粉煤灰壓制成型免燒免蒸壓磚試驗(yàn)研究

楊 永

(四川省建筑科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610081)

0 前 言

粉煤灰作為燃煤發(fā)電廠排放的固體廢棄物，排放量逐年增加，我國(guó)對(duì)粉煤灰的研究和利用也不斷深入，綜合應(yīng)用范圍越來(lái)越廣[1]。目前國(guó)內(nèi)的粉煤灰研究主要集中在建材制品、建設(shè)工程、道路工程、農(nóng)業(yè)應(yīng)用、從粉煤灰中提取礦物和高值利用、環(huán)境治理和保護(hù)、催化反應(yīng)中的應(yīng)用等各個(gè)方面[2]。主要應(yīng)用在水泥混合材、混凝土摻合料、加氣混凝土或輕質(zhì)保溫材料、墻體材料等方面[3-6]。將粉煤灰用作主要原材料制磚是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一[7-8]，研究主要集中在采用蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝使粉煤灰磚早期強(qiáng)度快速增長(zhǎng)，但蒸壓養(yǎng)護(hù)需要使用特定蒸壓設(shè)備，工藝較為復(fù)雜且能耗較高。近年來(lái)，免燒免蒸壓粉煤灰磚逐漸代替蒸壓磚成為研究熱點(diǎn)之一，不僅如此，研制生產(chǎn)粉煤灰磚逐步代替實(shí)心傳統(tǒng)黏土磚成為近幾年發(fā)展的一種趨勢(shì)。

因此，研究以粉煤灰為主要原材料，加入生水灰、石膏、水泥和骨料等，壓制成型制備粉煤灰磚，并研究養(yǎng)護(hù)方式對(duì)其力學(xué)性能的影響，通過(guò)正交試驗(yàn)確定粉煤灰-骨料磚的最優(yōu)配比，制備滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的粉煤灰磚，為研制免燒免蒸壓磚提供實(shí)用參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)原材料及制備

粉煤灰采用重慶九龍坡珞璜電廠的二級(jí)粉煤灰，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。生石灰粉(CaO)采用湖北益陽(yáng)的益佳欣石灰廠，CaO含量90%，0.08 mm方孔篩余低于20%。石膏采用氟石膏，主要成分為無(wú)水硫酸鈣。水泥采用普通硅酸鹽水泥P·O 42.5級(jí)。骨料選用粒徑5～10 mm的石灰石碎石，采用連續(xù)級(jí)配；砂選用機(jī)制砂中砂。外加劑選用無(wú)水硫酸鈉(Na2SO4)。

表1 粉煤灰的化學(xué)成分 wt.%

根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)置無(wú)骨料粉煤灰磚配比(見(jiàn)表2)，水膠比為0.18。粉煤灰-骨料磚采用正交試驗(yàn)，粉煤灰、生石灰和骨料為3個(gè)主要因素，共設(shè)置9組試驗(yàn)，詳細(xì)配比見(jiàn)表3，其中，骨料里碎石∶中砂=3∶2，水膠比0.18，無(wú)水硫酸鈉摻量0.2%。

表2 無(wú)骨料粉煤灰制磚配比 wt.%

表3 含骨料粉煤灰制磚配比 wt.%

2 試驗(yàn)方法

免燒粉煤灰-骨料磚研制過(guò)程主要為：生石灰熟化-加入粉煤灰和石膏混合均勻-加入水泥、骨料、外加劑和水等攪拌均勻-壓制成型-靜停2 h-養(yǎng)護(hù)-成品性能測(cè)試。

研制的粉煤灰磚尺寸為240 mm×115 mm×53 mm，采用壓力機(jī)壓制成型，成型壓力為10 MPa，定荷60 s。磚抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、吸水率性能依照《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542—2012)進(jìn)行試驗(yàn)。

