包壳型免烧结粉煤灰陶粒的制备及应用分析

朱万旭，酆磊，周红梅，栾皓翔，秦亦偲

（1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006；2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004；3.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004）

包壳型免烧结粉煤灰陶粒的制备及应用分析

朱万旭1，2，3，酆磊1，周红梅1，栾皓翔1，秦亦偲1

（1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006；2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004；3.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004）

以粉煤灰、普通硅酸盐水泥及其它添加剂为包裹料，发泡聚苯乙烯球粒为核芯，掺入一定量的界面改性剂，经配料、成球、自然养护等工艺，能够得到一种用灰量大、筒压强度高、堆积密度低的包壳型免烧结粉煤灰陶粒。以该自制陶粒为骨料，利用42.5级普通硅酸盐水泥为胶凝材料，辅以减水剂，制备出一种新型地铁轨道吸音板。试验分析了不同工况下隧道内隧道壁测点和道床测点的声压级效果。结果表明，在潮湿吸音板干燥后工况下降噪效果最佳，在干吸音板工况下降噪效果较差。对于隧道壁测点，吸音板对于250 Hz以上频段的降噪效果优于其它频段。

粉煤灰；免烧结；陶粒；吸音板；降噪

0　前言

我国电力工业的快速发展，使得粉煤灰的排放量急剧增加，2010年粉煤灰排放量达4.8亿t，到2016年排放量将达到约6亿t，给国民经济建设和生态环境造成巨大的压力[1]。近年来，国内许多高校与科研机构在粉煤灰利用开发方面进行了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果，但是粉煤灰排放量巨大，开发粉煤灰综合利用新工艺仍然非常有必要[2]。

粉煤灰陶粒的生产主要分为烧结型和免烧结型2种。烧结型采用烧结机法和回转窑生产，而且烧结型需要1300℃以上高温焙烧，生产工艺相对复杂、投资大、能耗及产品成本高。免烧结型采用蒸汽养护和自然养护法生产粉煤灰陶粒，生产工艺相对简单、投资小、成本低、节能环保，因此备受国内外人士的青睐[3]。免烧结粉煤灰陶粒的堆积密度一般在800～1000 kg/m3，在一定程度上制约了它的发展和应用。针对这一问题，本文研究了利用粉煤灰、普通硅酸盐水泥及其它添加剂为包裹料，对发泡聚苯乙烯球粒进行包裹的包壳型免烧结粉煤灰陶粒的制备方法，技术性能和应用进行了研究。

1　实验

1.1实验原材料

粉煤灰：Ⅱ级，外观呈暗灰色，细度为0.045 μm筛筛余18.4%，广西柳州发电有限责任公司，化学成分见表1。

表1　粉煤灰的主要化学成分%

水泥：柳州鱼峰水泥集团生产的42.5级普通硅酸盐水泥，安定性合格，表观密度3100 kg/m3。主要技术指标见表2。

表2　水泥的主要技术指标

发泡聚苯乙烯球粒：粒径3～5 mm，堆积密度6.2～6.5 kg/ m3，导热系数0.02～0.03 W/（m·K）。

激发剂：细磨生石灰粉、熟石膏。

外加剂：水玻璃。

界面改性剂：三乙醇胺。

1.2包壳型免烧结粉煤灰陶粒的生产工艺流程（见图1）

图1　包壳型免烧结粉煤灰陶粒的生产工艺流程

1.2.1发泡聚苯乙烯球粒界面处理

未经表面处理的发泡聚苯乙烯球粒无法与粉料进行包裹，需喷涂界面改性剂，对其表面进行粗糙化处理，使粉料能够容易包裹其表面。经反复试验，确定了一种价格低廉、粘结性高、成球过程中不易破壳的有机类化合物三乙醇胺作为界面改性剂。

1.2.2造粒制备

将上述经表面处理的发泡聚苯乙烯球粒投入造粒机（见图2）中，调节好造粒机的转速和倾斜角，逐步撒入粉料，并向混合料中喷入雾化水，造粒机内连续转动，继续进行喷雾使球粒的包壳尺寸逐渐增大，以达到所需要求。

