一種全固廢蒸壓輕質(zhì)砌塊的研制

檀星 ，韓福強(qiáng) ，趙風(fēng)清 ，2

（1.河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018；2.河北省固體廢棄物資源化工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050018）

0 引言

隨著我國(guó)墻體材料工業(yè)的快速發(fā)展，節(jié)能保溫型建筑材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注[1-2]。蒸壓加氣混凝土以其質(zhì)輕抗震、利廢節(jié)土、保溫隔熱、吸音隔聲等性能成為目前重要的主流建筑材料[3-4]。傳統(tǒng)的加氣混凝土以河沙、石灰、水泥為原料，以鋁粉為發(fā)氣劑，經(jīng)蒸壓養(yǎng)護(hù)而制得[5]。但是，石灰和水泥的生產(chǎn)是一種高能耗高碳排放的過(guò)程，河沙的開(kāi)采會(huì)嚴(yán)重影響河道周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境[6]。因此，如何減少資源能耗，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的資源化利用勢(shì)在必行。

粉煤灰的一個(gè)重要應(yīng)用是利用鋁粉發(fā)泡后，與石灰生產(chǎn)蒸壓加氣混凝土。鑒于電石渣（電石水解制乙炔工藝的廢渣）的主要成分是氫氧化鈣，可用來(lái)代替石灰用于加氣混凝土的生產(chǎn)，進(jìn)而減少二氧化碳的排放，實(shí)現(xiàn)低成本綠色生產(chǎn)，同時(shí)解決電石渣排放造成的環(huán)境污染問(wèn)題[7]。但是，電石渣代替石灰后，會(huì)直接影響鋁粉的發(fā)氣效果和砌塊的初養(yǎng)強(qiáng)度[8]。

為了解決上述問(wèn)題，本研究通過(guò)物理發(fā)泡的方式向粉煤灰-電石渣體系中直接引入泡沫，解決了加氣混凝土工藝中電石渣代替石灰后發(fā)泡性能不良的問(wèn)題，通過(guò)摻加礦渣及固化劑，以代替水泥，減少碳排放。在此基礎(chǔ)上，調(diào)控原料組成，優(yōu)化物料配比和養(yǎng)護(hù)制度，制得一種高性能的蒸壓輕質(zhì)砌塊，實(shí)現(xiàn)了物盡其用。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

粉煤灰：河北西柏坡發(fā)電有限公司產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，粉磨至比表面積479.58 kg/m2；電石渣：石家莊市化工化纖有限公司提供的濕排電石渣，含水率41.5%，主要成分為Ca（OH）2；礦渣：唐山某公司提供的?；郀t礦渣，粉磨至比表面積308.8 kg/m2；水泥：石家莊鹿泉金隅鼎鑫水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)水泥；脫硫石膏：燃煤電廠濕法脫硫產(chǎn)生的工業(yè)副產(chǎn)物；發(fā)泡劑：LG-2258，屬于植物源復(fù)合發(fā)泡劑，發(fā)泡倍數(shù)大于30倍，沉降距離小于10 mm，泌水量低于60 ml，市售；固化劑：m（超細(xì)礦渣）∶m（CF 激發(fā)劑）∶m（脫硫石膏）=75∶10∶15，自制；CF激發(fā)劑：河北中科環(huán)保生產(chǎn)有限公司提供，主要成分SiO2、Na2SO4。主要原料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 主要原料的化學(xué)成分 %

1.2 輕質(zhì)砌塊的制備工藝

首先將磨細(xì)的物料與水按一定配比混合制成料漿。發(fā)泡劑按質(zhì)量比1∶60進(jìn)行稀釋?zhuān)?jīng)高速攪拌制成泡沫。將泡沫與料漿混合制成均勻流態(tài)漿，然后將混合料漿澆注到70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm三聯(lián)模具中，進(jìn)行預(yù)養(yǎng)護(hù)。試塊經(jīng)脫模后，放入蒸壓釜中按一定的蒸壓制度進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)，制得輕質(zhì)砌塊。

1.3 測(cè)試與表征

輕質(zhì)砌塊制品的絕干密度、抗壓強(qiáng)度、吸水率、干收縮性能、導(dǎo)熱系數(shù)等參照J(rèn)C/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》進(jìn)行測(cè)試。借助NYL-300A型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試塊力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試，利用DRM-II型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)定試塊的導(dǎo)熱系數(shù)，利用D/MAX2500PC型X-射線(xiàn)衍射儀對(duì)輕質(zhì)砌塊的水化產(chǎn)物進(jìn)行表征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 電石渣摻量對(duì)砌塊性能的影響

