生产管理知识_污泥陶粒及其砌块的生产中试论文

无机非金属材料工程 李亚辉 089024369 指导教师：樊传刚 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共2页第1页 陶粒由于具有容重轻、相对强度高、保温隔热性能好、抗冻性能好等优秀的性能， 在建筑材料、耐火材料、保温材料和过滤材料等方面得到了广泛的应用。本论文以污 泥、粉煤灰和粘土为原料，按干污泥：粉煤灰：粘土=50：40：10的比例进行配合，经 过造粒、干燥、烧制的中试过程得到了污泥陶粒产品。通过对不同烧结温度下获得陶粒 性能的系统分析，发现污泥陶粒在1100C烧结时的性能最好，其筒压强度达到5.7 MPa、堆积密度为796kg/m3。另外本文还以污泥陶粒、水泥、石子、石粉等为原料， 按一定比例配合后制备了陶粒混凝土和砌块等中试产品，中试结果表明：水泥（11 wt%）、石粉（69wt%）、污泥陶粒（20wt%）配料所制成的砌块性能最好，传热系数 0.62W/(m2K)、抗压强度5.2MPa、容重796kg/m3，力学性能和热学性能都超过了同 级别的加气混凝土砌块。 关键词：污泥；陶粒；陶粒砌块；中试 污泥陶粒及其砌块的生产中试污泥陶粒及其砌块的生产中试 摘要 Pilot plant test producing of sludge ceramisite and its building blockPilot plant test producing of sludge ceramisite and its building block 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共2页第2页 AbstracAbstract t Keramzitehaswidelyapplicationsasbuildingmaterials,refractorymaterials,heat insulationmaterials,andfiltrationmaterialsduetoitslightweight,highstrength,insul ation performanceassoonasthefreezingproofbehaviorofit.ThispaperintroducedthePilotplant testproducingofsludgekeramzitewiththebatchingratioofgreenkeramzitebeing50wt%:40 wt%:10wt%forthedrysludge:ash:clay,andthesludgekeramzitewerepreparedafterthe granulation,thedrying,andfiringprocesses.Fortheresultingkeramzitefiredatdifferen t temperature,thesamplesinteredat1100oChadthedesirableproperties,forinstanceithadt he cylindercompressivestrengthof5.7MPaandstackingdensityof796kgm-3. Inaddition,thispaperalsointroducedthepilotplanttestproducingoflightaggregate concreteblockusingthesludgekeramzite,cement,carpolite,stonepowderasrawmaterials. Theresultsofpilotplanttestproducingshowedthattheaspreparedconcreteblockhadthe desirablepropertiesmorethanthegasaddingconcreteblockatsameweightlevel.Thisblock hadthebatchingratioofcementbeingstonepowder:sludgekeramzite=11:69:20,anditsheat transfercoefficientbeing0.62W/(m2K),itscompressivestrengthbeing5.2MPaassoonasi ts unitweightbeing796kg/m3. sludge;keramzite;keramziteblock;pilotplanttest Keywords:Keywords: 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第1页 引言 随着我国社会经济的快速发展和城市人口的日益增加，城市污水厂的数量和处理水 量也在日益增多，污水处理过程中所产生的大量剩余污泥的处置问题也就尤显突出，成 为迫切需要解决的环保问题。污水中不仅含有丰富的有机物及氮、磷等营养元素，同时 还含有重金属、病原菌和寄生虫等有害物质，如果不加处理的任意排放，不仅会对环境 造成二次污染，同时也是对资源的极大浪费。