图2　造粒机

1.2.3造粒参数确定

造粒过程参数主要有造粒机转速、倾角、粉料加入时间、雾化水喷洒时间等。另外，粉料加入位置、雾化水喷洒位置与最终水灰比也是影响陶粒质量的重要因素。

1.2.4造粒养护工艺

刚包壳成球的陶粒强度较低，转运过程中操作不当很容易造成破损。因此，及时进行堆存和养护对该陶粒的强度影响很大。该陶粒的早期养护在塑料桶中进行，约20min陶粒开始发热，温度逐渐升高，加速粉料的硬化，有助于提高球粒与粉料的粘结强度。此时，对该陶粒进行封闭保湿养护，24h后进行喷水养护，然后封存使其强度继续提高，自然养护28 d后进行性能测试。试验制备的包壳型免烧结粉煤灰陶粒如图3所示。

图3　包壳型免烧结粉煤灰陶粒

2　包壳型免烧结粉煤灰陶粒的主要技术性能

堆积密度、筒压强度、吸水率是包壳型免烧结粉煤灰陶粒的主要技术指标，并决定其使用价值和应用范围。依据GB 17431.1—2010《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》要求，对试验所获得的包壳型免烧结粉煤灰陶粒进行性能比较，按GB 17431.2—2010《轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》进行性能测试。实验的16批陶粒配方及其主要技术性能见表3、表4。

表3　包壳型免烧结粉煤灰陶粒的试验配方

表4　包壳型免烧结粉煤灰陶粒的主要技术性能

从表4可以看出，按F15配方制备的陶粒堆积密度适中，筒压强度和吸水率高。由此最后确定制备包壳型免烧结粉煤灰陶粒的试验配方为：m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（聚苯乙烯球粒）∶m（激发剂）∶m（外加剂）∶m（界面改性剂）=213∶42∶19∶17∶10∶9。

2.1堆积密度

从实验结果分析来看，该陶粒的堆积密度为500～650 kg/m3，比实心自然养护粉煤灰陶粒低1～3个等级，相当于普通陶粒的600、700密度等级。影响该陶粒堆积密度的主要因素是包壳的厚度，在聚苯乙烯球粒粒径相同的情况下，包壳厚度越厚，堆积密度越大。包壳厚度相近的情况下，聚苯乙烯球粒粒径越大，其堆积密度也越大。

2.2筒压强度

从实验结果看，不同堆积密度的包壳型免烧结粉煤灰陶粒的筒压强度一般为0.4～1.6 MPa，比GB 17431.1—2010中的普通轻粗集料、超轻粗集料低1～2个等级。该陶粒筒压强度偏低的主要原因是聚苯乙烯球粒的包壳结构与普通实心陶粒结构不同。一方面，薄壳结构抗弯应力的能力小，在很小的点接触压力下就被挤破，导致筒压强度降低。另一方面，包壳型免烧结粉煤灰陶粒粒径过于均匀，堆积时空隙率偏大，造成筒压强度偏低。但是这些空隙的存在使吸声性能得到有效的提高。

3　包壳层增强机理分析

3.1主要原理

从物相结构上看，粉煤灰活性的来源主要来自铝硅玻璃体，这种非晶质的玻璃相处于暂时稳定的状态，但它始终保持着向更加稳定状态转化的趋势。提高粉煤灰活性的根本机理和途径就是打破它所处的介稳状态，使粉煤灰游离出更多可溶性的SiO2和Al2O3，它们与石灰或水泥水化生成的Ca（OH）2作用，生成具有水硬性的胶凝材料水化硅酸钙和含铝水化合物，从而使陶粒产生强度。

3.2激发剂的激发作用

3.2.1生石灰的激发作用

受天然火山灰加石灰制备胶凝材料的启发，将生石灰作为激发粉煤灰活性的首选材料。由于粉煤灰呈酸性，在强碱的作用下粉煤灰会受到强烈的侵蚀作用，能打破玻璃体表面的Si—O、Al—O键。CaO的水化产物Ca（OH）2与SiO2和Al2O3化合生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。由于CaO在水化过程中极具活性，进一步加速这一反应过程。

