陶粒砂

陶粒，利用各類粘土、板岩、頁岩、煤矸石、及工業固體廢棄物等多種原料，經過陶瓷燒結而成，一般是用來取代混凝土中的碎石和卵石。陶粒砂具有密度低、保溫隔熱、抗滲性優異、抗鹼集料反應性優異、吸水率低、抗凍性能和耐久性能好等眾多優點。

基本介紹

• 中文名：陶粒砂
• 釋義：陶質的顆粒
• 別名：石油壓裂支撐劑
• 領域：產品

產品概述

陶粒砂，顧名思義，就是陶質的顆粒，較細的稱之為砂，又名石油壓裂支撐劑。外觀特徵大部分呈圓形或橢圓形球體，但也有一些仿碎石陶粒呈不規則碎石狀。陶粒的外觀顏色因所採用的原料和工藝不同而各異。焙燒陶粒的顏色大多為暗紅色、赭紅色，也有一些特殊品種為灰黃色、灰黑色、灰白色、青灰色等。

陶粒砂

陶粒砂石油支撐劑

陶粒砂石油支撐劑成品

基本概念

陶粒的粒徑一般為5～20㎜最大的粒徑為25㎜。陶粒一般用來取代混凝土中的碎石和卵石。

因為生產陶粒的原料很多，陶粒的品種也很多，因而顏色也就很多。免燒陶粒因所用固體廢棄物不同，顏色各異，一般為灰黑色，表面沒有光澤度，不如焙燒陶粒光滑。

輕質性是陶粒許多優良性能中最重要的一點，也是它能夠取代重質砂石的主要原因。陶粒的內部結構特徵呈細密蜂窩狀微孔。這些微孔都是封閉型的，而不是連通型的。它是由於氣體被包裹進殼內而形成的，這是陶粒質輕的主要原因。

陶粒的細小顆粒部分稱為陶砂。在陶粒中有許多小於5㎜的細顆粒，在生產中用篩分機將這部分細小顆粒篩分出來，習慣上稱之為陶粒砂。陶粒砂的密度略高，化學和熱穩定性好。陶粒砂主要用於代替天然河砂或山砂配製輕集料混凝土、輕質砂漿，也可作耐酸、耐熱混凝土細集料。主要品種有黏土陶砂頁岩陶砂和粉煤灰陶砂等。使用陶粒砂的目的也是為降低建築物自重。陶粒砂也可用於無土栽培和工業過濾。

分類

按原料分類

（1）鋁釩土陶粒砂

以優質鋁釩土、煤等多種原材料，經過破碎，細碎，粉磨、制粒和高溫燒結等多道工藝製作而成，具有耐高溫、高壓、強度高、導流能力強、及耐腐蝕等特點，主要用於油田井下支撐，以增加石油天然氣的產量，屬環保產品。是天然石英砂、玻璃球、金屬球等中低強度支撐劑的替代品，對增產石油天然氣有良好效果。也是目前需求量最大的陶粒砂品種之一，也叫石油壓裂支撐劑陶粒砂。　　

陶粒砂原料之鋁礬土礦

（2）粉煤灰陶粒砂

以固體廢棄物為主要原料，加入一定量的膠結料和水，經加工成球，燒結燒脹或自然養護而成，粒徑在5㎜以上的輕粗集料，簡稱粉煤灰陶粒。

（3）黏土陶粒砂

以黏土、亞黏土等為主要原料，經加工制粒，燒脹而成的，粒徑在5㎜以上的輕粗集料，稱為黏土陶粒。

（4）頁岩陶粒砂

又稱膨脹頁岩。以黏土質頁岩、板岩等經破碎、篩分，或粉磨後成球，燒脹而成的粒徑在5㎜以上的輕粗集料為頁岩陶粒。頁岩陶粒按工藝方法分為：經破碎、篩分、燒脹而成的普通型頁岩陶粒；經粉磨、成球、燒脹而成的圓球形頁岩陶粒。

黏土陶粒、粉煤灰陶粒、頁岩陶粒適用於保溫用的、結構保溫用的輕集料混凝土，也可用於結構用的輕集料混凝土，頁岩陶粒的主要用途是生產輕集料混凝土小型空心砌塊和輕質隔牆板。

（5）垃圾陶粒砂

隨著城市不斷發展壯大，城市的垃圾越來越多，處理城市垃圾，成為一個日益突出的問題。垃圾陶粒是將城市生活垃圾處理後，經造粒、焙燒生產出燒結陶粒。或將垃圾燒渣加入水泥造粒，自然養護，生產出免燒垃圾陶粒。垃圾陶粒具有原料充足、成本低、能耗少、質輕高強等特點。垃圾陶粒除了可製成牆板、砌塊、磚等新型牆體材料外，還可用作保溫隔熱、樓板、輕質混凝土、水處理淨化等用途，具有廣闊的市場。

