檀星 ，韓福強 ，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程，河沙的開采會嚴重影響河道周圍的生態(tài)環(huán)境[6]。因此，如何減少資源能耗，實現(xiàn)固體廢棄物的資源化利用勢在必行。

粉煤灰的一個重要應(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，可用來代替石灰用于加氣混凝土的生產(chǎn)，進而減少二氧化碳的排放，實現(xiàn)低成本綠色生產(chǎn)，同時解決電石渣排放造成的環(huán)境污染問題[7]。但是，電石渣代替石灰后，會直接影響鋁粉的發(fā)氣效果和砌塊的初養(yǎng)強度[8]。

為了解決上述問題，本研究通過物理發(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)泡性能不良的問題，通過摻加礦渣及固化劑，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)護制度，制得一種高性能的蒸壓輕質(zhì)砌塊，實現(xiàn)了物盡其用。

1 試驗

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進行稀釋，經(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，進行預(yù)養(yǎng)護。試塊經(jīng)脫模后，放入蒸壓釜中按一定的蒸壓制度進行蒸壓養(yǎng)護，制得輕質(zhì)砌塊。

1.3 測試與表征

輕質(zhì)砌塊制品的絕干密度、抗壓強度、吸水率、干收縮性能、導(dǎo)熱系數(shù)等參照JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》進行測試。借助NYL-300A型壓力試驗機進行試塊力學(xué)強度測試，利用DRM-II型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測定試塊的導(dǎo)熱系數(shù)，利用D/MAX2500PC型X-射線衍射儀對輕質(zhì)砌塊的水化產(chǎn)物進行表征。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 電石渣摻量對砌塊性能的影響

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)護等工藝過程制備輕質(zhì)砌塊。試驗中，通過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砌塊性能的影響。結(jié)果如圖1所示。

圖1 電石渣摻量對砌塊性能的影響

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，砌塊的抗壓強度呈增大的趨勢。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）、托貝莫來石等水化產(chǎn)物，有效地提高了制品的強度。但當(dāng)電石渣摻量過大時，易造成輕質(zhì)砌塊泛堿、開裂[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)濟和環(huán)保角度進行考慮，適宜的電石渣摻量為20%～25%。

2.2 礦渣摻量對砌塊性能的影響

在上述試驗的基礎(chǔ)上，當(dāng)電石渣摻量為20%時生產(chǎn)的輕質(zhì)砌塊強度較低，不符合JC/T 1062—2007的要求。探索性試驗表明，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，并對礦渣摻量進行了優(yōu)化，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 礦渣摻量對砌塊性能的影響

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，提高砌塊的強度。（2）礦渣和粉煤灰存在一個最優(yōu)配合比。隨著礦渣微粉摻量的增加，過多的礦渣微粉會帶來較多的惰性組分，導(dǎo)致輕質(zhì)砌塊的強度降低[10]。通過調(diào)整礦渣摻量，可以獲得較高強度的產(chǎn)品。適宜的礦渣摻量為10%～20%。

2.3 蒸壓養(yǎng)護制度對砌塊性能的影響

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

2.3.1 恒溫溫度對砌塊性能的影響

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)護制度下，改變恒溫溫度，考察不同恒溫溫度對試塊性能的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 蒸壓養(yǎng)護恒溫溫度對砌塊性能的影響

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，砌塊的抗壓強度先快速升高后趨于平緩。當(dāng)溫度高于180℃時，砌塊強度變化趨緩。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)。在升溫過程中，生成更多的水化膠凝產(chǎn)物，試塊的抗壓強度快速提高。而當(dāng)溫度高于180℃時，容易形成強度低的水化產(chǎn)物（如硬硅鈣石），導(dǎo)致砌塊的抗壓強度趨于平緩[11]。因此，適宜的蒸壓養(yǎng)護恒溫溫度為180℃。

2.3.2 恒溫時間對砌塊性能的影響

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)護制度下，探索不同蒸壓養(yǎng)護恒溫時間對試塊性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 恒溫時間對砌塊性能的影響

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

3 增強材料調(diào)控與性能優(yōu)化

考慮到原料和養(yǎng)護制度可能發(fā)生波動，高質(zhì)量產(chǎn)品是建筑墻體材料的發(fā)展趨勢。為此，通過開發(fā)一種增強材料對原料配方進行優(yōu)化，進一步提高產(chǎn)品性能。在基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上，利用增強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)護制度下進行蒸壓養(yǎng)護，固化劑摻量對砌塊性能的影響如圖5所示。

圖5 固化劑摻量對砌塊性能的影響

從圖5可以看出，摻加固化劑能進一步提高產(chǎn)品的抗壓強度。隨著固化劑摻量的增加，砌塊強度逐漸提高。當(dāng)固化劑完全代替水泥（摻量為10%）時，砌塊的抗壓強度達到4.8MPa，接近JC/T 1062—2007規(guī)定的優(yōu)等品性能指標。制品在預(yù)養(yǎng)護階段，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度，降低廢料的產(chǎn)生量。固化劑中超細礦渣的活性組分為試塊的強度提供了保障。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”，強化了水化凝結(jié)過程，使得砌塊的結(jié)構(gòu)密實高強。因此，用固化劑代替水泥可以有效提高試塊的強度。

基于上述試驗，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，各項性能優(yōu)于JC/T1062—2007中A3.5、B06級的合格品要求（見表2）。

表2 輕質(zhì)砌塊的性能測試結(jié)果

由表2可知，當(dāng)密度為617.5 kg/m3時，可制得強度為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準要求，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)護制度下制備輕質(zhì)砌塊，優(yōu)化組與對照組試塊的XRD對比分析結(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砌塊水化產(chǎn)物的生成有積極的促進作用。在蒸壓過程中，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）。隨著蒸壓恒溫時間的不斷延長，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，形成托貝莫來石，提高了輕質(zhì)砌塊的強度[14-15]。圖譜中的石英主要來自于未反應(yīng)完全的粉煤灰，可作為輕質(zhì)砌塊的骨料，對制品的強度起到一定的積極作用[16]。

5 結(jié)語

（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)過程中發(fā)泡性能不良和強度過低的問題，實現(xiàn)了廢棄物的資源化利用。

（2）采用固化劑強化的粉煤灰-電石渣蒸壓泡沫混凝土工藝，替代了水泥，實現(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級合格品要求，主要指標接近優(yōu)等品指標。保溫效果和干收縮率遠優(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)，通過調(diào)控物料配比進一步強化了蒸壓體系水化過程，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)強度。通過XRD分析可知，砌塊的主要水化產(chǎn)物有CSH（I）、托貝莫來石及水石榴石，是影響制品強度的關(guān)鍵水化產(chǎn)物。