姚文夏（吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春　130061）

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蒸壓粉煤灰磚的力學(xué)性能研究

姚文夏
（吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130061）

探討了水泥、石灰、石膏對(duì)蒸壓粉煤灰磚力學(xué)性能的影響。采用正交試驗(yàn)研究了不同激發(fā)劑對(duì)蒸壓粉煤灰磚性能影響的重要性。采用X射線衍射、掃描電子顯微鏡等方法研究了其水化產(chǎn)物及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行了探討與研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)蒸壓粉煤灰磚力學(xué)性能的影響大小為水泥＞石灰＞石膏，且主要水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、新鈣硅石及少量的水化硫鋁酸鈣等。

蒸壓粉煤灰磚；力學(xué)性能；機(jī)理分析

我國(guó)每年產(chǎn)生大量的粉煤灰、高爐礦渣等固體廢棄物，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害［1］。因此，利用粉煤灰、礦渣等制備新型墻體材料，不僅是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，更是解決環(huán)境污染問(wèn)題，促進(jìn)建材產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的重要舉措，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1　試驗(yàn)

1.1原材料

水泥：42.5R普通硅酸鹽水泥，長(zhǎng)春亞泰集團(tuán)鼎鹿水泥。粉煤灰：Ⅲ級(jí)，長(zhǎng)春第一熱電有限責(zé)任公司，化學(xué)成分見表1。石灰：消石灰，有效CaO含量≥90%。骨料：碎石，粒徑≥5 mm；Ⅱ區(qū)中砂。石膏：β半水硫酸鈣的含量≥60%，泰山鵬程石膏粉有限公司。水：自來(lái)水。

表1　粉煤灰的化學(xué)成分　%

1.2主要儀器設(shè)備

蒸壓釜：JR07-125壓力容器，邵陽(yáng)市金屬結(jié)構(gòu)廠；掃描電子顯微鏡：SSX-550型；X射線衍射儀：AXS-D8型，德國(guó)Bruker公司。

1.3試件制備與性能測(cè)試

按m（石灰）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（碎石）∶m（水泥）=1∶2.9∶0.5∶0.8∶0.3，外摻石膏（按占水泥質(zhì)量百分比計(jì)）制備蒸壓粉煤灰磚。養(yǎng)護(hù)條件為185℃、1.2 MPa，采用升溫4 h、恒溫8 h、降溫4 h，物料混合采用輪碾工藝。采用240 mm×115 mm×53 mm的自制鋼試模，成型后可立即拆模。拆模養(yǎng)護(hù)24 h后，按JC 239—2014《蒸壓粉煤灰磚》進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2　結(jié)果與討論

2.1石灰摻量對(duì)蒸壓粉煤灰磚力學(xué)性能的影響

在其它材料配比不變的基礎(chǔ)上，石灰摻量（按占固體材料總質(zhì)量計(jì)，下同）對(duì)蒸壓粉煤灰磚力學(xué)性能的影響見圖1。

從圖1可以看出，隨著石灰摻量的增加，蒸壓粉煤灰磚的強(qiáng)度提高，摻量為20%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。石灰的加入提供了大量的OH-，為破壞粉煤灰中的Si—O、Al—O鍵提供堿性環(huán)境［2］，同時(shí)提供水化產(chǎn)物所必須的Ca2+，促進(jìn)水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物的生成，使蒸壓粉煤灰磚的強(qiáng)度得以提高。

圖1　石灰摻量對(duì)蒸壓粉煤灰磚強(qiáng)度的影響

2.2石膏摻量對(duì)蒸壓粉煤灰磚力學(xué)性能的影響

（見圖2）

圖2　石膏摻量對(duì)蒸壓粉煤灰磚強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，隨著石膏摻量的增加，蒸壓粉煤灰磚強(qiáng)度有所提高。在堿性激發(fā)條件下，粉煤灰中的活性Al2O3大量釋放，能夠與石膏提供的SO42-發(fā)生反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣［3］，隨著這一反應(yīng)的不斷進(jìn)行，能夠促使粉煤灰快速參與水化反應(yīng)，使粉煤灰磚強(qiáng)度得以提高。

2.3水泥摻量對(duì)蒸壓粉煤灰磚力學(xué)性能的影響

在其它材料配比不變的基礎(chǔ)上，外摻2%石膏，水泥摻量（按占固體材料總質(zhì)量計(jì)，下同）對(duì)蒸壓粉煤灰磚力學(xué)性能的影響見圖3。

圖3　水泥摻量對(duì)蒸壓粉煤灰磚強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出，隨著水泥摻量的增加其水化產(chǎn)物量明顯增加，再加上高溫高壓的條件下使粉煤灰磚內(nèi)部的水泥迅速水化而導(dǎo)致pH值迅速提高，對(duì)粉煤灰的活性進(jìn)行激發(fā)［4-5］，同時(shí)由于水泥的誘導(dǎo)作用，使粉煤灰磚內(nèi)部的水化產(chǎn)物量及內(nèi)部水化速率都顯著提升，最終導(dǎo)致粉煤灰磚強(qiáng)度顯著提高。

3　正交試驗(yàn)

