粉煤灰作为煤燃烧后的残留产物，是煤电行业的主要固体废物，也是我国当前排放量较大的工业固废之一。粉煤灰由原料煤中存在的各种无机和有机成分产生，主要组分包括SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO和TiO2等。2015年，我国粉煤灰产量为5.6×108 t，到2020年已增至6.5×108 t。粉煤灰大量堆存，占据了宝贵的土地资源，而且经过长期风化及降水的淋洗，粉煤灰中的有毒有害物质会渗透到地下，污染土壤和地下水，严重危害人类赖以生存的环境。因此，加大粉煤灰的综合利用，促进固体废弃物资源化，具有非常重要的意义。目前，粉煤灰最主要的利用途径包括水泥、混凝土和建材生产等。
混凝土是建筑材料行业最主要和最广泛使用的结构材料，其中骨料的总体积占混凝土体积的60%~80%，骨料的各项性能指标将直接影响混凝土的施工性能和使用性能。随着科技水平的不断提高，建筑材料已经向轻质化和高性能化发展，在这种趋势下，陶粒的发展应运而生。陶粒是一种人造轻骨料，生产原料主要由黏土、各种页岩、矿渣、煤矸石、粉煤灰、生物污泥以及河底泥等组成，将其破碎成颗粒或研磨成球后进行烧结或养护，最终形成外部有坚硬的外壳、表面有一层可以阻隔水和气的阻隔釉、内部具有蜂窝状多孔网格结构的陶质粒状物。陶粒具有强度高、密度低、比表面积大、孔隙率高、吸附截污能力强、热稳定性好、耐腐蚀、隔水保气以及保温隔热等优异性能，广泛应用于建筑工程、园林绿化以及污水处理等领域。
以粉煤灰为原料制备陶粒，能有效实现固体废物回收利用，得到附加值产品。粉煤灰陶粒的制备工艺可分为烧结法和免烧法，其中烧结法制备粉煤灰陶粒技术成熟，产品强度高且堆积密度小，但存在能耗高、污染大、成本高等弊端。免烧法制备粉煤灰陶粒则具有成本低、能耗小、生产工艺简单等特点，更加顺应时代发展潮流。
本文对粉煤灰免烧陶粒的制备技术进行了概述，总结了免烧陶粒制备过程中各种因素对陶粒性能的影响，探讨了不同技术的优点和局限性，展望了粉煤灰免烧陶粒制备技术的发展趋势，期望为粉煤灰陶粒的研究提供参考。
1.1 造粒
造粒是指将粉煤灰与胶凝材料和其他添加剂按照一定比例混合均匀，团聚成更大尺寸颗粒的过程。最常见的造粒方式是在圆盘式造粒机中，通过不断转动，原料混合物在湿润状态下互相碰撞聚结，形成球形粗坯颗粒。通过调节圆盘的角度和旋转速度，减小重力和离心力的影响，可以让原料微粒更好地碰撞聚结，得到更高产率。
1.2 养护
将造粒得到的粗坯颗粒进行养护，形成坚硬的外壳，最终得到陶粒产品。养护方式包括自然养护、蒸汽养护和蒸压养护等。其中，自然养护是最基础的方式，操作简单、成本低，但是养护效率偏低、产品质量不稳定，会长时间占用土地面积；蒸汽养护具有节约土地资源、养护效率高和产品质量优良等优点，但是消耗和成本高、污染环境；蒸压养护养护时间短、产品质量良好、占地面积小，但是成本高、能耗高、高压操作有一定的危险性。
按照制得的尺寸大于4 mm的陶粒总质量与初始原料总质量的比值，计算粉煤灰免烧陶粒的产率。免烧陶粒的性能包括堆积密度、表观密度、吸水率和孔隙率等。免烧陶粒的强度性能通常使用筒压强度和破碎强度来表征。影响粉煤灰免烧陶粒产率和性能的主要因素有粉煤灰原料的组成和性质、胶凝材料的种类和用量、造粒机的运行参数、水的添加量、碱激发剂的使用、添加剂的使用以及养护方式和时间等。通过改变工艺条件，能够制备出不同性能和用途的陶粒产品。
