每年国内国外都有大量的建筑物因混凝土的碱集料反应而损毁。美国20世纪80年代,统计全国50万座公路桥梁,其中有20万座因碱集料反应造成不同程度的毁坏。全世界每年因碱集料反应造成的损失可以达上千亿美元。

由于陶粒不含有这些火性岩石成分,碱含量也非常低,所以它在使用过程中不会与水泥发生碱集料反应。至今为止,国内外的陶粒混凝土建筑,还没有发现一起碱集料反应的事例。事实已经表明,陶粒具有优异的抗碱集料反应能力,可在一定程度上增加安全性,延长建筑物的使用寿命。

适应性强

经国内外几十年生产实践证明,根据各地资源条件不同,可分别采用黏土、页岩、粉煤灰或其他固体废弃物生产陶粒。根据用途不同和市场需要,可以生产不同堆积密度和粒度的陶粒产品(超轻陶粒、结构保温用陶粒、结构用陶粒),也可生产有特殊用途的陶粒,如耐高温陶粒、耐酸陶粒和花卉陶粒等。

在使用陶粒时,可按实际需要采用不同类型的陶粒配制不同密度和强度等级的无砂大孔、全轻、超轻钢筋或预应力混凝土。可以预制成各种类型的墙体制品和建筑构件,也可用于填充,现浇,滑模等施工作业。对于各种建筑体系,如框架填充或自承重砌块建筑、一模三板、全装配大板、内浇外挂、全线浇滑模建筑等都能适用。任何建筑物中的墙体(砌块、外墙板、内隔墙条板),楼板、屋面板、梁柱和部分基础等,都可用陶粒混凝土来制作,这是其它任何一种新型墙体无法比拟的。

(1)铝钒土陶粒砂(石油支撑剂陶粒砂)

其主要是以优质铝钒土、煤等多种原材料,经过破碎,细碎,粉磨、制粒和高温烧结等多道工艺制作而成,具有耐高温、高压、强度高、导流能力强、及耐腐蚀等特点,主要用于油田井下支撑,以增加石油天然气的产量,属环保产品。是天然石英砂、玻璃球、金属球等中低强度支撑剂的替代品,对增产石油天然气有良好效果。

(2)黏土陶粒

以黏土、亚黏土等为主要原料,经加工制粒,烧胀而成的,粒径在5以上的轻粗集料,称为黏土陶粒。

(3)页岩陶粒

又称膨胀页岩。以黏土质页岩、板岩等经破碎、筛分,或粉磨后成球,烧胀而成的粒径在5以上的轻粗集料为页岩陶粒。页岩陶粒按工艺方法分为:经破碎、筛分、烧胀而成的普通型页岩陶粒;经粉磨、成球、烧胀而成的圆球形页岩陶粒。

黏土陶粒、粉煤灰陶粒、页岩陶粒适用于保温用的、结构保温用的轻集料混凝土,也可用于结构用的轻集料混凝土。目前页岩陶粒的主要用途是生产轻集料混凝土小型空心砌块和轻质隔墙板。

(4)垃圾陶粒

随着城市不断发展壮大,城市的垃圾越来越多,处理城市垃圾,成为一个日益突出的问题。

垃圾陶粒是将城市生活垃圾处理后,经造粒、焙烧生产出烧结陶粒。或将垃圾烧渣加入水泥造粒,自然养护,生产出免烧垃圾陶粒。垃圾陶粒具有原料充足、成本低、能耗少、质轻高强等特点。垃圾陶粒除了可制成墙板、砌块、砖等新型墙体材料外,还可用作保温隔热、楼板、轻质混凝土、水处理净化等用途,具有广阔的市场。

(5)煤矸石陶粒

煤矸石是采煤过程中排出的含碳量较少的黑色废石,是我国排放量最大的固体废弃物,其排放与堆积不仅占用大量耕地,同时对地表、大气造成了很大污染。煤矸石的化学成分与黏土比较相似,煤矸石含有较高的碳及硫,烧失量较大。只有在一定温度范围内才能产生足够数量黏度适宜的熔融物质,具有膨胀性能。根据它的特点,我国已研制出煤矸石陶粒。