目前污泥的处置办法有：焚烧处理、填埋 处理、制作肥料、制造陶粒。但是在这些处置方法中焚烧会浪费更多的燃料，填埋则容 易污染地下水。制造污泥陶粒是将污泥合理利用的方式之一，当污泥作为主要原料制成 陶粒以后，可使陶粒拥有良好的性能。完全可以用污泥陶粒代替建筑粗集料来生产陶粒 混凝土和陶粒砌块，陶粒砌块具有质量轻、保温性能好、隔音、便于施工等一些列显著 优点，是普通砌块所无法达到的。 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第2页 1文献综述 1.1我国的建筑节能 1.1.1我国建筑节能的现状 改革开放以来，随着我国经济的迅速发展，居民生活水平的不断提高，人们对居住 质量的要求也越来越高。中国是一个发展中的大国，也是一个建筑大国，每年新建房屋 面积高达17-18亿平方米，超过所有发达国家每年建成建筑面积的总和。随着全面建设 小康社会的逐步推进，建设事业迅猛发展，建筑能耗迅速增长。所谓建筑能耗是指建筑 使用能耗，包括采暖、空调、热水供应、照明、炊事、家用电器、电梯等方面的能耗。 其中采暖、空调能耗约占60%70%。中国既有的近400亿平方米建筑，仅有1%为节能 建筑，其余无论从建筑围护结构还是采暖空调系统来衡量，均属于高耗能建筑。单位面 积采暖所耗能源相当于纬度相近的发达国家的23倍。这是由于中国的建筑围护结构保 温隔热性能差，采暖用能的2/3白白跑掉。而每年的新建建筑中真正称得上“节能建 筑”的还不足1亿平方米，建筑耗能总量在中国能源消费总量中的份额已超过27%，逐 渐接近三成。所以建筑节能就成为我们为实现可持续发展所必须要解决的一个重大问 题。 我国以前的建筑用砖大部分都是烧成的实心粘土砖，这种砖需要高温烧成，而且还 要以粘土为原料，成本高，造成的污染大，在我国，墙体材料约占整个房屋建筑材料的 70%，其中粘土砖在墙材中仍居主导地位，生产实心粘土砖所需的粘土资源更属可耕地 中较优质的粘土，因此，其对土地资源的破坏可见一斑。据统计，目前全国尚有砖瓦企 业9万多家，占地超过500多万亩，每年生产的粘土砖约6000多亿块，耗用粘土资源 13亿立方米，按平均挖土深3米折算，相当于每年毁田约70万亩。如在“天府之国” 成都平原，仍有粘土砖瓦厂300多家，年生产能力达30多亿块，占用、抛荒的优质农 田达2.6万亩。所以现在迅速发展起来的是各种空心砌块、陶粒砌块、泡沫混凝土砌块 等等。 1.1.2建筑节能的意义 由于中国是一个发展中国家，人口众多，人均能源资源相对匾乏。人均耕地只有世 界人均耕地的1/3，水资源只有世界人均占有量的1/4，已探明的煤炭储量只占世界储量 的11%，原油占2.4%。每年新建建筑使用的实心粘土砖，毁掉良田12万亩。物耗水平 相较发达国家，钢材高出10%25%，每立方米混凝土多用水泥80公斤，污水回用率 仅为25%。国民经济要实现可持续发展，推行建筑节能势在必行、迫在眉睫。目前，中 国建筑用能浪费极其严重，而且建筑能耗增长的速度远远超过中国能源生产可能增长的 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第3页 速度，如果听任这种高耗能建筑持续发展下去，国家的能源生产势必难以长期支撑此种 浪费型需求，从而不得不被迫组织大规模的旧房节能改造，这将要耗费更多的人力物 力。在建筑中积极提高能源使用效率，就能够大大缓解国家能源紧缺状况，促进中国国 民经济建设的发展。因此，建筑节能是贯彻可持续发展战略、实现国家节能规划目标、 减排温室气体的重要措施，符合全球发展趋势。 1.2污泥陶粒 1.2.1污泥 （1）污泥 在城市污水和工业废水处理过程中产生的沉淀物，包括污水中所含固体物质、悬浮 物质、胶体物质以及从水中分离出来的沉渣，统称为污泥。正是这些污泥的不断产生， 才促使污染物与污水分离，完成污水的净化。随着我国经济的高速发展，城市污水厂的 数量和处理水量日益增多，随之产生的污泥量也日益增加。污水中不仅含有丰富的有机 物及氮、磷等营养元素，同时还含有重金属及病原菌等有害物质，如果不加处理的任意 排放，不仅会对环境造成二次污染，同时也是对资源的极大浪费1-2。污泥中重金属种 类及含量见表1.1。污泥本身必须及时有效地处理和处置，确保做到“四化”“减 量化”、“稳定化”、“无害化”、“资源化”，才能保证污水处理厂的正常运行和处 理效果，保护环境。目前已有的污泥处置方法中，采用焚烧处理不仅会对大气造成污 染，而且还浪费燃料能源；而采用填埋处理，则污泥中的重金属、病原菌等污染成分会 对地下水造成污染1-3；另外人们还试图将污泥焚烧后的灰烬用作活性微粉去改善混凝 土的性能4-5；污泥也可以用于制造陶粒，但在陶粒配料中一般只占10%左右3,6-7。随着 研究的更加深入，污泥在陶粒配料中的比例已经有了很大的提高。 表1.1污泥中的重金属种类及含量 重金属mg/kg干污泥 Cu575 Zn2770 Pb224 Cr379 Hg13 As76 Cd11 （2）污泥的分类 1）原污泥：未经污泥处理的初沉污泥。