2.1 粉煤灰原料的组成和性质
国外把CaO质量分数大于10%的粉煤灰称为C类粉煤灰，CaO质量分数低于10%的粉煤灰称为F类粉煤灰。F类粉煤灰通常是由燃烧无烟煤或烟煤所得，C类粉煤灰通常是由燃烧褐煤或次烟煤所得。C类粉煤灰的CaO含量较高，具有一定的水硬性。
GESOğLU等以CaO质量分数分别为33%和13%的两种C类粉煤灰为原料、水泥为胶凝材料制备出粗坯颗粒，然后在温度20 ℃、相对湿度70%的条件下养护28 d，制得陶粒产品。两种陶粒的相对密度分别为1.78和1.72；粒径为8 mm的陶粒颗粒破碎压力分别为103 N和261 N；10 h吸水率分别为24%和22%。
GÜNEYISI等用CaO质量分数为2%的F类粉煤灰与水泥按照质量比9∶1混合后造粒，在温度20 ℃和相对湿度70%的条件下养护28 d，得到颗粒密度为1.71 g/cm3、24 h吸水率22%的陶粒产品。
粉煤灰原料的精细度和相对密度对造粒效率和陶粒性能有明显的影响。GÜNEYISI等发现，将粉煤灰研磨粉碎后，比表面积由287 m2/kg增至570 m2/kg，在其他条件均相同的情况下，研磨后的粉煤灰在造粒时能够得到更多的球粒。GESOğLU等发现，使用相对密度为2.64的灰渣制备陶粒时，成球率达到90%；而使用相对密度仅为1.2的灰渣制备陶粒，成球率降至38%。
2.2 胶凝材料的种类和用量
当粉煤灰原料本身水硬性较差或者不具备水硬性时，胶凝材料的使用对于原料造粒成球的过程至关重要。水泥是免烧陶粒制备中使用最多的胶凝剂，此外，石灰、硅灰、膨润土、玻璃粉和黏土也被用作胶凝剂。
王倩等以粉煤灰为原料，硅灰为胶凝剂，在碱液存在的条件下制备了免烧陶粒。陶粒的性能受硅灰质量分数、蒸养温度和碱浓度的影响，经过筛选实验后确定的最佳工艺条件为硅灰质量分数15%、NaOH溶液浓度8 mol/L，于190 ℃下蒸养48h，所得的陶粒比表面积达14.4 m2/g，颗粒破碎强度达到27.25 MPa。
GOMATHI等比较了使用水泥和石灰作为胶凝剂对陶粒产品性能的影响。实验结果表明，使用水泥作为胶凝剂得到的陶粒的单粒破碎强度比用石灰作为胶凝剂时高出了37%，堆积密度也有所提高，吸水率降低了50%。这是由于水泥水化产生的Ca（OH）2和粉煤灰中的火山灰物质发生反应生成了额外的水合产物导致的。
THOMAS等研究了胶凝材料的添加量对粉煤灰免烧陶粒性能的影响。在免烧陶粒的制备过程中，增加水泥的用量会生成更多的水化产物，进而堵塞陶粒内部的孔隙结构，制备出的陶粒密度更高，强度更好。
GOMATHI等以膨润土为胶凝剂，在碱液存在的条件下制备免烧陶粒。将粉煤灰和膨润土以质量比8：2混合后，向固体混合物中喷洒10mol/L的NaOH溶液进行造粒，然后于100 ℃烘箱中养护7 d得到陶粒。陶粒的烘干相对密度为1.62，堆积密度为950 kg/m3，24 h吸水率为16%，粒径为10 mm和12 mm的颗粒破碎强度分别为10.22 MPa和14.51 MPa。
2.3 造粒机的运行参数
造粒机的圆盘倾斜角度和旋转速度对粉煤灰免烧陶粒的产率和性能也有较为明显的影响。
MANIKANDAN等研究表明，当造粒机的圆盘倾斜角较小、旋转速度较慢时，原料微粒的相互碰撞几率变小，从而导致成球效率变低。