3.2.2熟石膏的激发作用

本实验所用的熟石膏含硫酸盐（硫酸钙），硫酸盐可激发粉煤灰、生石灰系统的水化反应，其机理为：熟石膏先水化生成二水石膏，粉料加水混合后，生石灰溶解于水产生OH-和Ca2+离子，OH-能破解粉煤灰铝硅玻璃体中的Si—O和Al—O键，在硫酸盐作用下，Ca2+与破解的Si—O、Al—O键反应生成具有水硬性的胶凝材料产生强度。经XRD图谱分析，发现大部分水化产物是水化硅酸钙凝胶（C-S-H）、水化铝酸钙（C-A-H）和钙矾石（A-F），是陶粒产生一定强度的主要原因。

3.2.3水玻璃的激发作用

水玻璃除了能作为粘结剂之外，还可以起到激发剂的作用。水玻璃的主要成分是Na2O·nSiO2，在水溶液中发生水解反应，而生成的硅酸溶胶SiO2并不稳定，其中一部分Si—O键容易互相交联形成网状聚合物。另有少量硅酸溶胶SiO2，在碱性环境中与粉煤灰玻璃体进一步发生反应。水玻璃的加入，配合了生石灰和石膏的激发作用，更好地提高了粉煤灰玻璃体的激发效果。

4　应用

目前，国内外地铁轨道上无砟轨道道床的吸音板材料的骨料主要为：陶瓷类、轻质混凝土类、无机类、烧结陶粒类[6-7]。本实验制备的包壳型免烧结粉煤灰陶粒主要作为地铁吸声材料的骨料，以水泥作为胶凝材料，辅以减水剂，经混合、搅拌、压制及养护等工艺制作出一种新型地铁轨道吸音板[9]。

4.1吸音板制作工艺

吸音板主要原材料为自制包壳型免烧结粉煤灰陶粒、普通硅酸盐水泥和外加剂，其配合比见表5。

表5　包壳型免烧结粉煤灰陶粒吸音板的配合比

单块板的尺寸为1180 mm×1000 mm×170 mm。模具分2部分，侧板和盖板。采用线切割的钢模制作吸音板，减小其安装过程中的累积误差，确保吸音板的精确安装。陶粒吸音板模具如图4所示。

图4　吸音板模具

包壳型免烧结粉煤灰陶粒吸音板制作过程为：（1）组装模具并在其表面涂上机油；（2）按配合比计算称量所用原材料；（3）将自制陶粒、水泥投入强制式搅拌机中，使拌合料充分混合均匀，将减水剂与拌合水混合慢慢加入拌合料中；（4）待搅拌数分钟，拌合料成半干松状态时，将其到入模具中并压制成型；（5）0.5 h后拆模，吸音板试块用塑料薄膜覆盖并进行洒水养护；（6）试块养护时间不少于7 d；（7）养护后使其在空气中自然干燥。制备的轨道吸音板如图5所示。

图5　吸音板

4.2检测方法

为检测轨道吸音板的降噪性能，在北京交通大学地下与隧道工程实验室内进行现场模拟测试。首先，将吸音板安放在轨道内；其次，通过一台轨道振源发生器SBZ30（如图6），用于模拟列车噪声；然后，在道床和隧道壁分别安装测点，利用INV 3018C型24位高精度数据采集仪和INV9206型声压传感器采集数据；最后，通过测试吸音板放置前后混响时间的差值，依据无吸音板工况、安装干燥吸音板工况、安装半饱和（含水）吸音板工况、安装饱和（含水）吸音板工况、潮湿吸音板干燥后工况的吸声数据，推导出隧道内声压级衰减值，从而对吸音板的吸音性能进行分析。

无吸音板工况是指在隧道工程实验室内不安装吸音板（背景）；干燥吸音板工况是指在验室内安装，在自然条件下养护28 d后的干燥吸音板；饱和（含水）吸音板工况是指安装含水率约为90%～100%的吸音板；半饱和（含水）吸音板工况是指安装含水率约为50%的吸音板；潮湿后干燥吸音板工况是指在实验室内安装，在温度（20±2）℃、相对湿度95%条件下养护28 d后的干燥吸音板。

图6　列车噪音模拟设备

4.3降噪效果分析

将道床测点和隧道壁测点的声压级倍频程谱测试结果进行平均，对比各测点的声压级倍频程谱如图7、图8所示。

由图7、图8可见：

（1）干吸音板工况下，道床声压级（A）有效值降低4 dB，平均值降低4 dB，最大值降低3.3 dB。隧道壁声压级有效值降低4.1 dB，平均值降低4.3 dB，最大值降低3.4 dB。