二沉剩余污泥或两者的混合污泥。 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第4页 2）初沉污泥：从初沉淀池排出的沉淀物。 3）二沉污泥：从二次沉淀池（或沉淀区）排出的沉淀物。 4）活性污泥：曝气池中繁殖的含有各种好氧微生物群体的絮状体。 5）消化污泥：经过好氧消化或厌氧消化的污泥，所含有机物浓度有一定的降低，并 趋于稳定。 6）回流污泥：由二次沉淀（或沉淀区）分离出来，回流到曝气池的活性污泥。 7）剩余污泥：活性污泥系统中从二次沉淀池（或沉淀区）排出系统外的活性污泥。 8）污泥气：在污泥厌氧消化时，有机物分解所产生的气体，主要成分为甲烷和二氧 化碳，并有少量的氢、氮和硫化氢、俗称沼气。 （3）污泥的成分 污泥的主要成分：一般污水处理厂产生的污泥为含水量在75%99%不等的固体或 流体状物质。其中的固体成分主要由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体及絮凝所用 药剂等组成，是一种以有机成分为主，组分复杂的复合物，其中包括含有潜在利用价值 的有机质、氮、磷、钾和各种微量元素。污泥的主要化学组成见表1.2。不同种类污泥 中营养成分含量见表1.3。 表1.2污泥的主要化学组成( wt /%) 原料SiO2Fe2O3Al2O3CaOP2O5MgOK2O和Na2O 干污泥25.925.210.69.316.02.73.7 表1.3不同种类的污泥营养物质含量范围（%） 污泥类型总氮（TN）磷（P2O5）钾（K）腐殖质 初沉污泥2.03.41.03.00.10.333 生物滤池污泥2.83.11.02.00.110.847 活性污泥3.57.13.35.00.20.441 1.2.2陶粒 （1）陶粒的概念 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。陶粒的粒 径一般为520mm，最大的粒径为25mm。陶粒一般用来取代混凝土中的碎石和卵 石。 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第5页 陶粒的外观颜色因所采用的原料和工艺不同而各异。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。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。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。 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5mm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。 （2）陶粒的分类 按陶粒的原料分： 1)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5mm以上的轻粗集料，简称粉煤灰陶粒。 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5mm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5mm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 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第6页 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、大气造成了很大的污染。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。 （3）陶粒的性能 颗粒之所以在全世界得到了快速的发展，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。 1)密度小、质量轻。 陶粒自身的堆积密度小于1100kg/m3，一般为300900kg/m3。以陶粒为集料制作 的混凝土密度为11001800kg/m3，相应的混凝土抗压强度为30.540.0Mpa。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，而相同标号的普通混凝土的密度却高达 2600kg/m3，二者相差1000kg/m3。 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第7页 2)保温、隔热。 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 0.30.8W/（mk），比普通混凝土低12倍。所以，陶粒建筑都有良好的热环境。 3)耐火性好，陶粒具有优异的耐火性。 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%。 