COLANGELO等［31］在固定造粒机圆盘倾斜角为50°的条件下，使用不同的旋转速度进行造粒。实验结果表明，在转速为45 r/min时得到的陶粒密度和强度性能最好，优于转速为35 r/min和55 r/min时的产品。TAJRA等开展了多组不同造粒机的圆盘倾斜角度和旋转速度实验，发现在任意倾斜角度时，圆盘旋转速度越高，得到的陶粒密度和筒压强度越高。HARIKRISHNAN等和VASUGI等的实验结果表明，提高圆盘倾斜角度和旋转速度会延长球粒在造粒机内部的运动轨迹，使球粒内部更加紧实，从而提高陶粒产品的密度和强度，降低吸水率。
2.4 水添加量
水的添加量对粉煤灰的成球过程至关重要。水量不足时无法发生胶凝成球，而水量过多时又会形成泥球。BAYKAL等提出，要使粉煤灰混合物形成尺寸均匀的球粒，最优的水添加量应能填补粉煤灰微粒之间的所有空隙，但同时又不会在球粒的表面形成水膜，这样能够避免陶粒内部因包含过多的空隙而导致陶粒的强度不佳。
HARIKRISHNAN等研究发现，水添加量是陶粒粒径尺寸的主要影响因素。当水添加量为15%时，得到的陶粒粒径为5~8 mm；当水的添加量提高到35%时，得到的陶粒粒径为10~20 mm。
2.5 碱激发剂的使用
粉煤灰主要由SiO2和Al2O3等氧化物组成，本身没有水硬胶凝性能。这些氧化物需要与水泥水化后生成的Ca（OH）2发生火山灰反应，生成具有胶凝性的水化硅酸钙和水化铝酸钙，并进一步形成具有一定强度的陶粒。然而，粉煤灰微粒的表面仅存有少量的氧化物，反应活性较低。碱激发剂的加入，能通过水解生成的OH-破坏 Si—O—Si，Al—O—Al，Al—O—Si共价键，从而析出活性SiO2和Al2O3，实现激发粉煤灰活性目的。
XIE等研究了碱激发剂硅酸钠在陶粒制备过程中的作用机理。硅酸钠水解得到的NaOH与粉煤灰中的酸性物质反应形成了胶凝状的Na2O-Al2O3-SiO2化合物，既起到了黏结成粒的作用，同时也提高了陶粒产品的强度。
黄旭使用NaOH、硅酸钠等不同的碱激发剂对粉煤灰进行预处理，再通过添加Ca（OH）2、CaSO4、CaO等钙质，使粉煤灰与钙质发生水化反应，从而达到激发粉煤灰活性目的。研究结果表明，未经碱溶液预处理的粉煤灰陶粒破碎率达到40.4%，而经过碱溶液预处理后再加入钙质，陶粒破碎率大幅降低。NaOH-Ca（OH）2实验组陶粒破碎率为11.1%，NaOH-CaSO4实验组陶粒破碎率为12.9%，NaOH-CaO实验组陶粒破碎率最低，仅为10%。
GEETHA等使用浓度为8~12 mol/L的硅酸钠和NaOH混合溶液作为碱激发剂制备陶粒，得到的陶粒堆积密度提高了7%~20%，而10%轻集料值提高了12%~93%。
屈湃等研究了不同碱激发剂和不同养护条件对粉煤灰陶粒晶体结构、微观形貌和筒压强度的影响，并考察了复合激发剂下制备的陶粒对水中Cu2+吸附性能的影响。实验结果表明，以NaOH和Na2O·3.2SiO2为复合激发剂制备的粉煤灰免烧陶粒在1 MPa、175 ℃蒸汽下蒸压养护8 h，筒压强度可达到4.2 MPa。
2.6 添加剂的使用
国内外学者报道了将不同种类的添加剂用于提高粉煤灰免烧陶粒产率和性能的研究成果。谢士兵等在粉煤灰制备免烧陶粒过程中，选用研磨后的膨胀珍珠岩粉作为添加剂，利用膨胀珍珠岩的质轻、多孔等性质，制备出堆积密度为697 kg/m3、筒压强度为4.01 MPa 的轻集料。