按照 m（粉煤灰+電石渣）∶m（水泥）∶m（石膏）∶m（發(fā)泡劑）=88.5∶10∶1.5∶0.1，經(jīng)配料、攪拌、澆注、預(yù)養(yǎng)、切割、蒸壓養(yǎng)護(hù)等工藝過(guò)程制備輕質(zhì)砌塊。試驗(yàn)中，通過(guò)改變粉煤灰與電石渣的質(zhì)量比探索電石渣在總物料中的摻量對(duì)砌塊性能的影響。結(jié)果如圖1所示。

圖1 電石渣摻量對(duì)砌塊性能的影響

由圖1可知，在保持試塊密度基本不變的條件下，隨著電石渣摻量的增加，砌塊的抗壓強(qiáng)度呈增大的趨勢(shì)。電石渣中的氫氧化鈣溶于水后提高了料漿的堿度，隨著電石渣摻量的增加，料漿中溶出的活性硅與鈣達(dá)到了較優(yōu)的配比，在蒸壓條件下生成水化硅酸鈣（CSH）、托貝莫來(lái)石等水化產(chǎn)物，有效地提高了制品的強(qiáng)度。但當(dāng)電石渣摻量過(guò)大時(shí)，易造成輕質(zhì)砌塊泛堿、開(kāi)裂[9]等現(xiàn)象，降低砌塊的耐久性能和與墻體的相容性，污染環(huán)境。綜合經(jīng)濟(jì)和環(huán)保角度進(jìn)行考慮，適宜的電石渣摻量為20%～25%。

2.2 礦渣摻量對(duì)砌塊性能的影響

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，當(dāng)電石渣摻量為20%時(shí)生產(chǎn)的輕質(zhì)砌塊強(qiáng)度較低，不符合JC/T 1062—2007的要求。探索性試驗(yàn)表明，粉煤灰與礦渣具有一定的協(xié)同作用。為此，在體系中摻入礦渣，并對(duì)礦渣摻量進(jìn)行了優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 礦渣摻量對(duì)砌塊性能的影響

由圖2可知：（1）在保持試塊密度基本不變的條件下，在料漿中摻入適量的礦渣可以明顯提高輕質(zhì)砌塊的強(qiáng)度。粉煤灰中缺少鈣質(zhì)材料，礦渣的摻入形成了粉煤灰-電石渣-礦渣復(fù)合膠凝體系。在堿的激發(fā)作用下，礦渣微粉中的硅酸二鈣等活性組分發(fā)生水化反應(yīng)，增加了膠凝物質(zhì)的數(shù)量，形成更多的C-S-H凝膠，提高砌塊的強(qiáng)度。（2）礦渣和粉煤灰存在一個(gè)最優(yōu)配合比。隨著礦渣微粉摻量的增加，過(guò)多的礦渣微粉會(huì)帶來(lái)較多的惰性組分，導(dǎo)致輕質(zhì)砌塊的強(qiáng)度降低[10]。通過(guò)調(diào)整礦渣摻量，可以獲得較高強(qiáng)度的產(chǎn)品。適宜的礦渣摻量為10%～20%。

2.3 蒸壓養(yǎng)護(hù)制度對(duì)砌塊性能的影響

適宜的蒸壓養(yǎng)護(hù)恒溫溫度和恒溫時(shí)間是制品能夠充分進(jìn)行水化反應(yīng)并達(dá)到一定結(jié)晶度的保證。良好的蒸壓養(yǎng)護(hù)制度可以最大限度地降低制品坯體可能受到的損傷，并在滿(mǎn)足技術(shù)要求的情況下降低能源消耗。

2.3.1 恒溫溫度對(duì)砌塊性能的影響

按照基礎(chǔ)配方：m（粉煤灰）∶m（電石渣）∶m（礦渣）∶m（水泥）∶m（石膏）∶m（發(fā)泡劑）=58.5∶20∶10∶10∶1.5∶0.1 制備試塊樣品，在“升溫4h-釜內(nèi)恒溫4h-自然冷卻”的蒸壓養(yǎng)護(hù)制度下，改變恒溫溫度，考察不同恒溫溫度對(duì)試塊性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 蒸壓養(yǎng)護(hù)恒溫溫度對(duì)砌塊性能的影響