4)抗震性能好 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。 5)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%。1985年有关部门对全国自1976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30mm，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。 1.2.3污泥陶粒 污泥陶粒最早由NakouziS.等人提出6，是以污泥为原料，掺加适量辅料，经过造 粒成球、焙烧而形成的。是一种优良人造轻集料，其内部呈蜂窝状结构，所以具有质量 轻、强度高、导热系数低、吸水率低等特点。陶粒早在20世纪50年代引入我国后发展 迅速，到现在国内陶粒市场已经日趋成熟，但传统的陶粒生产工艺主要以粘土作为主要 原料，这与我们的可持续发展战略是冲突的。所以近年来，以粉煤灰陶粒为代表的利用 工业生活废弃物为主要原料的陶粒产品得到了很大的发展。 现在生产污泥陶粒的原料主要有：污泥、炉渣、粉煤灰、粘土等等。把各种原料按 一定比例混合好，经过机械搅拌，使种原料混合均匀，然后利用造粒机成型各种形状的 生陶粒。生陶粒经过烘干脱水，即可进炉烧制，根据原料和所需陶粒的性能来设定具体 的烧成温度，烧成冷却后的陶粒即为所需。 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第8页 1.3陶粒砌块 随着社会的进步，建材行业的技水平不断提高，各种轻质墙体材料的相继出现，成 为多层和高层框架结构的隔墙材料，用它们取代粘土砖这一传统墙体材料成为历史必然 结果。由于烧成粘土砖要经过烧制，浪费能源，浪费土地资源。这完全不符合我国的可 持续发展战略的要求，所以烧成粘土砖被禁止生产，而现在发展起来的是各种空心砌 块，混凝土自保温砌块等。这些砌块由水泥与集料安一定比例配合和水经过搅拌、机械 加工成型，并在一定温度和湿度条件下养护硬化。工艺过程中减少了烧制过程，而且不 使用粘土，完全节省了燃料和粘土资源。很好的符合了国家的可持续发展战略。 1.3.1普通集料混凝土 普通混凝土是指以水泥为主要胶凝材料，石子和砂子为集料，必要时掺入化学外加 剂和矿物掺合料，按适当比例配合，经加水搅拌、密实成型及凝结固化而成的具有一定 强度的“人工石材”，即水泥混凝土，它是目前工程上使用量最大的混凝土品种8。 “混凝土”一词通常可简作“砼”。 （1）普通混凝土的主要优点8 1)原材料来源丰富。混凝土中约70%以上的材料是砂石料，属地方性材料，可 就地取材，避免远距离运输，因而价格低廉。 2)施工方便。混凝土拌合物具有良好的流动性和可塑性，可根据工程需要浇筑成 各种形状尺寸的构件及构筑物。既可现场浇筑成型，也可预制成型。 3)性能可根据需要设计调整。通过调整各组成材料的品种和数量，特别是掺入不 同外加剂和矿物掺合料，可获得不同施工和易性、强度、耐久性或具有特殊性能的混凝 土，满足工程上的不同要求。 4)抗压强度高。普通混凝土的抗压强度一般在1060MPa之间。当掺入高效减水 剂和矿物掺合料时，强度可达100MPa以上。而且，混凝土与钢筋具有良好的匹配性， 浇筑成钢筋混凝土后，可以有效地改善其抗拉和抗折强度低的缺陷，使混凝土能够应用 于各种结构部位。 5)耐久性好。原材料选择正确、配和比合理、施工养护良好的普通混凝土具有优 异的抗渗性、抗冻性、抗碳化性能和耐腐蚀性能，且对钢筋有保护作用，可保证混凝土 结构的长期使用性能稳定。 （2）普通混凝土存在的主要缺点 1)自重大。随着科学技术的进步，建筑结构逐渐向着高层化、大跨度化及结构轻 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第9页 质化方向发展。由于普通集料混凝土强度高、徐变小等优点而被广泛地应用在大跨径公 路桥梁结构中，然而普通集料混凝土的表观密度较大，一般在2400kg/m3左右，故普通 集料混凝土结构物自重较大，限制了其在各种工程结构中进一步的应用。 2)抗拉和抗折强度低，抗裂性差。混凝土的抗拉强度一般只有抗压强度的1/20 1/10，且易开裂。 3)收缩变形大。水泥水化凝结硬化引起的自身收缩和干燥收缩达50010-6m/m以 上，易产生混凝土收缩裂缝。 1.3.2轻集料混凝土 轻集料混凝土（又名轻集料混凝土，LightweightAggregateConcrete，LWAC或 LC）是指用轻粗集料、轻砂（或普通砂）、水泥和水，必要时加入化学外加剂和矿物 掺合料配制而成的，并且在标准养护条件下，28d龄期的干表观密度不大于1950kg/m3 的混凝土9-10。 （1）轻集料混凝土的主要优点 1）轻质高强特征明显，综合经济效益好 混凝土的强质比是指混凝土的28d抗压强度与其干表观密度之比，它是衡量材料轻 质高强性能的指标之一。强质比越高，材料的轻质、高强特征越显著。