邱珊等选用秸秆灰为添加剂用于粉煤灰免烧陶粒的制备。实验结果表明，由于秸秆灰相对密度较低，添加质量分数为14%的秸秆灰能够使陶粒堆积密度降低16.7%，但秸秆灰添加量过多会影响陶粒的强度，增加陶粒破碎率。
TANG等选用聚丙烯纤维作为添加剂增加陶粒的强度。在粉煤灰免烧陶粒制备过程中加入了体积分数约为2.5%、长度为3 mm的聚丙烯纤维，相比不使用添加剂的陶粒，堆积密度由923 kg/m3降低至870 kg/m3，吸水率由19%增加至22.4%，破碎强度由9.6 MPa提高至9.9 MPa。
HWANG等发现，使用质量分数为7%的双氧水作为发泡剂制备粉煤灰免烧陶粒，能够在陶粒内部形成大量微孔结构，从而降低陶粒的堆积密度。
2.7 养护方式和时间
合适的陶粒养护方式和时间能够更高效地促进陶粒内部组分的水合反应，从而提高陶粒的机械性能和微观结构性能。
邹志祥等研究了蒸养时间和蒸养温度对粉煤灰陶粒性质的影响。实验结果表明，在60 ℃下蒸养10 h后再自然养护2 d，陶粒强度可达到28 d自然养护的30%；在60 ℃下蒸养16 h后自然养护1 d，陶粒强度达到28 d自然养护陶粒强度的30%。因此，与自然养护相比，蒸汽养护能够快速提高陶粒早期强度。
MANIKANDAN等发现，相比蒸压养护和蒸汽养护，在水中浸泡养护能更有效促进C类粉煤灰免烧陶粒内部的水合反应，从而增强陶粒的强度性能。但TAJRA等发现，在室温、相对湿度99%的条件下养护比水中浸泡养护和在相对湿度65%的条件下养护，破碎强度分别提高了17%和58%。
相对高的养护温度也能加快陶粒内部的水合反应速度，从而得到更好的强度性能。GEETHA等发现，在50~80 ℃下养护时，陶粒的10%轻集料值比在室温下养护时提高了11%~32%；FERONE等的研究结果表明，在40 ℃下养护得到的陶粒破碎强度比室温下提高了6%~13%。
近来，许多学者将制备的粉煤灰免烧陶粒进行二次加工，进一步提高粉煤灰免烧陶粒的产率和产品性能。GESOğLU等］发现，将制备得到的陶粒在硅酸钠水溶液或硅灰浆体中浸泡30 min后，陶粒的吸水率由27%分别降至3%和18%，而破碎强度提高了40%~100%。在硅酸钠水溶液或硅灰浆体中浸泡的作用类似于碱激发剂的作用，主要用于促进粉煤灰中氧化物的火山灰反应。COLANGELO等提出了一种二次造粒技术用于粉煤灰免烧陶粒的制备。在第一次造粒结束后，以得到的球粒为“核”，投加质量比为1：1的水泥和粉煤灰进行二次造粒，形成一层紧密的外壳。经过两次造粒后得到的陶粒吸水率比一次造粒得到的陶粒降低了12%~18%。TAJRA等［45］也采用相似的方法，将粉煤灰免烧陶粒与水泥/硅灰的混合物再次混合造粒，得到的陶粒堆积密度和破碎强度分别提高了11%和14%。
使用粉煤灰制备陶粒，缓解了粉煤灰大量堆积的压力，减小了粉煤灰对环境的影响，是粉煤灰资源化利用的重要途径之一。未来粉煤灰免烧陶粒的研究应关注以下几个方面：1）开发绿色高效的胶凝材料，提高陶粒强度性能，减轻水泥制造对环境的不良影响；2）开发轻质材料和致孔剂，提高陶粒孔隙率，降低陶粒的堆积密度；3）开发新型添加剂用于进一步优化粉煤灰免烧陶粒的制备工艺，提高陶粒的制备效率和产品性能；4）根据粉煤灰陶粒的性能特点，拓展粉煤灰陶粒的应用领域，形成具有高附加值的陶粒产品，完善粉煤灰陶粒的应用体系。