（6）煤矸石陶粒砂

煤矸石是採煤過程中排出的含碳量較少的黑色廢石，是我國排放量最大的固體廢棄物，其排放與堆積不僅占用大量耕地，同時對地表、大氣造成了很大污染。煤矸石的化學成分與黏土比較相似，煤矸石含有較高的碳及硫，燒失量較大。只有在一定溫度範圍內才能產生足夠數量黏度適宜的熔融物質，具有膨脹性能。根據它的特點，我國已研製出煤矸石陶粒砂。

煤矸石陶粒砂是將符合燒脹要求的煤矸石經破碎、預熱、燒脹、冷卻、分級、包裝而生產出來的。得到的陶粒砂產品質量完全符合國家標準，部分技術指標超過國家標準，達到了國外同類產品質量，該產品具有創新性、先進行、屬環保類產品。

（7）生物污泥陶粒

污水處理廠處理完污水後所產生的、並含有大量的生物污泥，生物污泥有的製成農用肥，有的直接用於綠化，也有的排放到海里或者焚燒，這樣會造成二次生態環境污染。以生物污泥為主要原材料，採用烘乾、磨碎、成球、燒結成的陶粒，稱為污水處理生物污泥陶粒。用生物污泥代替部分黏土來燒制陶粒既節省黏土，又保護農田，也起到了一定的環保作用。

（8）河底泥陶粒

大量的江河湖水經過多年的沉積形成了很多泥沙。利用河底泥替代黏土，經挖泥、自然乾燥、生料成球、預熱、焙燒、冷卻製成的陶粒稱為河底泥陶粒。利用河底泥製造陶粒，不但會減少建材製造業與農業用地爭土，而且還為河底泥找到了合理出路，解決了河底泥的二次污染問題，達到了廢棄物資源化的目的。

按強度分類

陶粒按強度分為高強陶粒和普通陶粒。

陶粒砂制粒

（1）高強陶粒

根據（輕集料及其試驗方法）GB/T 17431.1—1998新標準，高強陶粒是指強度標號不小於25MPa的結構用輕粗集料。其技術要求除密度等級、筒壓強度、強度標號、吸水率有特定指標外，其他指標(顆粒級配、軟化係數、粒型係數、有害物質含量等)與超輕、普通陶粒相同。生產高強陶粒時產量較低，耗能較大，附加值高，銷售價格比超輕陶粒、普通陶粒高50%左右。用高強陶粒配製高標號及預應力輕骨料混凝土必須均質。

（2）普通陶粒

根據《輕集料及其試驗方法》GB/T 17431.1—1998新標準，普通陶粒是指強度標號小於25MPa的結構用輕粗集料。普通陶粒套用較廣，市場潛力大。

按密度分類

陶粒按密度分為一般密度陶粒、超輕密度陶粒、特輕密度陶粒三類。

（1）一般密度陶粒

一般密度陶粒是指密度大於500kg/m3的陶粒。它的強度一般相對較高，多用於結構保溫混凝土或高強混凝土。

（2）超輕密度陶粒

超輕密度陶粒一般是指300～500kg/m3的陶粒。這種陶粒一般用於保溫隔熱混凝土及其製品。

（3）特輕密度陶粒

特輕密度陶粒是指小於300kg/m3的陶粒。它的保溫隔熱性能非常優異，但強度較差。一般用於生產特輕保溫隔熱混凝土及其製品。

按形狀分類

陶粒按形狀分為碎石型陶粒、圓球形陶粒和圓柱形陶粒。

（1）碎石形陶粒

碎石型陶粒一般用天然礦石生產，先將石塊粉碎、焙燒，然後進行篩粉；也可用天然及人工輕質原料如浮石、火山渣、煤渣、自然或煅燒煤矸石等，直接破碎篩分而得。

（2）圓球形陶粒

圓球形陶粒是採用圓盤造粒機生產。先將原料磨粉，然後加水造粒，製成圓球再進行焙燒或養護而成。目前我國的陶粒大部分是這種品種。

（3）圓柱形陶粒

圓柱型陶粒一般採用塑性擠出成型。先製成泥條，再切割成圓柱形狀。這種陶粒適合於塑性較高的等黏土原料，產量相對較低。圓柱料坯若採用回磚窯焙燒，圓柱體在窯內滾動成橢圓形。