相对于钢材而 言，普通混凝土的强质比显然很低，虽然强度在100MPa以上的超高强混凝土研发使得 混凝土的强质比得到了较大的增加，但是随着强度的提高，混凝土的脆性也显著增加， 因此制约了超高强混凝土的推广与应用。相比之下，高性能轻集料混凝土无疑是高层与 大跨度结构的理想建筑材料11。CL30以上的高强轻集料混凝土的表观密度为1600 kg/m31900kg/m3，比同强度等级的普通混凝土轻25%30%。尽管高强轻集料混凝土 单方造价比同强度等级的普通密度混凝土高，但由于前者的使用减轻了建筑物的自重， 能显著地降低基础处理费用，或者在不增加基础处理费用的前提下，增加建筑高度，扩 大使用面积，具有显著的综合经济效益。国内外工程实践证明，20层以上的高层建筑， 采用高强轻集料混凝土可降低工程造价10%左右11。 2）高耐久性 轻集料混凝土具有与普通密度混凝土相当的耐久性。如50MPa100MPa的高强轻 集料混凝土具有非常低的渗透性和良好的抗冻性。由于轻集料本身是多孔材料，其微孔 微管系统在搅拌时能吸收一定量的水分，减少了贴近界面区的水膜层厚度，还能在水泥 水化过程中不断地释放水分，通过促进水泥水化反应促使了混凝土强度的快速提高。陶 粒的表面构成物质主要为硅酸盐和铝硅酸盐玻璃相，它们具有潜在的水硬活性，能够与 水泥水化生成的Ca(OH)2发生化学反应。此外，陶粒表面粗糙且具有大量的沟纹和凹 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第10页 槽，既防止了形成任何择优取向的晶体，又增加了与水泥石的机械啮合作用。这些微观 结构上的特点使混凝土中最薄弱的环节集料与胶结料界面过渡区的性能得到增强， 使混凝土的整体结构更加均匀，从而使混凝土体系的耐久性得到提高12-15。轻集料的多 孔性可以缓解水结冰而产生的膨胀应力，使得轻集料混凝土具有良好的抗冻性。日本学 者研究了由高性能轻集料配制的混凝土的抗冻性，发现经过300次冻融循环后其质量损 失仅为0.2%1.4%10。 混凝土的主要成分是水泥和集料。集料包括石子和砂子，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。碱集料反应常常是导致混凝土耐久性不良的重要原因。由于 轻集料是以硅酸盐类岩石或粘土为主要原料，经过高温烧结而成，表面粗糙多孔且含有 大量SiO2和Al2O3玻璃体，所以轻集料表面也具有一定的火山灰活性。虽然轻集料也是 一种具有碱活性的集料，但是它的多孔性和低弹性模量特点可以有效缓解碱集料反应形 成的巨大应力，从而使混凝土结构免遭破坏14-15。轻集料混凝土在近百年的应用历史 中，还没有发现建筑因遭受碱集料反应被破坏的事例。1985年有关部门对我国自1976年 以来所建的轻集料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，测得的碳化深度一般不大于30mm，后期强度还可以 继续增长。日本在1983年对使用已达20年的360例、混凝土总用量超过40万m3的土木工 程质量跟踪调查的结果也证明了这一点。 另外轻集料混凝土还具有抗渗性能好的优点，这是由于轻集料混凝土的“双微孔” 微泵性能，其界面粘结非常好，堵住了水路，抗渗性能优良。1970年天津用20MPa的轻 集料混凝土建造的防空通道（深3m，地下水位0.9m），至1980年检查时没有发现渗漏 现象。宁波建造的两条20MPa的轻集料混凝土囤船（载重量80t），水上作业十余年从 未出现渗漏现象。因此轻集料混凝土是建造水坝、地下工程的优良建筑材料之一。由此 可以看出，轻集料混凝土是一种无碱集料反应危险、具有抗冻性能和高抗渗性能的新型 建筑材料，应大力推广使用。 3）多功能性 1具有隔热、保温、保湿功能。轻集料混凝土具有均质多孔的内部结构特征，故 具有良好的保温隔热功能，是一种优异的节能材料。干燥状态人造轻集料混凝土的导热 系数一般为0.210.84W/(mK)，远低于普通混凝土1.862.09W/(mK)和优于砖砌体 0.81W/(mK)，与普通粘土砖相比，不仅强度高，整体性好，而且保温性能良好。用 它制作墙体时，在同等的保温要求下，可使墙体的厚度减少40%以上，从而使墙体的自 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第11页 重可减轻一半以上，22cm厚的轻集料混凝土墙板热阻值相当于37cm厚的砖墙。因此从 建筑节能方面考虑，采用高性能轻集料混凝土作墙体材料，较传统的实心粘土砖或普通 混凝土可节能约30%50%。如果考虑用于夏季降温的能耗，全年总建筑的节能将达到 40%60%。所以，轻集料混凝土建筑都有良好的建筑节能效果。同时，在室内空气湿 度较高的情况下，轻集料能够吸入空气中的水分，反之，当室内空气湿度较低时，轻集 料又会自动释放出水分，起到保温、保湿的作用16。 2耐火性好。一般建筑物发生火灾时，普通密度混凝土耐火时间仅为1h，而轻集 料混凝土耐火时间可达4h。在600高温下，轻集料混凝土能维护室温强度的85%以 上，而普通混凝土只能维持35%75%17。 