從圖3可知，在保持試塊密度基本不變的條件下，隨著釜內(nèi)溫度的升高，砌塊的抗壓強(qiáng)度先快速升高后趨于平緩。當(dāng)溫度高于180℃時(shí)，砌塊強(qiáng)度變化趨緩。在高溫濕熱環(huán)境下，原材料中的SiO2、Al2O3溶解速度加快，有更多活性物質(zhì)參與水化反應(yīng)。在升溫過(guò)程中，生成更多的水化膠凝產(chǎn)物，試塊的抗壓強(qiáng)度快速提高。而當(dāng)溫度高于180℃時(shí)，容易形成強(qiáng)度低的水化產(chǎn)物（如硬硅鈣石），導(dǎo)致砌塊的抗壓強(qiáng)度趨于平緩[11]。因此，適宜的蒸壓養(yǎng)護(hù)恒溫溫度為180℃。

2.3.2 恒溫時(shí)間對(duì)砌塊性能的影響

按照基礎(chǔ)配方制備試塊樣品，在“升溫4 h-釜內(nèi)180℃恒溫-自然冷卻”的蒸壓養(yǎng)護(hù)制度下，探索不同蒸壓養(yǎng)護(hù)恒溫時(shí)間對(duì)試塊性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 恒溫時(shí)間對(duì)砌塊性能的影響

由圖4可知，在保持試塊密度基本不變的條件下，輕質(zhì)砌塊的抗壓強(qiáng)度隨蒸壓養(yǎng)護(hù)恒溫時(shí)間的延長(zhǎng)呈先提高后趨平緩，當(dāng)恒溫時(shí)間超過(guò)4 h時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸趨于平緩。這是因?yàn)楹銣貢r(shí)間較短時(shí)，膠凝體系中的活性組分水化不完全，試塊的力學(xué)強(qiáng)度較低。隨著恒溫時(shí)間的延長(zhǎng)，水化產(chǎn)物結(jié)晶度不斷提高，形成了大量CSH（I）、托貝莫來(lái)石等水化產(chǎn)物，提高了試塊的抗壓強(qiáng)度；但當(dāng)恒溫時(shí)間超過(guò)4 h后，砌塊中的活性組分水化已趨于完全，繼續(xù)延長(zhǎng)蒸壓恒溫時(shí)間對(duì)輕質(zhì)砌塊的強(qiáng)度貢獻(xiàn)已不明顯[12-13]。因此，適宜的蒸壓養(yǎng)護(hù)恒溫時(shí)間為4 h。上述研究表明，在保證試塊密度600 kg/m3的情況下，砌塊抗壓強(qiáng)度可達(dá)3.5 MPa以上，能符合JC/T 1062—2007中A3.5、B06級(jí)合格品的要求。

3 增強(qiáng)材料調(diào)控與性能優(yōu)化

考慮到原料和養(yǎng)護(hù)制度可能發(fā)生波動(dòng)，高質(zhì)量產(chǎn)品是建筑墻體材料的發(fā)展趨勢(shì)。為此，通過(guò)開(kāi)發(fā)一種增強(qiáng)材料對(duì)原料配方進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能。在基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上，利用增強(qiáng)材料固化劑部分或全部代替水泥（固化劑與水泥摻量占總物料的10%），在“升溫4 h-180℃恒溫4 h-自然冷卻”的蒸壓養(yǎng)護(hù)制度下進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)，固化劑摻量對(duì)砌塊性能的影響如圖5所示。

圖5 固化劑摻量對(duì)砌塊性能的影響

從圖5可以看出，摻加固化劑能進(jìn)一步提高產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度。隨著固化劑摻量的增加，砌塊強(qiáng)度逐漸提高。當(dāng)固化劑完全代替水泥（摻量為10%）時(shí)，砌塊的抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.8MPa，接近JC/T 1062—2007規(guī)定的優(yōu)等品性能指標(biāo)。制品在預(yù)養(yǎng)護(hù)階段，摻有固化劑物料中的活性Al2O3與體系中的反應(yīng)生成大量的AFt，有助于提高砌塊的初始強(qiáng)度，降低廢料的產(chǎn)生量。固化劑中超細(xì)礦渣的活性組分為試塊的強(qiáng)度提供了保障。CF激發(fā)劑中的硫酸鈉組分充分激發(fā)了粉煤灰的活性，活性SiO2極易與電石渣中的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，為水化產(chǎn)物的生成提供“晶核”，強(qiáng)化了水化凝結(jié)過(guò)程，使得砌塊的結(jié)構(gòu)密實(shí)高強(qiáng)。因此，用固化劑代替水泥可以有效提高試塊的強(qiáng)度。

基于上述試驗(yàn)，得到的優(yōu)化物料配比為：m（粉煤灰）∶m（電石渣）∶m（礦渣）∶m（固化劑）∶m（脫硫石膏）∶m（發(fā)泡劑）=58.5∶20∶10∶10∶1.5∶0.1。適宜的養(yǎng)護(hù)制度為：“升溫 4 h-180 ℃恒溫 4 h-自然冷卻”。按此工藝參數(shù)制備的輕質(zhì)砌塊，各項(xiàng)性能優(yōu)于JC/T1062—2007中A3.5、B06級(jí)的合格品要求（見(jiàn)表2）。