按性能分類

（1）高性能陶粒

高性能陶粒是指強度較高、吸水率較低、密度較小的焙燒或免燒陶粒。輕集料的資源豐富，品種繁多。它有天然輕集料、固體廢棄物輕集料和人造輕集料之分。根據它們的生成條件及性能看來，可以用來配製高性能混凝土的只有經特殊加工的高性能陶粒。國外一般稱它為高性能輕集料，在我國也可稱它為高強陶粒。

高性能陶粒是採用合適的原材料，經特殊加工工藝，所製造出的不同密度等級、高強度、低孔隙率、低吸水率的人造輕集料。這種輕集料的某些性能與普通密實集料相似，與普通輕集料相比性能更為優越。

（2）普通性能陶粒

普通性能陶粒是相對於高性能陶粒而言。即它的強度比高性能陶粒略低。孔隙率略高、吸水率也高。但它的綜合性能仍優於普通集料。

性能特點

陶粒之所以在全世界得到快速發展，是因為它具有其他材料所不具備的許多優異性能，這一優異性能，這一優異性能使它具有了其他材料無法取代的作用。這些優異性能有以下幾個方面。

密度小、質輕

陶粒自身的堆積密度小於1100kg/m3，一般為300～900kg/m3。以陶粒為骨料製作的混凝土密度為1100～1800kg/m3，相應的混凝土抗壓強度為30.5～40.0Mpa。陶粒的最大特點是外表堅硬，而內部有許許多多的微孔。這些微孔賦予陶粒質輕的特性。200號粉煤灰陶粒混凝土的密度為1600kg/m3左右，而相同標號的普通混凝土的密度卻高達2600kg/m3，二者相差1000kg/m3。

保溫、隔熱

陶粒由於內部多孔，故具有良好的保溫隔熱性，用它配製的混凝土熱導率一般為0.3～0.8W/（mok），比普通混凝土低1～2倍。所以，陶粒建築都有良好的熱環境。

耐火性優異

普通粉煤灰陶粒混凝土或粉煤灰陶粒砌塊集保溫、抗震、抗凍、耐火等性能於一體，特別是耐火性是普通混凝土的4倍多。對相同的耐火周期，陶粒混凝土的板材厚度比普通混凝土薄20%。此外，粉煤灰陶粒還可以配製耐火度1200℃以下的耐火混凝土。在650℃的高溫下，陶粒混凝土能維持常溫下強度的85%。而普通混凝土只能維持常溫下強度的35%～75%。

抗震性能好

陶粒混凝土由於質量輕，彈性模量低，抗變形性能好，故具有較好的抗震性能。在1976年唐山大地震中，天津建造的4棟陶粒混凝土大板建築均基本完好，並能照常使用。而其周圍相當數量的磚混建築都不同程度地受到震害。這雖然與建築結構體系有關，但是陶粒混凝土具有優良的抗震性能也是一個重要原因。1976年義大利費留利地區發生9級的強烈地震，統計資料表明，磚混建築物損壞率達40%～60%，框架結構黏土空心磚建築損壞率為33%，而陶粒混凝土建築損壞率只有5%。陶粒的抗震性能由此可見。

吸水率低，抗凍性能和耐久性能好

陶粒混凝土耐酸、鹼腐蝕和抗凍性能優於普通混凝土。250號粉煤灰陶粒混凝土，15次凍融循環的強度損失不大於2%。1976年有關部門對全國自1985年以來所建的陶粒混凝土工程進行了實測，結果表明，無論是預製的還是現澆的，室內的與室外的，所含鋼筋均未鏽蝕，測的碳化深度一般不大於30㎜，後期強度還可以繼續增長。由此可見，陶粒混凝土是一種優良的建築材料，應大力推廣使用。

石油壓裂支撐效果極好

石油天然氣深井開採時，高閉合壓力低滲透性礦床經壓裂處理後，使含油氣岩層裂開，油氣從裂縫形成的通道中匯集而出。用高鋁支撐材料隨同高壓溶液進入地層充填在岩層裂隙中，起到支撐裂隙不因應力釋放而閉合的作用，從而保持高導流能力，使油氣暢通，增加產量。實踐證明，使用高鋁支撐劑壓裂的油井可提高產量30－50%，還能延長油氣井服務年限，是石油、天然氣低滲透油氣井開採、施工的關鍵材料。產品套用於深井壓裂施工時，將其填充到低滲透礦床的岩層裂隙中，進行高閉合壓裂處理，使含油氣岩層裂開，起到支撐裂隙不因應力釋放而閉合，從而保持油氣的高導流能力，不但能增加油氣產量，而且更能延長油氣井服務年限。