3抗震性能良好。轻集料混凝土由于自重轻、弹性模量较低、极限变形能力高于 普通混凝土，用它建造的建筑物，在地震荷载作用下，所承受的地震力小；其构筑物在 地震荷载下对冲击波能量的吸收较快，使震动波的传递较慢；另外，轻集料混凝土的自 振性能比普通混凝土要好，故轻集料混凝土建筑具有较好的抗震性能18。研究表明，轻 集料混凝土的相对抗震系数为109，普通混凝土为84，而砖砌体仅为6410。例如，1976 年唐山大地震之后，天津建造的四栋轻集料混凝土大板建筑均基本完好，震后能照常使 用，而其周围相当数量的砖混建筑都不同程度地受到了破坏；1976年意大利费留利地区 发生9级的强烈地震，震后统计资料表明，砖混建筑物损坏率达40%60%，框架结构的 粘土空心砖建筑损坏率为33%，而轻集料混凝土建筑的损坏率只有5%19。这两个例子 有力地说明了轻集料混凝土的抗震性好特点。由于轻集料混凝土具有较好的抗震性能， 美国在Benicia-Martinez大桥上使用了轻集料混凝土，以抵抗1000年2000年一遇的地震 20。我国云南昆明地区处于地震带，因此有关行业管理部门和设计施工单位目前也正在 积极推广使用轻集料混凝土去建造民用建筑。 然而，在材料的使用性能上，轻集料混凝土仍有许多突出的缺点亟待解决。 （2）轻集料混凝土应用中存在的主要问题 1）体积稳定性差 混凝土的收缩主要是由于水泥浆收缩而引起的，而集料则对水泥浆收缩起限制作 用。集料限制作用的大小又与集料颗粒的弹性模量有关，弹性模量越大，限制收缩的能 力就越强。而配制轻集料混凝土时，使用的陶粒弹性模量较小，一般只有817GPa， 远小于普通天然集料的弹性模量(约为40100GPa)，而且制备轻集料混凝土的胶凝材料 用量较高，约比相同强度等级的普通混凝土高50kg/m3左右，两方面的综合作用使得轻 集料混凝土的弹性模量小、收缩和徐变大，体积变形的稳定期长21-22。低弹性模量和高 徐变的特点会造成轻集料混凝土结构变形过大、挠度降低，从而降低了结构的安全性。 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第12页 对于连续结构体系的大跨度桥梁而言，因其属于刚性连接，将形成对材料的约束，如果 轻集料混凝土的收缩过大、收缩稳定期长，势必增加结构开裂的危险。另外，轻集料混 凝土弹性模量较小、收缩变形和徐变变形大23，会造成预应力钢筋混凝土结构中预应力 损失较大等问题，这无疑限制了其在预应力大跨度结构中的进一步应用。桥梁工程中不 乏因轻集料混凝土的收缩和徐变而出现安全问题的工程实例：美国采用轻集料混凝土建 造的Parrotts渡桥，它是目前净跨最长的用分块拼装法建造的混凝土箱形梁桥该桥在使用 12年后，195m的主跨中间段就下挠了约635mm24。 2）可泵性较差 泵送施工难是制约轻集料混凝土进一步推广应用的另一个巨大障碍。一方面，对于 轻集料混凝土来说，轻集料多孔吸水的特性使轻集料在拌和、运输过程中会吸收混凝土 拌合物中的水分，降低混凝土拌合物的流动性，在泵压作用下轻集料的吸水率还会继续 增大，进而容易导致混凝土流动度会很快地降低和堵泵25；另一方面，轻集料密度小使 轻集料混凝土在缺乏搅拌输送的情况下会出现轻集料、水等上浮，水泥浆和细集料砂下 沉而从泵管截面下部先行通过，结果导致了泵管中留下过多的轻集料，破坏轻集料与水 泥石的粘结，进而导致混凝土的力学性能降低，使其耐久性变差26。轻集料混凝土工作 性和可泵性差的缺点使其很难满足现代泵送施工的技术要求，在较大程度上限制了它的 应用。对于这一问题，目前国内外主要的研究思路是通过控制轻集料的最大粒径、调整 砂率、掺加矿物掺合料或化学外加剂等方法27，来改善轻集料混凝土的泵送性能并取得 了一些成果，但并未彻底解决这一问题，目前钢纤维轻集料混凝土还不能应用于泵送施 工。 3）脆性大 与相同强度等级的普通混凝土相比，它的抗折强度和弹性模量较低，脆性较大。轻 集料混凝土的胶凝材料用量大，这样水泥浆部分的强度略高于轻集料的强度。由于轻集 料的吸水，轻集料混凝土具备了进一步降低混凝土水胶比的作用和释水湿度补偿的作 用，加之配制轻集料混凝土往往采用了较低的水胶比和一些辅助胶凝材料，这些作用无 疑能提高水泥石与集料界面过渡区的密实性，并加速了水泥的水化产形成，增强水泥石 与界面过渡区的力学性能。轻集料的本身多孔和质地软，所以在荷载的作用下，易在轻 集料内部孔隙或缺陷处产生应力集中，引发裂缝扩展。而包裹在轻集料周围的水泥石， 虽然有较高的强度，但其内部也存在孔隙和缺陷，弹性模量较低，不能抵制裂缝扩展。 因此，与普通集料混凝土相比，轻集料混凝土的脆性更大，脆性破坏的特征更加明显 28。 4）高性能轻集料缺乏 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第13页 配制高性能轻集料混凝土必然需要强度高、吸水率低的高性能轻集料。我国人造轻 集料的年产量已有相当规模，可是其中强度和吸水率指标能够达到高强轻集料指标的优 质轻集料年产量不足。