表2 輕質(zhì)砌塊的性能測(cè)試結(jié)果

由表2可知，當(dāng)密度為617.5 kg/m3時(shí)，可制得強(qiáng)度為4.84 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0672 W/（m·K），干收縮率為0.487 mm/m的砌塊。與普通蒸壓加氣混凝土相比，導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低[后者的導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.11～0.18 W/（m·K）]，干燥收縮率也完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，表明物料配方經(jīng)優(yōu)化后的蒸壓輕質(zhì)砌塊具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4 水化產(chǎn)物分析

按照基礎(chǔ)配比與優(yōu)化配合比，在“升溫4 h-180℃恒溫4 h-自然冷卻”的蒸壓養(yǎng)護(hù)制度下制備輕質(zhì)砌塊，優(yōu)化組與對(duì)照組試塊的XRD對(duì)比分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 砌塊的XRD圖譜

由圖6可知，試塊經(jīng)蒸壓后的主要水化產(chǎn)物有CSH（I）、托貝莫來(lái)石、水石榴石以及未參與反應(yīng)的石英、硬石膏。優(yōu)化組樣品中水化產(chǎn)物CSH（I）、托貝莫來(lái)石、水石榴石的峰值明顯高于空白組，這表明固化劑的摻入對(duì)砌塊水化產(chǎn)物的生成有積極的促進(jìn)作用。在蒸壓過(guò)程中，電石渣中的Ca（OH）2及固化劑組分充分激發(fā)了粉煤灰和礦渣的活性,破壞了玻璃體的表面結(jié)構(gòu)。粉煤灰中含有大量活性二氧化硅，但鈣含量較少，而礦渣中存在硅酸二鈣，兩者相互補(bǔ)充，在CF激發(fā)劑的作用下發(fā)揮協(xié)同組合作用。隨著蒸壓溫度的上升，膠凝體系中的活性SiO2和Al2O3不斷溶出，Si-O-Si、Al-O-Si鍵在堿金屬Ca2+離子作用下發(fā)生水化、解聚，生成水化鋁酸鈣及大量的CSH（I）。隨著蒸壓恒溫時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，水化鋁酸鈣與溶出的SiO2反應(yīng)生成水石榴石，水化硅酸鈣的結(jié)晶度也不斷提高，形成托貝莫來(lái)石，提高了輕質(zhì)砌塊的強(qiáng)度[14-15]。圖譜中的石英主要來(lái)自于未反應(yīng)完全的粉煤灰，可作為輕質(zhì)砌塊的骨料，對(duì)制品的強(qiáng)度起到一定的積極作用[16]。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）以粉煤灰、電石渣代替石灰，固化劑代替水泥為原料，用物理發(fā)泡的方式經(jīng)蒸壓生產(chǎn)一種全固廢蒸壓輕質(zhì)砌塊。解決了電石渣用于加氣混凝土生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)泡性能不良和強(qiáng)度過(guò)低的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了廢棄物的資源化利用。

（2）采用固化劑強(qiáng)化的粉煤灰-電石渣蒸壓泡沫混凝土工藝，替代了水泥，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳減排。適宜的物料配比為：粉煤灰58.5%，電石渣20%，礦渣10%，固化劑10%，脫硫石膏1.5%，發(fā)泡劑摻量0.1%。養(yǎng)護(hù)制度為：“升溫4 h-180℃恒溫4 h-自然冷卻”。產(chǎn)品符合JC/T 1062—2007規(guī)定的A3.5、B06級(jí)合格品要求，主要指標(biāo)接近優(yōu)等品指標(biāo)。保溫效果和干收縮率遠(yuǎn)優(yōu)于普通蒸壓加氣混凝土砌塊。

（3）采用復(fù)合助劑改性礦渣技術(shù)，通過(guò)調(diào)控物料配比進(jìn)一步強(qiáng)化了蒸壓體系水化過(guò)程，發(fā)揮了粉煤灰與礦渣、電石渣的協(xié)同作用，優(yōu)化了粉煤灰-電石渣蒸壓水化產(chǎn)物組成，提高了蒸壓制品的力學(xué)強(qiáng)度。通過(guò)XRD分析可知，砌塊的主要水化產(chǎn)物有CSH（I）、托貝莫來(lái)石及水石榴石，是影響制品強(qiáng)度的關(guān)鍵水化產(chǎn)物。