3 結(jié)果及討論

3.1 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)粉煤灰磚性能的影響

采用蒸汽(90℃)養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(20±2℃，RH≥95%)兩種方式對(duì)磚進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)量其3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度。其中，蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，所有試件在蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)3 d后放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。養(yǎng)護(hù)方式對(duì)粉煤灰磚抗壓強(qiáng)度及吸水率的影響結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 蒸汽養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)對(duì)磚的抗壓強(qiáng)度及吸水率的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表4中可以發(fā)現(xiàn)，同種養(yǎng)護(hù)條件下，抗壓強(qiáng)度隨吸水率的增加而降低，蒸汽養(yǎng)護(hù)的粉煤灰磚吸水率低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，這主要是因?yàn)檎羝B(yǎng)護(hù)加速了水化反應(yīng)，生成了更多的水化產(chǎn)物，在一定程度上改善了孔結(jié)構(gòu)，使磚內(nèi)聯(lián)通孔減少，封閉孔增加，使吸水率降低。值得注意的是，養(yǎng)護(hù)方式對(duì)磚抗壓強(qiáng)度影響十分明顯，蒸汽養(yǎng)護(hù)可以使磚強(qiáng)度快速增加，W1和W2組的28 d抗壓強(qiáng)度均超過(guò)15 MPa，達(dá)到MU15磚的強(qiáng)度要求；而同齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度約為蒸汽養(yǎng)護(hù)的1/3，且標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d抗壓強(qiáng)度僅有5.8 MPa，沒(méi)有達(dá)到MU10的標(biāo)準(zhǔn)。需注意的是，粉煤灰磚經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度相對(duì)于3 d強(qiáng)度僅增長(zhǎng)了不到3 MPa，說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)不能快速有效提高磚的強(qiáng)度，這主要是由于在濕熱環(huán)境中，特別是溫度較高時(shí)，粉煤灰中活性成分(SiO2和Al2O3)與石灰中的Ca(OH)2反應(yīng)速率加快，促進(jìn)了水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物的生成，且高溫還有利于水化硅酸鈣結(jié)晶，也在一定程度上提高了強(qiáng)度。因此，粉煤灰磚采用蒸汽養(yǎng)護(hù)更利于工廠進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。

3.2 蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)磚抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響

為確定蒸汽養(yǎng)護(hù)(90℃)時(shí)間對(duì)粉煤灰磚抗壓強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為8 h、12 h、24 h、36 h、48 h、72 h、144 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1柱狀圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，粉煤灰磚的抗壓強(qiáng)度不斷增加，養(yǎng)護(hù)24 h時(shí)強(qiáng)度可超過(guò)10 MPa，48 h后可超過(guò)15 MPa，主要是因?yàn)榇u內(nèi)生成的水化產(chǎn)物不斷增加，延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間可以在一定程度上加速?gòu)?qiáng)度的發(fā)展[9]。另外，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，磚的吸水率呈下降趨勢(shì)，但在48 h后，吸水率不再下降，這可能是由于隨著蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，磚內(nèi)孔結(jié)構(gòu)不斷改善，但在48 h后孔結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。因此，考慮磚的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率及蒸汽養(yǎng)護(hù)成本，分析認(rèn)為對(duì)粉煤灰磚合理進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間是48 h。

圖1 蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)粉煤灰磚抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響

3.3 粉煤灰-骨料磚配比優(yōu)化

在粉煤灰磚中加入骨料可有效降低成本，有利于推廣應(yīng)用，但對(duì)強(qiáng)度影響較大。表5匯總了考慮粉煤灰、生石灰和骨料3個(gè)主要因素對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響結(jié)果，其中，磚養(yǎng)護(hù)過(guò)程為蒸汽養(yǎng)護(hù)48 h后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。從結(jié)果可知，粉煤灰-骨料磚28 d抗壓強(qiáng)度均大于10 MPa、抗折強(qiáng)度均大于2.5 MPa，可達(dá)到《蒸壓粉煤灰磚》(JC/T 239—2014)MU10強(qiáng)度要求。

以28 d抗壓強(qiáng)度為目標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，結(jié)果表明3個(gè)因素對(duì)強(qiáng)度的影響顯著性為：粉煤灰>骨料>生石灰。增加或減少粉煤灰、生石灰和骨料用量，抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)變化。因此，綜合分析認(rèn)為粉煤灰磚最佳配比為粉煤灰∶生石灰∶骨料∶水泥∶石膏=61∶11∶19∶5∶4。

表5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

1)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，粉煤灰磚抗壓強(qiáng)度發(fā)展緩慢，28 d強(qiáng)度不足10 MPa；與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，蒸汽養(yǎng)護(hù)可使磚的早期強(qiáng)度快速增長(zhǎng)，在24～72 h內(nèi)可獲得較高的抗壓強(qiáng)度。

2)粉煤灰磚在蒸汽養(yǎng)護(hù)8～72 h時(shí)間內(nèi)，其抗壓強(qiáng)度不斷增加，在48 h之后，強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，吸水率趨于穩(wěn)定，在90℃的蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，合理的蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間為48 h。

3)摻骨料粉煤灰磚最佳配比為粉煤灰∶生石灰∶骨料∶水泥∶石膏=61∶11∶19∶5∶4，28 d抗壓強(qiáng)度均大于10 MPa，抗折強(qiáng)度均大于2.5 MPa，可達(dá)到MU10強(qiáng)度要求。

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