轻骨料的制备及其应用进展

王彩辉， 牛 涵， 李克艳， 李文皓， 许晨席

(1.河北省交通工程与环境协同发展新材料重点实验室，河北 石家庄 050043;2.河北省超材料与微器件工程研究中心，河北 石家庄 050043;3. 衡水市水利科学研究院，河北 衡水 053000)

轻骨料是指堆积密度不大于1 200 kg/m3的轻粗或轻细骨料，其密度范围一般为200～1 200 kg/m3，共分为11个等级，其中，堆积密度在500 kg/m3以下的为超轻粗骨料。轻骨料具有轻质高强、保温隔热、抗冻抗碱等性能优异特点，在建筑材料中被广泛研究与应用[1-5]。

天然轻骨料主要来源于多孔岩石[6]，随着使用量的增加，天然轻骨料的供给开始出现不足。为了缓解天然轻骨料的不足及工业废弃物对环境污染的压力，人造轻骨料开始出现[7]。工业废弃物当中，粉煤灰、污泥、赤泥、矿渣等较多应用于制造轻骨料，尾矿类[7-10]应用相对较少。在功能研究方面，除了轻质高强特点外，还向吸附性能等方向发展[11,12]。但就目前的应用程度来看，国内轻骨料混凝土的应用相对较少，但不乏代表性应用，如天津永定新河大桥为全轻骨料建筑。而在国外，轻骨料混凝土的应用相对广泛，如：美国的休斯顿广场大厦，荷兰的荷兰尼美金马斯·瓦尔运河上的杜肯伯格塞桥，挪威的Stolma桥与Raftsund桥等[13-15]，均为轻骨料建筑。

1 轻骨料类型

随着环境改善要求与资源枯竭压力的影响，为达到碳中和及碳达峰的国家战略计划目的，轻骨料制备所需的原料，除极少的天然轻骨料(浮石等)经简单处理直接被用作制备轻骨料混凝土外[6]，其主要原料由天然的矿物资源逐渐趋于以固废物为主，相关研究文献如表1所示，且轻骨料类型也逐渐偏向不同功能性的多孔烧胀类陶粒。

由表1可知：①可制备轻骨料的原料具有种类多、潜在价值大的特性。②轻骨料类型多样，有粉煤灰基陶粒、尾矿陶粒、废渣基陶粒、页岩基陶粒、污泥基陶粒、改性载体陶粒等。

表1 部分制备轻骨料文献

1.1 粉煤灰基陶粒

Long Ma等人[9]以粉煤灰为原料，掺加赤泥与膨润土，并配以一定量的造孔剂和泡沫稳定剂，焙烧出表观密度为731 kg/m3、堆积密度为547 kg/m3、筒压强度为3.3 MPa及吸水率为9.7%的具有良好性能的轻质陶粒。Juan Qin等人[23]利用石灰渣和粉煤灰原料，与页岩、珍珠岩、硅藻土和硅灰等不同添加剂混合，制备出以钙长石为主要物相的多孔陶粒，其密度为740 kg/m3、24 h吸水率39.03%、表观孔隙率49.49%及筒压强度4.73 MPa。Tommy Yiu Lo等人[27]以高碳粉煤灰为主要原料，成功制备出高碳粉煤灰轻骨料，并提出了一种以碳为内嵌燃料的高碳粉煤灰轻骨料烧结方法。这种高碳粉煤灰轻骨料应用于混凝土中，有利于混凝土早期强度的发展。

1.2 废渣基陶粒

Qing-xiu JING等人[7]以钨渣为主要原料，掺加一定比例的硅藻土，成功制备出废渣基陶粒，通过研究得出：在303 K条件下，陶粒对Cu2+的吸附量为9.421 mg/g。当Cu2+初始浓度为100 mg/L及投加量为0.5 g，吸附时间为300 min时，铜的去除率达94.21%，可有效吸附重金属离子，用于废水处理。

1.3 污泥基陶粒

LIU Junzhe等人[20]以污泥为主要原料，并掺加一定量的粉煤灰和淤泥，成功制备出由方石英和莫来石为主相的、密度等级为700 kg/m3、吸水率为6%、抗压强度为6.6 MPa的高性能绿色陶粒，其测定的重金属含量浸出值远低于国家标准限值，验证了固废材料再利用的安全性，证明了成品的可行性。YUE Dongting等人[21]利用脱水污泥和黄河沉积物为原料，制备出比重为454.41 kg/m3、颗粒密度为990.13 kg/m3、吸水率3.97%的超轻陶粒，其所有的物理性能均符合国家标准[37]。

1.4 页岩基陶粒

元敬顺等[38-39]以页岩为主要原料、粉煤灰为辅料及低品位的SiC为发泡剂，制备出SiC掺量为0.10%、焙烧温度分别在1 150 ℃和 1 160 ℃时，24 h吸水率分别为2.4%和2.2%、轻骨料的颗粒强度分别达到11.1 MPa和10.4 MPa、表观密度分别为1 020 kg/m3和960 kg /m3的高性能轻骨料；当焙烧温度为1 150 ℃及粉煤灰掺量为40%时，表观密度为 1 060 kg/m3、轻骨料的颗粒强度达到 9.5 MPa，24 h 吸水率仅为 2.5%，达到了高性能轻骨料要求[37]。

