磨細(xì)砂制備高強(qiáng)蒸壓灰砂砌塊的研究

方 飛 李從波 魏小軍

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

0 引言

蒸壓灰砂砌塊是以石灰為鈣質(zhì)材料，砂為硅質(zhì)材料，經(jīng)原料處理、配料攪拌、消化作用、壓制成型及蒸壓養(yǎng)護(hù)而成的新型墻體材料[1]。隨著墻體材料的改革和限制黏土磚使用力度的加大，蒸壓灰砂磚作為一種環(huán)保型建筑材料得到快速發(fā)展，并在《新型墻體材料產(chǎn)品目錄（2016 年本）》受到推薦使用。

蒸壓灰砂砌塊中砂的用量達(dá)到80%以上，據(jù)研究表明，砂的細(xì)度對(duì)灰砂砌塊的強(qiáng)度影響較大[2]。本研究利用球磨機(jī)對(duì)細(xì)砂進(jìn)行球磨處理制備成不同粒度、不同比表面積的磨細(xì)砂，然后研究利用石灰、磨細(xì)砂制備高性能的灰砂砌塊，從而建立磨細(xì)砂制備高強(qiáng)蒸壓灰砂砌塊的工藝路線。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

⑴生石灰：作為鈣質(zhì)材料，清遠(yuǎn)市建邦石灰有限公司生產(chǎn)，其化學(xué)成分如表1，達(dá)到JC/T 621-2009《硅酸鹽制品用生石灰》一等品等級(jí)要求。

表1 石灰的主要化學(xué)成分(%)

⑵砂：作為硅質(zhì)材料，產(chǎn)自佛山三水砂場，SiO2含量大于85%。取500g 試驗(yàn)用砂，烘干后進(jìn)行篩分，篩分曲線如圖1 所示，其細(xì)度模數(shù)為2.0，屬于細(xì)砂。

圖1 砂的篩分曲線圖

1.2 試驗(yàn)方法

⑴蒸壓灰砂試件的制備流程。

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的配合比，用電子天平準(zhǔn)確稱量各物料，并將各物料放入水泥凈漿攪拌機(jī)中干攪拌3min，再加入干料質(zhì)量18%的水?dāng)嚢?min，攪拌好的物料儲(chǔ)存到物料桶中，并用保鮮膜密封住桶口，物料在物料桶內(nèi)消解陳化2～16h。消化時(shí)間結(jié)束取出物料，加干料質(zhì)量5%的水二次攪拌3min，稱取100g 物料于直徑50mm 的不銹鋼模具中，在壓力機(jī)上以20MPa 的壓力壓制成直徑50mm、高26mm 的圓柱試塊[3]。脫模后的試塊靜置一段時(shí)間，再放入蒸壓釜內(nèi)進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)，蒸壓溫度為192℃，恒溫時(shí)間為8h，蒸壓壓力為1.3MPa。

⑵蒸壓灰砂試件的性能測試。

依據(jù)GB/T2542-2012《砌墻磚實(shí)驗(yàn)方法》對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度、膨脹率、容重、吸水率、軟化系數(shù)進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 球磨時(shí)間對(duì)細(xì)砂粒度的影響

取1000g 細(xì)砂，球料比設(shè)定為1:1，使用快速球磨機(jī)對(duì)細(xì)砂進(jìn)行濕法球磨，水料比為0.3，球磨時(shí)間設(shè)定為5～40min，并使用BT-9300HT 激光粒度分析儀對(duì)不同球磨時(shí)間制得的磨細(xì)砂進(jìn)行分析，其粒度分布參數(shù)見表2，分布曲線如圖2。