图7　不同工况隧道壁1/3倍频程中心频率

图8　不同工况道床1/3倍频程中心频率

（2）饱和（含水）吸音板工况下，道床声压级（A）有效值降低5.1 dB，平均值降低5.1 dB，最大值降低4.7 dB。隧道壁声压级（A）有效值降低5.1dB，平均值降低5.1dB，最大值降低4.2dB。

（3）半饱和（含水）吸音板工况下，道床声压级有效值降低5.5 dB，平均值降低5.5 dB，最大值降低5.1 dB。隧道壁声压级有效值降低4.9 dB，平均值降低4.9 dB，最大值降低4.7 dB。

（4）潮湿吸音板干燥后工况下，道床声压级有效值降低5.5 dB，平均值降低5.5dB，最大值降低5.6dB。隧道壁声压级有效值降低5.5dB，平均值降低5.5dB，最大值降低4.8dB。

（5）对于道床测点，吸音板对于100 Hz以下、500 Hz以上频段的降噪效果优于其它频段；对于隧道壁测点，吸音板对于250 Hz以上频段的降噪效果优于其它频段。

5　结论

（1）包壳型免烧结粉煤灰陶粒的原料以粉煤灰为主，没有原料的地区限制，可减少电厂排灰的占地面积，有利于治理环境污染，是工业废料资源化利用的有效途径之一。

（2）该陶粒只需要自然养护，无环境污染，生产工艺简单，投资相对不大，可有效地降低陶粒的制作成本。

（3）以包壳型免烧结粉煤灰陶粒为骨料制作的吸音板，在干吸音板工况下道床和隧道壁降噪较差，有效值降低4.3dB；饱和（含水）吸音板和半饱和（含水）吸音板工况下道床和隧道壁降噪效果一般，有效值分别降低5.1、4.9dB；潮湿吸音板干燥后工况下道床和隧道壁降噪效果最佳，有效值降低5.5dB。

（4）利用自制陶粒制备的吸音板，由声压级时程测试结果可知，陶粒吸音板的降噪效果都达到3～5 dB且吸音效果稳定。对于道床测点，吸音板对于100 Hz以下、500 Hz以上频段的降噪效果优于其它频段；对于隧道壁测点，吸音板对于250 Hz以上频段的降噪效果优于其它频段。

[1]王鹏飞.粉煤灰综合利用研究进展[J].电力环境保护，2006（2）：42-44.

[2]邹志祥，张瑜，董众兵.粉煤灰制免烧陶粒的实验研究[J].煤炭转化，2007（2）：73-76.

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Analysis of preparation and application of shell type non-sintered fly ash ceramsite

ZHU Wanxu1，2，3，FENG Lei1，ZHOU Hongmei1，LUAN Haoxiang1，QIN Yicai1
（1.College of Civil and Architecture Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；2.Guangxi Key Laboratory for Geotechnics，Guilin 541004，China；3.College of Civil and Architecture Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China）

With fly ash，ordinary Portland cement and other additives for the package material，polystyrene spheres as core，the incorporation of a certain amount of interface modifier，through dosing，ball forming，natural curing process，shell type non-sintered fly ash ceramsite with mass ash，high cylinder pressure intensity，and low bulk density was obtained.Using the self-made ceramsite as aggregate，using 42.5 ordinary Portland cement as cementitious material，supplemented by water reducing agent，a new type of track sound-absorbing panels was prepared.The measure point and its sound pressure level effects on tunnel wall are measured under different conditions.Results show that under dry condition of sound-absorbing panels（wet and dry）noise reduction effect is the best while in dry sound-absorbing plate under the condition of noise reduction effect is poor.The noise reduction effect of sound-absorbing board above 250 Hz band is better than other band.

fly ash，non-sintered，ceramsite，acoustic board，noise reduction

TU55+2

A

1001-702X（2016）10-0090-05

2016-04-13

朱万旭，男，1972年生，广西玉林人，教授，主要从事建筑新材料研发与预应力技术及相关研究开发。