高强与高性能轻集料的缺乏直接导致了一些大型工程建设缺乏充 足的优质原料供应，轻集料性能上的不足也使轻集料混凝土的强度、工作性以及可泵性 难以满足设计与施工要求28。 1.3.3陶粒混凝土砌块 砌块是指采用普通混凝土及硅酸盐材料制作的实心或空心块体材料此外，利用 工业废料加工生产的各种砌块，如粉煤灰砌块、煤矸石砌块、炉渣混凝土砌块、加 气混凝土砌块等也因地制宜地得到应用，既能代替粘土砖，又能减少环境污染砌块 按尺寸大小和重量分成用手工砌筑的小型砌块和用机械施工的中型及大型砌块高度 为180350mm的块体一般称为小型砌块；高度为360900mm的块体一般称为中 型砌块；大型砌块的尺寸更大，由于受起重设备限制，中型砌块和大型砌块已很少 应用根据所用材料和使用条件的不同，我国目前采用砌块的主要类型有实心砌块、 空心砌块和微孔砌块 实心砌块的重度一般在15kN/m3以上，并以粉煤灰硅酸盐水泥砌块为主，粉煤 灰硅酸盐水泥砌块是以粉煤灰、石灰和集料等为原料，加水搅拌、成型，经蒸气养 护制成，生产工艺简单。主要规格有：长880mm、1180mm；宽180mm、190 mm、200mm、240mm；高(即厚)390mm 空心砌块的重度较小，一般为实心砌块的一半左右我国生产的空心砌块以混凝 土空心砌块为主。混凝土空心砌块一般用强度等级为C15或C20的混凝土制作，可 以设置单排、双排及三排孔，孔型有圆形、方形及长方形等孔洞的形式可以是贯通 的，为了铺浆方便也有采用封底(盲孔)或半封底的，壁厚及肋厚采用2535mm。多 数地区生产的中型砌块高度约为房屋层高的1/3混凝土中型空心砌块，块大、壁 薄、孔洞率大、强度较高，对减轻劳动强度、提高劳动生产率、减轻结构自重和降 低造价都具有较好的效果。目前采用的混凝土空心砌块的高度一般为180380 mm，块体尺寸比普通粘土砖大得多，因而可节省砌筑砂浆和提高砌筑效率，混凝土 小型空心砌块也具有良好的技术经济指标，其建筑造价略低于砖混结构。 陶粒混凝土又称为“轻集料混凝土”，是以陶粒代替石子作为混凝土集料的混 凝土。按用途可分为保温用的：密度为800kg/m3以下；结构保温用的：密度为 8001400kg/m3；结构用的：密度为1400kg/m3以上。 陶粒混凝土具有以下优点： 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第14页 （1）陶粒混凝土重量轻，其干容重为8001900kg/m3，比普通混凝土轻2/31/5， 标号可达CL5.0CL60，由于自重轻，可减少基础荷载，因而可使整个建筑物自重 减轻； （2）陶粒混凝土保温性能好，热损失小。陶粒混凝土导热系数一般为0.20.7 kcal/M.0C.N,比普通混凝土低一半以上，因此可减薄墙体厚度，相应地增加居住面 积，在等同墙厚条件下，可大大改善房间保温隔热性能。陶粒混凝土由于自重轻， 弹性模量较低，允许变化性能较大，所以抗震性能较好。 （3）陶粒混凝土抗渗性好。陶粒表面比碎石粗糙，具有一定吸水能力，所以陶粒与 水泥砂奖之间的粘结能力较强，因而陶粒混凝土具有较高的抗渗能力和耐久性。 （4）陶粒混凝土耐火性好。防火试验结果表明年，它的耐火极限温度可达3小时以 上。而普通混凝土的耐火极限温度一般为1.52小时。 （5）陶粒混凝土具有施工适应性强的特点，它不仅可根据建筑物的不同用途和承载 能力，配制出不同容重和强度的混凝土材料（根据其用于保温隔热的结构或承重结 构而变），而且施工简便，适应于各种施工方法进行工业化生产，它不仅可采用予 制工艺制作各种类型的构件（如板、块、梁、柱等）且可采用现浇机械化施工。陶 粒砼施工适应性强是任何其他轻质建筑材料（如加气等）所不能比拟的。 以污泥陶粒为集料，水泥为胶凝材料等制成小型陶粒混凝土空心砌块，以普通陶粒 混凝土空心砌块为载体，内填或者内插轻质保温材料，制成热工性能符合建筑节能设计 的隔热混凝土砌块，实现了普通混凝土的自保温，完全满足单一材料做建筑外墙保温的 技术要求；由于其保温性、隔热、隔音、抗压、抗渗性能优良、规格齐全、施工便捷和 技术成熟，而且解约成本，将是建筑界新一代墙体材料的最佳选择。 在空心砌块生产出来后，可在其空心中插入聚苯泡沫块以制成自保温混凝土砌块。 也可以在其空心处浇注轻质泡沫混凝土，制成泡沫混凝土夹心的自保温砌块。可以达到 很好的保温、隔热、防火等等一些列使用要求。根据设计墙体对传热系数的不同要求， 可以采取填充空心砌块中的一排或两排孔，也可以把所有的孔都填满。 空心砌块跟粘土砖相比有下列优点： （1）生产不需要使用粘土，不毁耕地，低能耗的实心砖每一万块需取土毁田 0.00070.01亩；每块小砖烧结就需要900kcal；而混凝土空心砌块的水泥、成型和养护 能耗折合标准砖为429kcal，可见其能耗不足标准砖的一半。 （2）自重较轻，有利于地基处理和抗震。 （3）施工速度快。 （4）节约水泥砂浆。 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第15页 （5）增加使用面积。 陶粒混凝土自保温砌块的优点： （1）节能环保。