彭效義，許國東，孫正華

（江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210008）

蒸壓灰砂磚是以砂和石灰為主要原料，摻入顏料和外加劑，經(jīng)坯料制備、壓制成型、經(jīng)高壓蒸氣養(yǎng)護而成的普通灰砂磚。本研究利用石灰、水泥、江砂、工業(yè)污泥為原料加水混合攪拌，通過壓制成型后蒸壓養(yǎng)護制備蒸壓灰砂磚。一方面，該蒸壓灰砂磚不僅質(zhì)量完全符合普通粘土磚的質(zhì)量規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，而且將上述工業(yè)污泥綜合利用，實現(xiàn)了變廢為寶；另一方面，這種蒸壓灰砂磚可以替代粘土磚，從而節(jié)約土地資源和能源，保護環(huán)境[1-2]。

1 試驗

1.1 原材料

（1）生石灰：張家港格銳環(huán)境工程有限公司提供，其化學(xué)成分見表1。經(jīng)檢測，生石灰的質(zhì)量符合JC/T 621—2009《硅酸鹽建筑制品用生石灰》中一等品的要求。

表1 生石灰的主要化學(xué)成分 %

（2）江砂：張家港格銳環(huán)境工程有限公司提供，其化學(xué)成分見表2，通過0.6 mm方孔篩的江砂經(jīng)檢測表明該砂符合JC/T 622—1996《硅酸鹽建筑制品用砂》一等品的要求。

表2 江砂的主要化學(xué)成分 %

（3）酸洗污泥：試驗所用污泥為工業(yè)酸洗污泥，由張家港格銳環(huán)境工程有限公司提供。其化學(xué)分析結(jié)果見表3。

表3 酸洗污泥的主要化學(xué)成分 %

（4）磨細(xì)江砂：蒸壓灰砂磚由于污泥的摻入，其強度必然有所下降，且隨著污泥摻量的增加強度下降越顯著。為了使蒸壓灰砂磚的強度滿足所希望得到的強度，并且考慮到蒸壓過程中并不是所有的江砂都能參加反應(yīng)，形成水化產(chǎn)物，試驗設(shè)計采用部分磨細(xì)江砂來代替未磨細(xì)的江砂，改善生石灰粉與硅質(zhì)材料接觸反應(yīng)的條件，使得蒸壓后可產(chǎn)生足量的水化產(chǎn)物，從而對蒸壓磚制品的強度和相關(guān)性能提供了保證。

（5）水泥：在試驗初期，為了盡量多摻工業(yè)污泥，并且能滿足蒸壓磚的性能指標(biāo)，本試驗通過摻入水泥來提高蒸壓磚的性能，試驗選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥。

（6）石膏：石膏作為外加劑，在蒸壓灰砂磚的制備過程中主要起到2方面的作用。一方面，石膏起到緩凝劑的作用，可以延緩石灰的水化凝結(jié)過程，從而使石灰的消化過程放熱平穩(wěn)，并且有充分的時間進行混合料的攪拌；另一方面，由于石膏的加入，石灰在消解過程中，石膏可以減小Ca（OH）2晶體尺寸 10～100倍，增加了 Ca（OH）2的分散度。增強了 Ca（OH）2與SiO2之間的反應(yīng)條件。本試驗所用石膏的化學(xué)成分見表4。

表4 石膏的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗設(shè)備

手動攪拌機：J1Z-YL-8800，德國野狼（國際）集團有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG 101-3，上虞市滬越儀器設(shè)備廠；壓力試驗機TYE-2000B，無錫市建儀儀器機械有限公司；微機控制萬能試驗機，CMT5105，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；統(tǒng)一試驗小磨，3M05，上海市新建機器廠；蒸壓釜，CJF-30，上海東璽制冷儀器設(shè)備有限公司。

1.3 試驗流程

（1）確定原料的配比。為了使蒸壓磚有較高的強度和良好的耐久性，要求制品中形成盡可能多的水化硅酸鈣礦物或凝膠，又不含有過多的剩余氫氧化鈣，必須確定最佳鈣硅配比，同時要考慮到工業(yè)污泥的摻量對蒸壓灰砂磚性能的影響較大。

（2）確定成型壓力。成型壓力對壓制產(chǎn)品的性能有較大的影響，不同的成型壓力壓制坯體，制品的密集程度不同，在有同樣的水化產(chǎn)物時，勢必會影響到制品的強度等性能。

（3）綜合條件試驗。通過上述2個階段的試驗研究，確定最佳試驗條件，進行綜合條件的全流程試驗，并參照GB 11945—1999《蒸壓灰砂磚》進行檢驗。

2 蒸壓磚強度形成機理和制備工藝

2.1 強度形成機理

在水熱條件下，石灰中的CaO與砂中以石英晶體形態(tài)存在的SiO2發(fā)生水化反應(yīng)，形成了水化硅酸鈣及其它水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物的相互搭接形成一定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過水化晶體的搭接使得蒸壓制品內(nèi)部骨料相互連接在一起，從而使得蒸壓制品具有強度。膠凝性的 CSH（B）、C2SH（A）、C2SH（B）、托勃莫來石、硬硅鈣石等水化硅酸鈣結(jié)晶體，其中低鈣水化硅酸鈣CSH（B）、托勃莫來石對強度的貢獻最大也最為常見。