從圖2 可以看出，隨著球磨時(shí)間的延長，磨細(xì)砂的體積分布曲線不斷向左偏移，整體粒徑不斷減小，峰值粒徑及其占比不斷下降，說明鋁球研磨體破壞了砂顆粒的晶體結(jié)構(gòu)，促使顆粒被磨細(xì)。從表2 可以看出，當(dāng)球磨時(shí)間大于20min 時(shí)，磨細(xì)砂中粒徑大于100μm 顆粒數(shù)量大量減少，球磨時(shí)間達(dá)到30min 以上時(shí)，90%以上的顆粒粒徑在100μm 以下。

表2 不同球磨時(shí)間的磨細(xì)砂粒度分布參數(shù)

圖2 粒度體積分布曲線

2.2 磨細(xì)砂粒度對(duì)蒸壓灰砂砌塊的影響

本節(jié)利用上述不同球磨時(shí)間處理得到的磨細(xì)砂制備蒸壓灰砂制品，固定石灰：磨細(xì)砂配比為10%：90%，試件的抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同磨細(xì)砂制備灰砂試件抗壓強(qiáng)度

從圖3 可知，砂的細(xì)度對(duì)灰砂制品的強(qiáng)度具有顯著的影響，球磨時(shí)間越長，所制備的灰砂制品抗壓強(qiáng)度越高。當(dāng)未對(duì)細(xì)砂進(jìn)行球磨處理時(shí)，制品抗壓強(qiáng)度僅為7.0MPa；而當(dāng)球磨時(shí)間達(dá)到40min，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了33.1Mpa，比未球磨處理組提升了4.7 倍。分析其機(jī)理：球磨處理破壞了砂顆粒表面的結(jié)構(gòu)，將晶體SiO2轉(zhuǎn)化為無定形狀態(tài)的SiO2，砂?；钚栽鰪?qiáng)，同時(shí)砂粒徑越小，單位體積中顆粒接觸點(diǎn)越大，生成膠凝物質(zhì)質(zhì)量越好，所以磨細(xì)砂的使用可以極大增強(qiáng)灰砂制品的各項(xiàng)性能[4]?？紤]砂粉磨過細(xì)時(shí)所需能耗會(huì)大幅增加，同時(shí)物料中缺少可支撐的顆粒骨架，故合理的細(xì)砂球磨時(shí)間為30min。

2.3 石灰、磨細(xì)砂制備蒸壓灰砂砌塊的配比及工藝

石灰中的CaO 和磨細(xì)砂中的SiO2摩爾質(zhì)量比為鈣硅比（Ca/Si），最佳的Ca/Si 會(huì)隨著砂的細(xì)度增大而增大，當(dāng)磨細(xì)砂的比表面積在300m2/㎏左右時(shí)，最佳的Ca/Si 值在0.25 左右[1]。消化是蒸壓灰砂磚生產(chǎn)工藝的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，消化質(zhì)量直接關(guān)系到蒸壓灰砂制品的性能表現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過程中常使用消化倉對(duì)石灰進(jìn)行消化處理，消化倉可儲(chǔ)存熱量，加速CaO 的消解，同時(shí)促進(jìn)過燒CaO 的吸收消化。本節(jié)研究利用少量石灰和磨細(xì)砂來制備MU30 級(jí)的高強(qiáng)蒸壓灰砂砌塊，設(shè)計(jì)的配合比及消化時(shí)間見表3，試塊的抗壓強(qiáng)度和膨脹率變化見圖4、5。

圖4 石灰用量及消化時(shí)間對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

表3 石灰和磨細(xì)砂的配合比、消化時(shí)間

由圖4、圖5 可以看出：摻量在6%至14%范圍內(nèi)，隨著石灰摻量的增大，試塊的抗壓強(qiáng)度呈增大的趨勢，但石灰用量大于10%時(shí)，制品抗壓強(qiáng)度增長較小。分析可知，磨細(xì)砂的比表面積大，磨細(xì)過程中砂晶體的表層結(jié)構(gòu)受到破壞，表層原來晶體結(jié)構(gòu)形態(tài)轉(zhuǎn)化為無定形態(tài)的SiO2，無定形態(tài)的SiO2與Ca(OH)2反應(yīng)速度快、反應(yīng)程度更大。在蒸壓水熱條件下，石灰中的CaO 與磨細(xì)砂中的SiO2發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生水化硅酸鈣凝膠，石灰用量增大，生成的水化硅酸鈣凝膠含量也增大，將磨細(xì)砂緊密地粘結(jié)在一起，從而提高了試塊的抗壓強(qiáng)度。