砌块不用经过烧结而实现自保温，节约能源；同时减少大气污染和毁 田取土，是当前粘土砖最好的替代品。 （2）抗压强度高。强度达MU5.0、MU7.5（特殊要求时可达MU10.0）达到加气混凝 土达不到的强度要求。 （3）工程造价低。以科技创新实现高性能低成本，避免了普通混凝土砖现场制作保温 层的附加工程造价，有效节约了房屋建造成本。 （4）阻燃。保温材料位于砌块内部，而砌块的燃烧等级为A级。 （5）施工简便。墙体与保温材料合为一体，简化了施工流程。 （6）方便抹灰。混凝土砌块与水泥砂浆相溶性好，不用界面处理。 （7）不渗水。普通混凝土抗渗性强。 （8）轻重随意。可加减陶粒等轻质材料，依结构要求调整重量。 （9）室内空气好。较传统混凝土洁净、安全。 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第16页 2实验部分 2.1污泥陶粒 2.1.1污泥陶粒的制备 （1）原料 1）污泥：马鞍山市向山污泥处置有限公司的湿态剩余污泥 2）粉煤灰：采用安徽马鞍山第二电厂生产的I级粉煤灰，其基本性能指标见表2.1。 粉煤灰的各项技术性能符合GB/T1596-2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰对粉煤灰 的技术指标要求。 表2.1粉煤灰的基本性能指标 细度(45m)/%需水量比/%密度/(g/cm3)烧失量/%三氧化硫/%含水量/% 8.592.42.273.512.90.9 3）粘土：取自自然界粘土。 （2）实验主要仪器和设备 表2.2实验的主要仪器和设备 名称规格型号生产厂家 单卧轴强制式混凝土搅拌机DYZ60天津市达庆试验仪器有限公司 数字压力试验机DYE2000无锡市德佳意试验仪器有限公司 电加热竖炉ML060713马鞍山市金马炉业有限公司 可控硅温度控制柜KSY3016马鞍山市金马炉业有限公司 对辊造粒机 微波炉P70D23N1LSD （S0） 格兰仕微波炉电器有限公司 电子计价秤208苏州苏灵仪表有限公司 电热鼓风干燥箱55天津市庆达试验仪器制造有限公司 （3）实验方法 1）制备混合料 实验所用各种原料及其配比见表2.3. 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第17页 表2.3原料的种类和比例 原料种类污泥粘土粉煤灰 比例（%）501040 干重（Kg）1028 含水量（%）7531.20 湿重（Kg）402.98 加料顺序为：先把用电子称称好的污泥倒进搅拌机，搅拌5min，再分别加入粉煤 灰和搅拌好的粘土浆，搅拌25min。在搅拌过程中每5min暂停一次，用工具把粘附于 搅拌机搅拌桶壁及搅拌齿上的混合料刮下来，然后再继续搅拌。搅拌结束后用微波炉测 混合料的含水量为：63.65%。然后用水泥刀在干净的水泥地板上均匀的铺成厚约1cm 的薄层，然后用布盖好。用布盖是为了防止混合料脱水不均匀。混合料在自然蒸发的过 程中，首先是体扩散过程，其表面和内部的水经过毛细管向外扩散。但由于表面直接跟 外界接触，蒸发速率大于内部的，导致表面较快的干燥，从而堵住了毛细管口，致使到 后期其内部的水分没有途径排到外界，所以就造成了片状混合料的外干而内湿的现象。 但是在混合料上盖上布后，布就成了混合料的“外表面”，布的外层干而内层湿，就形 成了一种应力，从而使混合料内部的水可以连续不断地向外扩散。在晾干过程中要经常 翻混合料以加快其蒸发速率。 2）造粒 在混合料脱水过程中要定时的翻料，加快其水分的蒸发，到快干时要定时测含水 量，最佳造粒的含水量为30%左右。当含水量达到合适值时，拿去造粒。但是这个合适 值不太容易控制精确，容易出现下列问题： a、如果混合料含水量偏高，则会导致混合料粘附于造粒机辊子的凹槽中，而无法 使颗粒自己下落。解决办法：在加入混合料之前先往造粒机辊子上撒少量粉煤灰粗渣， 然后一边加混合料一边加粉煤灰粗渣，粉煤灰粗渣起到润滑作用。 b、如果混合料的含水量偏低，则造出来的颗粒会出现裂纹，这样会影响烧结效 果。解决方法：在混合料上撒少许水，然后用布盖住，等待水分扩散到混合料内部。 c、混合料水分分布不均匀，即在混合料蒸发脱水过程中各个部位的水分蒸发不一 致，导致的混合料的各个部位的含水量不一致。解决方法：把混合料收集起来，装进塑 料袋中，密封，使水分分布均匀。 造粒结束后，得到的生陶粒要放在阳光下暴晒，使其干燥，以防止在烧制过程中出 现炸窑现象。 安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸 共38页第18页 3）烧结 烧制陶粒用的是电加热竖炉（见图2.1），整个炉体约有1.2米的烧成带。整个炉体 的上下两端各1520cm的范围内无热源加热，不属于烧成带。先用已经烧制好的陶粒 填充在炉膛中，一直填充到离烧成带顶端20cm处，然后再往上面加生陶粒，直到加满 为止。第一次烧制温度为1050C，程序设置为：室温10C，经20min升到100C； 再经过40min升到300C；再经过120min升到900C，然后经过30min达到1050 C，然后一直保温。在