2.2 蒸壓灰砂磚制備工藝

蒸壓灰砂磚的制備工藝流程如圖1所示[3-5]。

圖1 蒸壓灰砂磚的制備工藝流程

（1）原料的預(yù)處理

將生石灰進行球磨，使其過0.08mm篩篩余量≤15%。由于江砂中有機雜質(zhì)和云母片以及小貝殼較多，故使其通過0.6 mm方孔篩。磨細(xì)江砂需用通過0.6 mm方孔篩的江砂球磨自制：將上述江砂5 kg放置于球磨機中球磨30 min，細(xì)度控制在通過0.08 mm方孔篩的篩余量不超過10%。將污泥烘干后進行球磨，使其通過0.08 mm方孔篩，篩余量不超過20%。

（2）原料的2次攪拌均化

將稱量好的原料除水泥外，進行第1次的攪拌，加水量控制在總干原料的8%，并在1 min內(nèi)多次加完。將第1次攪拌好的原料密置停放，保持4 h，使生石灰初步消化。

在放置4 h的原料中加入稱量好的水泥，且進行第2次加水，加水量控制在總干料的8%，攪拌后馬上進行成型。

（3）灰砂磚的成型

將第2次攪拌好的原料稱量，并平鋪在標(biāo)準(zhǔn)磚模具中，然后在壓力試驗機上壓制成型?？刂瞥尚蛪毫Γ⒈３? min，加載速率3 kN/s。

（4）灰砂磚的蒸壓養(yǎng)護

將成型好的蒸壓磚，靜停12 h后，放置在蒸壓釜內(nèi)進行蒸壓養(yǎng)護。

3 蒸壓灰砂磚的制備

3.1 原料最佳摻量的確定

3.1.1 磨細(xì)江砂摻量的確定

不同磨細(xì)江砂摻量原料配比方案和蒸壓后抗壓強度測試結(jié)果如表5所示。蒸壓制度為：升溫2 h、恒溫6 h、自然降溫3 h，蒸汽壓力1.0 MPa，成型壓力20 MPa[6-8]（下同）。

表5 磨細(xì)江砂摻量對蒸壓灰砂磚力學(xué)性能的影響

從表5可以看出，磨細(xì)江砂的摻入對蒸壓磚的性能有顯著改善，隨著磨細(xì)砂摻量的增加，制品的抗折和抗壓強度逐漸提高。但當(dāng)磨細(xì)砂的摻量從10%增加到15%時，制品的抗折和抗壓強度分別提高了28.9%和16.7%，而當(dāng)磨細(xì)砂的摻量從15%增加到20%時，制品的抗折和抗壓強度只分別提高了5.2%和6.5%。所以，從經(jīng)濟和效益最大化角度考慮，選擇最佳磨細(xì)砂摻量為15%。

3.1.2 生石灰摻量的確定

在確定磨細(xì)砂摻量的基礎(chǔ)上，只改變生石灰摻量，不同生石灰摻量原料配比方案和蒸壓后抗壓強度測試結(jié)果如表6所示[8-11]。

表6 生石灰摻量對蒸壓灰砂磚力學(xué)性能的影響

由表6可以看出，同一蒸壓制度下，蒸壓灰砂磚的平均抗折強度和抗壓強度都隨著石灰摻量的增加先提高后降低，石灰摻量為25%時，抗折和抗壓強度最大；石灰摻量繼續(xù)增加，抗壓強度反而降低，這是因為當(dāng)摻入過多的生石灰時，會有部分低堿性的水化硅酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏A性的水化硅酸鈣，而低堿性的水化硅酸鈣對制品強度提高作用更大，這種轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致制品的性能下降。因此，本試驗確定生石灰最佳摻量為25%。

3.1.3 水泥摻量的確定

在上述試驗的基礎(chǔ)上，通過改變水泥摻量來確定最佳水泥摻量，不同水泥摻量原料配比方案和蒸壓后抗壓強度測試結(jié)果如表7所示。

表7 水泥摻量對蒸壓灰砂磚力學(xué)性能的影響

從表7可以看出，水泥的摻入對制品的性能改善有利，并且隨著水泥摻量的增加，制品的抗折和抗壓強度逐漸提高。但考慮到水泥的摻入一方面會提高生產(chǎn)制品的原料成本，另一方面會增加工藝流程，降低生產(chǎn)效率，同時，在不摻水泥的條件下蒸壓磚制品的性能也能滿足強度的要求，所以本試驗選擇不摻加水泥。