石油壓裂支撐陶粒原理

淨水效果好

通常做均質濾料用於水處理效果最好，它表面光滑、過濾阻力小、耐磨損、不破碎、不結塊、易再生、一般不更換。

抗滲性優異

據多次測試，陶粒混凝土的抗滲性能優於普通混凝土。以20MPa陶粒混凝土與普通混凝土為例，經多次測試進行比較，普通混凝土的抗滲指數為B6，而陶粒混凝土則可達到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年檢查時沒有發現滲漏現象。寧波建造的兩條20MPa陶粒混凝土囤船（載重量80t），水上作業13年，從未出現滲漏現象。因此陶粒混凝土是製作水壩，地下工程的優良建築材料之一。

抗鹼集料反應能力優異

陶粒混凝土不但耐腐蝕（酸、鹼）性能優於普通混凝土。而且具有優異的抗鹼集料反應能力。

混凝土的主要成分是水泥和集料。集料包括碎石和砂子，如果石子和砂子這些集料是白雲石、石灰石或其他含有SiO2的岩石，如蛋白石、火山岩等，水泥中的鹼就會和這些集料發生鹼集料反應，引起岩石礦物解體或造成膨脹使混凝土開裂而崩潰，造成建築破壞。這就是鹼集料反應。每年國內國外都有大量的建築物因混凝土的鹼集料反應而損毀。美國20世紀80年代，統計全國50萬座公路橋樑，其中有20萬座因鹼集料反應造成不同程度的毀壞。全世界每年因鹼集料反應造成的損失可以達上千億美元。

由於陶粒不含有這些火性岩石成分，鹼含量也非常低，所以它在使用過程中不會與水泥發生鹼集料反應。至今為止，國內外的陶粒混凝土建築，還沒有發現一起鹼集料反應的事例。事實已經表明，陶粒具有優異的抗鹼集料反應能力，可在一定程度上增加安全性，延長建築物的使用壽命。

適應性強

經國內外幾十年生產實踐證明，根據各地資源條件不同，可分別採用黏土、頁岩、粉煤灰或其他固體廢棄物生產陶粒。根據用途不同和市場需要，可以生產不同堆積密度和粒度的陶粒產品（超輕陶粒、結構保溫用陶粒、結構用陶粒），也可生產有特殊用途的陶粒，如耐高溫陶粒、耐酸陶粒和花卉陶粒等。

在使用陶粒時，可按實際需要採用不同類型的陶粒配製不同密度和強度等級的無砂大孔、全輕、超輕鋼筋或預應力混凝土；可以預製成各種類型的牆體製品和建築構件，也可用於填充，現澆，滑模等施工作業。對於各種建築體系，如框架填充或自承重砌塊建築、一模三板、全裝配大板、內澆外掛、全線澆滑模建築等都能適用。任何建築物中的牆體（砌塊、外牆板、內隔牆條板），樓板、屋面板、樑柱和部分基礎等，都可用陶粒混凝土來製作，這是其它任何一種新型牆體無法比擬的。

觀賞效果好

由於陶粒色彩豐富，形態美觀，又具有良好透氣透水特性，因此在園藝、水族上套用範圍廣泛，如圖：

藝術陶粒

用途

陶粒具有優異的性能，如密度低、筒壓強度高、孔隙率高，軟化係數高、抗凍性良好、抗鹼集料反應性優異等。特別由於陶粒密度小，內部多孔，形態、成分較均一，且具一定強度和堅固性，因而具有質輕，耐腐蝕，抗凍，抗震和良好的隔絕性等多功能特點。利用陶粒這些優異的性能，可以將它廣泛套用與石油壓裂支撐劑、建材、耐火、保溫材料、淨水、園藝、食品飲料、化工等部門，套用領域越來越廣，還在繼續擴大。在陶粒發明和生產之初，它主要用於建材領域，由於技術的不斷發展和人們對陶粒性能的認識更加深入，陶粒的套用早已超過建材這一傳統範圍，不斷擴大它的套用新領域。陶粒在建材方面的套用，已經由100%下降到80%，在其他方面的套用，已占20%。隨著陶粒新用途的不斷開發，它在其他方面的比例將會逐漸增大。

生產設備

生產陶粒的主體設備主要包括：原料貯存倉、降塵室、引風機、主窯體、噴煤系統、控制櫃等。其中原料倉下部的餵料器、窯體轉速和拱煤量均為無級調速，以便調整其工藝參數，在保證產品質量的前提下獲得最大的產量。