圖5 石灰用量及消化時(shí)間對(duì)膨脹率的影響

此外可以看出，消化時(shí)間在2h 至16h 范圍內(nèi)，隨消化時(shí)間的延長，試塊的膨脹率逐漸減小，容重增大，抗壓強(qiáng)度逐漸增大。具體分析，當(dāng)石灰：磨細(xì)砂=10%：90%時(shí)，消化時(shí)間為2h 的試件抗壓強(qiáng)度僅為14.2MPa，膨脹率達(dá)到6%，而當(dāng)消化時(shí)間為16h 時(shí)，抗壓強(qiáng)度提升至32.4 MPa，膨脹率僅為0.2%。同時(shí)對(duì)試件表面觀察分析（見圖6），消化時(shí)間不足導(dǎo)致蒸壓過程中未反應(yīng)的CaO 與水反應(yīng)生成體積膨脹1.5～2 倍的Ca(OH)2[5]，從而使得試件開裂，表面出現(xiàn)大量塊狀裂紋；延長消化時(shí)間，試件表面表面光整，裂縫減少，膨脹率減低，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。

圖6 不同消化時(shí)間的試件外觀

對(duì)消化時(shí)間為16h 的不同配比蒸壓灰砂制品性能進(jìn)行檢測，結(jié)果見表4。

表4 不同石灰- 磨細(xì)砂配比對(duì)制品性能的影響

由表4 可知，隨著石灰摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度、軟化系數(shù)逐漸增大，吸水率逐漸減小。當(dāng)石灰用量為6%時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度可達(dá)27.4MPa，抗壓強(qiáng)度已達(dá)到GB/T 11945-2019《蒸壓灰砂實(shí)心磚和實(shí)心砌塊》中MU25 級(jí)砌塊要求；繼續(xù)增大石灰用量，試件抗壓強(qiáng)度有所上升，但上升幅度隨著石灰用量的增大而減小，且吸水率、軟化系數(shù)變化較小。故使用10%石灰即可制備出性能優(yōu)越的蒸壓灰砂制品，其性能可達(dá)到MU30 等級(jí)砌塊要求。

3 結(jié)論

⑴當(dāng)球磨時(shí)間小于10min 時(shí)，磨細(xì)砂的粒徑主要分布在100～500μm；球磨時(shí)間大于20min 時(shí)，粒徑主要分布在10～100μm 之間；球磨時(shí)間達(dá)到30min 以上，90%以上的粒徑在100μm 以下，其比表面積達(dá)到368.7 m2/㎏。

⑵砂的細(xì)度對(duì)蒸壓灰砂砌塊的強(qiáng)度具有顯著的影響，使用球磨時(shí)間越長的磨細(xì)砂制備的灰砂砌塊抗壓強(qiáng)度越高。

⑶使用6%～14%石灰制備蒸壓灰砂砌塊時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨石灰用量的增加而增大；最佳消化時(shí)間為16h，延長混合料消化時(shí)間，可以減小砌塊體積膨脹，提高抗壓強(qiáng)度。

⑷10%石灰、90%磨細(xì)砂經(jīng)消化16h 可制備出抗壓強(qiáng)度高達(dá)32.4MPa、容重為1697㎏/m3、吸水率為10.5%、軟化系數(shù)為0.94 的蒸壓灰砂砌塊，其達(dá)到GB/T 11945-2019《蒸壓灰砂實(shí)心磚和實(shí)心砌塊》中MU30 級(jí)砌塊要求。