3.1.4 石膏摻量的確定

不同石膏摻量原料配比方案和蒸壓后抗折、抗壓強度測試結(jié)果如表8所示[12-14]。

表8 石膏摻量對蒸壓灰砂磚力學(xué)性能的影響

從表8可以看出，隨著石膏摻量的增加，蒸壓磚的抗折和抗壓強度也逐漸提高，但提高的幅度較小。另外，石膏的摻入提高了蒸壓灰砂磚的生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，故確定在實際生產(chǎn)中不摻加石膏。

3.1.5 工業(yè)污泥摻量的確定

不同工業(yè)污泥摻量原料配比方案和蒸壓后抗折、抗壓強度測試結(jié)果如表9所示。

從表9可以看出，工業(yè)污泥對蒸壓灰砂磚的性能影響較大，隨著工業(yè)污泥量的增加，蒸壓制品的抗折和抗壓強度急劇下降。當(dāng)工業(yè)污泥的摻量增加到20%時，蒸壓磚的抗折強度降到3.1MPa，而抗壓強度降到12.3MPa，無法達到GB 11945—1999中對MU15級磚的強度要求。同時，當(dāng)工業(yè)污泥摻量為15%時，蒸壓磚的抗折強度為4.6 MPa、抗壓強度為19.0 MPa，完全符合GB 11945—1999對MU15級磚的強度要求。

表9 工業(yè)污泥摻量對蒸壓灰砂磚力學(xué)性能的影響

3.2 蒸壓灰砂磚成型壓力的確定

蒸壓灰砂磚不同的成型壓力必然影響灰砂磚的密集程度，從而影響水化產(chǎn)物的接觸點數(shù)，最終影響蒸壓磚強度等性能[15-19]。本試驗采用配合比為：m（生石灰）:m（磨細(xì)江砂）:m（江砂）:m（工業(yè)污泥）=25:15:45:15，蒸壓制度不變，采用不同成型壓力在蒸壓后抗折、抗壓強度測試結(jié)果如表10所示。

表10 成型壓力對蒸壓灰砂磚力學(xué)性能的影響

由表10可以看出，制品的抗折和抗壓強度隨著成型壓力的增大而提高，但壓力過大時制品容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，當(dāng)壓力為20 MPa時，部分試塊會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，故本試驗選擇17 MPa作為最佳成型壓力，且當(dāng)成型壓力17 MPa時，制品抗壓強度能夠滿足MU15級用磚要求。

上述試驗結(jié)果是建立在單因素試驗的基礎(chǔ)上通過篩選獲得的，因此將試驗最佳條件組合成綜合方案制備一批蒸壓磚并參照GB 11945—1999進行性能測試。

3.3 綜合試驗

綜合試驗方案：原料配比為：m（生石灰）:m（磨細(xì)江砂）:m（江砂）:m（工業(yè)污泥）=25:15:45:15，成型壓力為 17 MPa。同時蒸壓工藝采用：升溫2 h，恒溫6 h，降溫3 h，蒸壓溫度180℃，蒸壓壓力接近1 MPa。制備的蒸壓灰砂磚經(jīng)測試，平均抗折強度為3.9 MPa，最小值為3.3 MPa，平均抗壓強度為17.4 MPa，最小值為15.3 MPa。達到GB 11945—1999規(guī)定的MUl5級磚的要求，說明利用工業(yè)污泥制備蒸壓磚是可行的。

4 結(jié)語

（1）利用工業(yè)污泥制備蒸壓灰砂磚的技術(shù)是可行的，制備過程中發(fā)現(xiàn)原料中的石灰和磨細(xì)砂對蒸壓磚的性能影響較大，工業(yè)污泥的摻入對制品的性能不利。

（2）制品的成型壓力影響制品的初始密集度，對制品的最終性能影響較大，成型壓力過小會導(dǎo)致制品性能的降低，成型壓力過大使得部分制品出現(xiàn)分層現(xiàn)象，影響制品質(zhì)量。故本試驗選擇17 MPa作為最佳成型壓力，制備的制品抗壓強度能夠符合GB 11945—1999規(guī)定的MU15級用磚要求。

（3）采用張家港格銳環(huán)境工程有限公司提供的工業(yè)污泥，配比為m（生石灰）:m（磨細(xì)江砂）:m（江砂）:m（工業(yè)污泥）=25:15:45:15，成型壓力為17 MPa。同時蒸壓工藝采用：升溫2 h，恒溫6 h，降溫3 h，蒸壓溫度180℃，蒸壓壓力接近1 MPa。制備的蒸壓灰砂磚經(jīng)強度試驗測試，平均抗折強度為3.9 MPa，最小值為3.3 MPa，平均抗壓強度為17.8 MPa，最小值為15.3 MPa。達到GB 11945—1999規(guī)定的MUl5級磚的要求。