1.5 尾矿陶粒和改性载体陶粒

近年来，由于各矿藏的不断开发，尾矿数量也在不断累积，对环境造成了一定的污染，亟待处理与应用，因此以尾矿为主要原料的轻骨料研究逐步展开。

1.5.1 尾矿陶粒

Chuan Wang等人[26]以建造业废渣和白云鄂博尾矿为原料，制备出筒压强度为9.6 MPa且符合国家标准[37]的轻骨料。赵威等[40]以商洛市小马沟金尾矿为主要原料，粘土、长石为辅助原料，并加入高纯SiC为高温发泡剂，制备出筒压强度为10.2 MPa、堆积密度为762 g/cm3、吸水率为2.6%的高强轻质陶粒。

1.5.2 改性载体陶粒

Yue Cheng等[41]采用磁性材料对多孔陶粒进行改性。用改性多孔陶粒作载体，应用于生物膜反应器时，可为磁性改性和微生物粘附创造条件，其对化学需氧量和氨氮的去除率比活性污泥反应器高25%～30%，比无磁性载体的生物膜反应器高15%～20%。研究发现，在曝气流量为1.5 mL/h、曝气时间为10 h/d、温度为25～30 ℃的条件下，多孔陶粒生物膜反应器对化学需氧量和氨氮的去除率可达90%以上。

2 制备工艺

2.1 组分优化

虽然制备轻骨料的原料广泛，但必须遵循一定的组分比例原则。一般情况下，制备轻骨料会参考Riley三相图[42](图1)来展开，其原料含量大致范围为：SiO2，60%～70%；Al2O3，15%～25%；其它氧化物(CaO、MgO、FeO、Fe2O3、(K、Na)2O)，15%～25%。

图1 Riley三相图[42]

在此基础上，要获得良好的膨胀效果与最佳强度，需考虑原料之间的高温熔融情况及原料各组分含量对轻骨料整体性能的影响。如：YAN Jianhua等[22]将粉煤灰、玻璃粉及碱渣的混合物作为核，以废玻璃与页岩作为壳，最终成功制备出核壳结构的陶粒；但是，经Wang Liang等[43]研究证明，添加不同含量的氧化钙，可使粉煤灰的熔点出现非线性变化。因此，原料的各组分含量及各组分在高温时的相互作用情况，是制备轻骨料的关键因素之一。

2.2 成型工艺

从制备工艺的角度来讲，轻骨料分为免烧结型与烧结型轻骨料。一般情况下，免烧结型轻骨料强度相对较低，受水化程度影响[29]；烧结型轻骨料不受水化因素影响，由烧结生成相提供强度，其强度相对较大。成型工艺中除了烧结因素外，混料、拌合成型及温度控制等每个阶段对轻骨料的强度都有不同程度的影响。如干燥温度不宜过高或过低，防止造成裂纹等缺陷，以致影响轻骨料的强度；在高温焙烧时，把控气体量与液相量、气体压力与液相黏力，是制备轻骨料的轻质与高强特性的核心点。

一般轻骨料烧结成型工艺流程：称取原材料→预湿→预搅拌→成型→预热→煅烧→保温→产品。免烧结成型工艺流程：称取原材料→预湿→预搅拌→成型→养护→产品。

3 材料特性及应用方向

材料特性决定应用前景。目前，轻骨料的强度、比重、孔结构、吸附过滤性等性能研究较多，应用方面主要侧重于建筑材料和功能材料。

3.1 材料特性

比强度作为轻骨料的特性之一，越来越受到关注。笔者通过对文献[9,27,44-58]中的部分数据进行处理，得到其表观密度与颗粒强度及比强度的关系(如图2所示)。可以发现，一般情况下，轻骨料的表观密度越大，其颗粒强度越大，而比强度并没有随之显著提高，这就限制了其在工程、尤其大型建筑中的应用。因此，通过优化制备工艺及材料组成，以提高轻骨料的综合特性，是扩大其应用的有效手段。Tommy Yiu Lo等人[27]利用工业废弃物粉煤灰，将碳作为燃烧期内燃燃料，减少其烧结时间，制备出高碳粉煤灰轻骨料混凝土，可用于结构应用。付丽文[13]、刘冬学[59]及聂立武[60-61]等利用硼泥、废渣、粉煤灰等原料，成功制备出高强型与耐火型的硼泥陶粒，并应用于耐火混凝土、耐火砌块及耐火填充料中。

图2 陶粒的特性指标

3.2 应用方向

目前多利用轻骨料的轻质高强特性来制备轻骨料混凝土。叶艳霞等[1]采用轻骨料制备了纤维增强轻骨料混凝土(SFHLAC)，使轻骨料的力学强度和韧性得到了较大的改善。黄显龙等[2]采用预饱和、预饱和苯丙乳液及表面苯丙乳液三种方式改善轻骨料混凝土的阻尼及抗冻性能，结果表明，经过三种方式处理后，混凝土中的界面过渡区显著改善，混凝土的综合性能得到提升。方江华等[3]将轻骨料应用到喷射混凝土当中，研究其与聚丙烯纤维的协同增韧性能。同时，轻骨料具有多孔结构，在抗冻融方面具有一定的优势，也得到了一定的研究与应用[4-5]，隔热保温方面[62-63]也有涉及。除此之外，近几年以来，功能性轻集料的研究相继展开，主要集中在滤膜等功能性载体方面[64-65]。

4 研究建议

(1)在制备方面，应重点研究轻骨料微观层面的物化反应及形成机理。目前大多研究只是通过调整原料间的配制比例、完成基本性能测试，获得宏观数据，并未以此参数为基础做深入研究，没有进一步阐释是何种物化反应或者分子及原子间的反应所致。

(2)在性能指标方面，目前的研究多注重废弃物的再利用，很少注重轻骨料的指标的提升，特别是在比强度方面，应重点研究，以期获得较广泛的应用。