為了進(jìn)一步證實(shí)各原材料摻量對(duì)蒸壓粉煤灰磚的性能影響趨勢(shì)，采用L9（33）正交試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。正交試驗(yàn)因素水平見表2，正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析見表3。

表2　正交試驗(yàn)因素水平

表3　正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

從表3可以看出，影響蒸壓粉煤灰磚抗壓強(qiáng)度的因素依次為：水泥＞石灰＞石膏。隨水泥、石灰摻量的增加，磚體的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而隨石膏摻量的增加，磚體的抗壓強(qiáng)度變化不大。A3B3C2組合抗壓強(qiáng)度最高，為23.9 MPa。但是從整個(gè)材料利用的經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，A2B3C1綜合成本低。在確保材料強(qiáng)度、耐久性等綜合性能的前提下，蒸壓粉煤灰磚最佳組合為A2B3C1，其抗壓強(qiáng)度為20.1 MPa。

4　蒸壓粉煤灰磚水化機(jī)理分析

為進(jìn)一步分析磚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能，對(duì)m（石灰）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（碎石）∶m（水泥）=1∶2.9∶0.5∶0.8∶0.3，外摻2%石膏的樣品進(jìn)行SEM和XRD分析，結(jié)果分別見圖4和圖5。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，粉煤灰顆粒表面存在大量的水化產(chǎn)物，這與初期粉煤灰內(nèi)部球狀玻璃體表面結(jié)構(gòu)存在顯著差異，而且磚體內(nèi)部水化較完全，界面結(jié)構(gòu)較密實(shí)，首先主要是因?yàn)樗?、石灰、石膏激發(fā)劑的存在提供了反應(yīng)的堿性環(huán)境，促使粉煤灰中的Si—O、Al—O鍵破環(huán)，使其快速溶出參與水化反應(yīng)。同時(shí)提供水化產(chǎn)物所必須的Ca2+，促進(jìn)水化產(chǎn)物的生成及磚體強(qiáng)度的提升。另一方面，由于水泥中大量C3S、C2S、C3A、C4AF礦物的存在，從而生成大量的CSH附著于粉煤灰粒子表面，同時(shí)提升蒸壓粉煤灰磚整體性能。

圖4 蒸壓粉煤灰磚的SEM照片

圖5蒸壓粉煤灰磚的XRD圖譜

從圖5可知，蒸壓粉煤灰磚的水化產(chǎn)物主要為水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣、斜水硅鈣石以及部分未能參與反應(yīng)的二氧化硅等，其各峰值主要分布在600～800、1200～1400。這也再次證明，水泥、石灰、石膏的加入促進(jìn)了蒸壓粉煤灰磚內(nèi)部水化產(chǎn)物的形成，有利于磚體力學(xué)性能的提高。

5　結(jié)語(yǔ)

（1）水泥、石灰、石膏的加入為粉煤灰的反應(yīng)提供了堿性環(huán)境，且促進(jìn)了水化產(chǎn)物的生成。

（2）影響蒸壓粉煤灰磚強(qiáng)度的因素依次為：水泥→石灰→石膏，即水泥為影響粉煤灰蒸壓磚強(qiáng)度的主要因素。

（3）蒸壓粉煤灰磚的主要水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣、斜水硅鈣石及部分未能參與反應(yīng)的二氧化硅等。

［1］黃葉，錢覺時(shí)，王智，等.循環(huán)流化床鍋爐固硫灰與煤粉鍋爐粉煤灰的比較研究［J］.粉煤灰綜合利用，2009（3）：7-10.

［2］ P Chindaprasirt，K Pimraksa.A Study of fly ash-lime granule unfired brick［J］.Powder Technology，2008（18）：33-41.

［3］林芳輝.脫硫石膏粉煤灰膠結(jié)材水化硬化機(jī)理及耐水研究［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，1995（4）：219-223.

［4］崔志治.粉煤灰活化措施研究［J］.新型建筑材料，2002（9）：21-25. ［5］方榮利，劉敏，周元林.利用粉煤灰研制泡沫玻璃［J］.新型建筑材料，2003（6）：38-40.

Study on mechanics of the autoclaved fly ash brick

YAO Wenxia
（College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130061，China）

In this paper，discusses the effect of cement，lime，gypsum on physical performance of autoclaved fly ash brick.Research the importance of different activators on performance of autoclaved fly ash brick by orthogonal test study.Then the hydration product and internal microstructure of this material were analyzed by X-ray diffraction and scanning electron microscopy and the interaction mechanism was researched.The results show that the importance order on performance of autoclaved fly ash brick is cement＞lime＞gypsum.The hydration product includes hydrated calcium silicate，hydrated calcium aluminate，new calcium silica and small amount of hydrated calcium sulfoaluminate.

autoclaved fly ash brick，mechanical properties，analysis of the mechanism

TU522

A

1001-702X（2016）06-0072-03

2016-02-23；

2016-05-18

姚文夏，男，1984年生，吉林吉林人，工程師。地址：長(zhǎng)春市朝陽(yáng)區(qū)西民主大街938號(hào)，E-mail：179202439@qq.com。