生產頁岩陶粒的輔助設備有：破碎機、篩選機、皮帶輸送機、上料機、出料機等。

生產粉煤灰及黏土陶粒的輔助設備有：輪碾機、雙軸攪拌機、制粒機、篩選機、上料皮帶機等。

生產工藝

1、破碎：

開採的鋁礬土，塊度一般為300~500mm左右，含有少量的水分。一般採用顎式破碎機和錘式破碎機組成的二級破碎系統，將其粒度控制在≤8mm。

進廠後的鋁礬土，可以根據品位的不同，分開堆放。使用時根據指標搭配使用。

在生產陶粒砂的過程中通常加入錳（Mn）元素以降低燒結溫度並將產品染成深色。目前國內大多廠家採用低品位(含量~50%)的錳礦或錳灰作為錳元素的來源。

2、配料：

鋁礬土、錳粉、回料等幾種物料，分別被輸送到各自的料庫，庫下設定調速皮帶秤實現物料自動配料計量。

3、粉磨：

一般採用烘乾兼粉磨的球磨機，配套高效選粉機，組成閉路系統。這樣粉磨的效率高。

烘乾物料的熱風可以來自於迴轉窯的廢氣，做到餘熱利用；也可以設定專門的熱風爐。

4、制球：

出磨的生料粉在生料庫內儲存。一般設定2~3個庫，可以單獨出料，也可以多庫搭配出料。

生料粉被送入一個小料倉，料倉下設定螺旋計量裝置或者調速皮帶秤裝置，計量生料量。該生料進入盤式制球機。同時，採用流量計可以計量水的多少，由管道泵把水噴入盤式制球機裡面。制球機旋轉過程中，可以製成各種粒徑的料球。

料球出盤後，由皮帶機送入篩分裝置，合格的進入迴轉窯，過大的返回到原料粉磨流程。

可以根據不同窯的產量，配備不同數量的盤式制球機。

該制球系統自動化程度高，工藝連續，配套袋式收塵器後，可以實現崗位粉塵達標，淨化崗位作業環境。

5、煅燒：

料球進入帶有一定斜度的迴轉窯進行煅燒，隨著迴轉窯的旋轉，料球向窯頭滾動，同時煤粉從窯頭噴入窯內燃燒，料球在迴轉窯內被煅燒成強度很高的陶粒砂。

煤粉燃燒器可以採用單風道噴煤管，簡單可靠，一次風量高；也可以採用多風道燃燒器，一次風量可以降低為煤粉燃燒所需風量的8%，提高了入窯二次風量，節能效果顯著。多風道燃燒器分為外軸流風、煤風、內軸流風等，火焰形狀非常容易調節。

煤粉的計量可以採用轉子式計量秤或者科氏力秤，精確控制下煤量，穩定窯內熱工制度。

6、煤粉製備：

煤粉的製備可以採用球磨或者立磨，可以從窯頭罩抽取熱風烘乾煤粉。採用動態選粉機可以任意調節煤粉細度，為煤粉的充分燃燒提供了條件。

7、成品冷卻：

陶粒砂的冷卻一般採用迴轉式冷卻機，工作簡單可靠，冷卻機的二次風完全入窯，配合多通道燃燒器的使用，更可以節約大量的能耗。出冷卻機的陶粒砂溫度很低，可以用手抓起來。

8、篩分：

出冷卻機的陶粒砂，可以直接輸送到多級振動篩，按要求分為多個粒徑品級。

陶粒砂產品規格

Ⅰ型0.45－0.9mm（20目－40目）高強度中密度Ⅱ型0.9－1.25mm（16目－20目）高強度中密度

Ⅲ型1.0－1.70mm（12目－18目）高強度中密度

Ⅳ型0.224－0.65mm（40目－60目）高強度中密度

大塊返回原料破碎流程。

結束語

陶粒砂生產成套設備可滿足石油壓裂支撐劑產品的生產工藝要求。能生產抗破碎度為53Mpa和69Mpa常規產品,和抗破碎度為86MPa及102Mpa產品，徑粒0.2～0.9mm，完全符合Q/SH0 0 5 1—2 0 0 7標準要求。

該陶粒砂生產成套設備生產線的顯著特點是：

1、布局合理，工藝流暢，自動化程度高；

2、機械化聯控操作，勞動強度低；

3、鍛燒參數實時監控，產品燒成質量好；

4、產耗能比佳，運行成本低。