煤矸石陶粒是将符合烧胀要求的煤矸石经破碎、预热、烧胀、冷却、分级、包装而生产出来的。得到的陶粒产品质量完全符合国家标准,部分技术指标超过国家标准,达到了国外同类产品质量,该产品具有创新性、先进行、属环保类产品。

(6)生物污泥陶粒

污水处理厂处理完污水后所产生的、并含有大量的生物污泥,生物污泥有的制成农用肥,有的直接用于绿化,也有的排放到海里或者焚烧,这样会造成二次生态环境污染。目前,以生物污泥为主要原材料,采用烘干、磨碎、成球、烧结成的陶粒,称为污水处理生物污泥陶粒。用生物污泥代替部分黏土来烧制陶粒既节省黏土,又保护农田,也起到了一定的环保作用。

(7)河底泥陶粒

大量的江河湖水经过多年的沉积形成了很多泥沙。利用河底泥替代黏土,经挖泥、自然干燥、生料成球、预热、焙烧、冷却制成的陶粒称为河底泥陶粒。利用河底泥制造陶粒,不但会减少建材制造业与农业用地争土,而且还为河底泥找到了合理出路,解决了河底泥的二次污染问题,达到了废弃物资源化的目的。

(8)粉煤灰陶粒

以固体废弃物为主要原料,加入一定量的胶结料和水,经加工成球,烧结烧胀或自然养护而成,粒径在5以上的轻粗集料,简称粉煤灰陶粒。 [1]

陶粒按强度分为高强陶粒和普通陶粒。

(1)高强陶粒

根据(轻集料及其试验方法)GB/T 17431.11998新标准,高强陶粒是指强度标号不小于25MPa的结构用轻粗集料。其技术要求除密度等级、筒压强度、强度标号、吸水率有特定指标外,其他指标(颗粒级配、软化系数、粒型系数、有害物质含量等)与超轻、普通陶粒相同。生产高强陶粒时产量较低,耗能较大,附加值高,销售价格比超轻陶粒、普通陶粒高50-左右。用高强陶粒配制高标号及预应力轻骨料混凝土必须均质。

(2)普通陶粒

根据《轻集料及其试验方法》GB/T 17431.11998新标准,普通陶粒是指强度标号小于25MPa的结构用轻粗集料。普通陶粒应用较广,市场潜力大。 [1]

陶粒按密度分为一般密度陶粒、超轻密度陶粒、特轻密度陶粒三类。

(1)一般密度陶粒

一般密度陶粒是指密度大于500kg/m3的陶粒。它的强度一般相对较高,多用于结构保温混凝土或高强混凝土。

(2)超轻密度陶粒

超轻密度陶粒一般是指300~500kg/m3的陶粒。这种陶粒一般用于保温隔热混凝土及其制品。

(3)特轻密度陶粒

特轻密度陶粒是指小于300kg/m3的陶粒。它的保温隔热性能非常优异,但强度较差。一般用于生产特轻保温隔热混凝土及其制品。 [1]

陶粒按形状分为碎石型陶粒、圆球形陶粒和圆柱形陶粒。

(1)碎石形陶粒

碎石型陶粒一般用天然矿石生产,先将石块粉碎、焙烧,然后进行筛粉;也可用天然及人工轻质原料如浮石、火山渣、煤渣、自然或煅烧煤矸石等,直接破碎筛分而得。

(2)圆球形陶粒

圆球形陶粒是采用圆盘造粒机生产。先将原料磨粉,然后加水造粒,制成圆球再进行焙烧或养护而成。目前我国的陶粒大部分是这种品种。

(3)圆柱形陶粒

圆柱型陶粒一般采用塑性挤出成型。先制成泥条,再切割成圆柱形状。这种陶粒适合于塑性较高的等黏土原料,产量相对较低。圆柱料坯若采用回砖窑焙烧,圆柱体在窑内滚动成椭圆形。

(1)高性能陶粒

高性能陶粒是指强度较高、吸水率较低、密度较小的焙烧或免烧陶粒。轻集料的资源丰富,品种繁多。它有天然轻集料、固体废弃物轻集料和人造轻集料之分。根据它们的生成条件及性能看来,可以用来配制高性能混凝土的只有经特殊加工的高性能陶粒。国外一般称它为高性能轻集料,在我国也可称它为高强陶粒。

高性能陶粒是采用合适的原材料,经特殊加工工艺,所制造出的不同密度等级、高强度、低孔隙率、低吸水率的人造轻集料。这种轻集料的某些性能与普通密实集料相似,与普通轻集料相比性能更为优越。

(2)普通性能陶粒

普通性能陶粒是相对于高性能陶粒而言。即它的强度比高性能陶粒略低。孔隙率略高、吸水率也高。但它的综合性能仍优于普通集料。

原料(粉煤灰+定量的外加剂)混磨 制粒 烧胀 堆放 运输(装袋)

生产粉煤灰陶粒宜采用双筒回转窑,即窑体的预热段和干燥段可单独控制其转速,宁波华文根据原料的状态控制其预热时间生产的陶粒。黏土陶粒近年来由于受到土地资源的限制,在某些地区已被禁止生产和使用。但有些地区可以利用河道淤泥、废弃山土等进行生产。其工艺过程为:原料搅拌 制粒 筛选 烧结 堆放 运输(装袋)

在操作中应注意了望,防止物料在窑内结团而影响质量。

目前我国陶粒的生产设备都采用的是工业回转窑。圆筒形的主窑体与水平呈3°左右的倾角放置在托滚上。物料在高的一端进入窑内,在窑体做回转运动的作用下,物料从高处(窑尾)滚落至低处(窑头),同时,在窑头处,高压风机将煤粉(或天然气等其他燃料)喷入窑内,并使其充分燃烧,产生的热量使物料发生物理和化学变化,产生膨胀现象,冷却后既为陶粒。 [2]

生产陶粒的主体设备主要包括:原料贮存仓、降尘室、引风机、主窑体、喷煤系统、控制柜等。其中原料仓下部的喂料器、窑体转速和拱煤量均为无级调速,以便调整其工艺参数,在保证产品质量的前提下获得最大的产量。

生产页岩陶粒的辅助设备有:破碎机、筛选机、皮带输送机、上料机、出料机等。

生产粉煤灰及黏土陶粒的辅助设备有:轮碾机、双轴搅拌机、制粒机、筛选机、上料皮带机等。

采矿 一次破碎 二次破碎 筛选 暂存 喂料 烧结 成品分级筛选 堆放运输(装袋)

在操作中,应注意喂料量、给煤量、窑体转速、引风量它们之间的匹配关系,使它们调整到最佳的工艺状态。

用粉煤灰及其它工业废渣生产套陶粒是许多相关人士多年研制的课题。如今高强、轻体粉煤灰陶粒已经成功问世,各项性能指标均优于页岩和黏土陶粒。这其中除掌握其工艺要求外,外加剂也是影响其性能的主要原因。外加剂主要包括粘接剂、膨化剂和矿化剂等。不同成分的粉煤灰其外加剂成分也不尽相同。

陶粒混凝土已广泛应用于工业与民用建筑的各类型预构件和现浇混凝土工程中(如预应力和非预应力的、承重结构或围护的、隔热或抗渗的,静载或动载的)。陶粒还可应用于管道保温、炉体保温隔热、保冷隔热和隔音吸声等其他建筑材料;亦可用作农业和园林中的无土基床材料及滤水材料。

由于陶粒具有多孔、质轻、表面强度高的特殊构造,用于园林绿化、室内绿化即满足了植物含水的需要,同时也满足了透气的要求,尤其是其无粉尘、质轻的特点已经越来越多地应用到室内观赏植物的养殖中了。

陶粒除了具有多孔、轻重、表面强度高等物理性能外,在生产过程中还使其具有了一定的活性物质,因而已开始用于与日常生活有关的饮水、洗浴等方面来,如过放在饮水机中过滤饮用水、放在淋浴花洒的手柄中增加水的活性等等。

陶粒的活性物质还被大量用于工业中。生物的陶粒滤料可作为工业废水高负荷生物滤料池的生物挂膜载体,自来水的微污染水源,预处理的生物滤池,含油废水的粗粒化材料,离子交换树脂垫层,微生物干燥贮存;适用于饮用水的深度处理,它具有吸附水体中的有害元素,细菌,矿化水质,是活性生物降解有害物质效果最好的滤料,和生物滤池中最好的生物膜载体。

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