陳 瀟，張浩宇，薛 鑫，楊 寅，龔天天，張劉陽(yáng)

(1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070； 3.中鐵十局集團(tuán)第二工程有限公司，鄭州 450003)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)墻體材料生產(chǎn)技術(shù)革新力度的加大以及人們綠色環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，低污染、低消耗的蒸壓加氣混凝土(autoclaved aerated concrete, AAC)逐步替代傳統(tǒng)的墻體材料成為了主力軍。與普通混凝土和黏土磚相比，蒸壓加氣混凝土單位體積所需的生產(chǎn)能耗可分別減少70%和40%[1]，是一種環(huán)境友好型的綠色墻體材料。

蒸壓加氣混凝土是以硅質(zhì)材料和鈣質(zhì)材料為主要原材料，摻入發(fā)氣材料(最常用的是鋁粉)和調(diào)節(jié)材料，經(jīng)過(guò)澆筑成型、靜停發(fā)氣、蒸壓養(yǎng)護(hù)等一系列工藝制備而成的多孔硅酸鹽制品，干密度為300～800 kg/m3，僅為黏土磚的1/3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.09～0.22 W/(m·K)，僅為黏土磚的1/5～1/4[2]。蒸壓加氣混凝土具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱、吸聲降噪、防火抗震、可加工性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1,3-6]，是當(dāng)前墻體材料領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。

硅砂和粉煤灰是蒸壓加氣混凝土的兩種常規(guī)硅質(zhì)材料，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)基于這兩種硅質(zhì)材料制備的蒸壓加氣混凝土開(kāi)展了大量研究。Narayanan等[7]對(duì)加氣混凝土進(jìn)行了初步的分類和總結(jié)，Hamad等[8]進(jìn)一步歸納了蒸壓加氣混凝土的主要生產(chǎn)方法以及應(yīng)用情況，Qu等[9]則是從組成材料、微觀結(jié)構(gòu)和基本性能等方面對(duì)蒸壓加氣混凝土的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

隨著固廢資源化利用成為當(dāng)代研究的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者開(kāi)始利用固體廢棄物作為原材料制備蒸壓加氣混凝土，并獲得了相當(dāng)豐富的研究成果。研究表明，礦渣[10]、鐵尾礦[11]、稻殼灰[12]、煤矸石[13]、電石渣[14]等固體廢棄物中含有大量的硅、鋁、鈣等元素，可作為原材料來(lái)制備蒸壓加氣混凝土，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，又解決了廢物堆積問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的資源化利用，一舉多得。但固體廢棄物的種類繁多，成分復(fù)雜，特點(diǎn)不一，對(duì)蒸壓加氣混凝土干密度和抗壓強(qiáng)度等關(guān)鍵性能的影響規(guī)律和影響機(jī)理并不明晰。

為此，本文針對(duì)固廢基蒸壓加氣混凝土，從分析蒸壓加氣混凝土干密度和抗壓強(qiáng)度的主要影響因素入手，綜述了固體廢棄物做硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料和發(fā)氣材料對(duì)蒸壓加氣混凝土干密度和強(qiáng)度的影響規(guī)律和影響機(jī)理的研究進(jìn)展，并對(duì)當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題和未來(lái)的研究方向進(jìn)行了討論。

1 蒸壓加氣混凝土干密度和抗壓強(qiáng)度的影響因素分析

與普通混凝土相比，蒸壓加氣混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，干密度和抗壓強(qiáng)度是蒸壓加氣混凝土的關(guān)鍵性能[7]。蒸壓加氣混凝土主要由基體和孔結(jié)構(gòu)兩部分構(gòu)成，二者對(duì)蒸壓加氣混凝土的關(guān)鍵性能至關(guān)重要[15]。因此，本文從基體和孔結(jié)構(gòu)兩方面入手，分析影響二者的主要因素，從而進(jìn)一步分析基體和孔結(jié)構(gòu)對(duì)蒸壓加氣混凝土關(guān)鍵性能的影響規(guī)律。

1.1 基體對(duì)蒸壓加氣混凝土干密度和抗壓強(qiáng)度的影響

基體強(qiáng)度是蒸壓加氣混凝土強(qiáng)度的主要來(lái)源，材料組成、制備工藝、水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)則是影響基體強(qiáng)度的主要因素。

1.1.1 材料組成

蒸壓加氣混凝土的原材料主要包括硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、發(fā)氣材料和調(diào)節(jié)材料。硅砂和粉煤灰是常用的硅質(zhì)材料，鈣質(zhì)材料則主要為生石灰和水泥。鈣硅比和水料比是影響基體強(qiáng)度兩個(gè)重要的預(yù)定參數(shù)。根據(jù)大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室和工廠的經(jīng)驗(yàn)，以硅砂為硅質(zhì)材料的砂基蒸壓加氣混凝土的鈣硅比為0.64～0.68(摩爾比，下同)，而對(duì)于以粉煤灰為硅質(zhì)材料的粉煤灰基蒸壓加氣混凝土的鈣硅比為0.75～0.80[15-16]。水料比是影響蒸壓加氣混凝土水化反應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，隨原材料的種類和鈣質(zhì)材料摻量而發(fā)生變化，水料比過(guò)小，漿體稠化速率加快，水化程度低，發(fā)氣不順暢，導(dǎo)致制品干密度增大，強(qiáng)度下降；水料比過(guò)大，漿體稠化速率減慢，導(dǎo)致氣孔合并，連通孔隙增多，對(duì)制品干密度和強(qiáng)度造成不良影響[9]。

1.1.2 制備工藝

蒸壓加氣混凝土的制備過(guò)程主要包括兩個(gè)階段：靜停發(fā)氣階段和蒸壓養(yǎng)護(hù)階段。對(duì)蒸壓加氣混凝土基體造成影響的主要是蒸壓養(yǎng)護(hù)階段。

蒸壓養(yǎng)護(hù)階段，即高溫、高壓下，硅質(zhì)材料中SiO2和Al2O3的反應(yīng)活性被進(jìn)一步激發(fā)，與水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠反應(yīng)生成結(jié)晶態(tài)的托貝莫來(lái)石，快速提升制品強(qiáng)度的過(guò)程。在此階段，蒸汽壓力和蒸壓時(shí)間是關(guān)鍵的影響參數(shù)，研究表明，當(dāng)蒸壓釜壓力大于0.8 MPa后，托貝莫來(lái)石開(kāi)始產(chǎn)生，在隨后的6～12 h逐漸增加，但繼續(xù)延長(zhǎng)蒸壓時(shí)間不僅不會(huì)繼續(xù)生成托貝莫來(lái)石，反而會(huì)導(dǎo)致托貝莫來(lái)石轉(zhuǎn)變?yōu)榘追锈}石，使強(qiáng)度降低[6,17-18]。適當(dāng)增加蒸汽壓力可以有效促進(jìn)托貝莫來(lái)石的生成，并顯著縮短蒸壓時(shí)間，但蒸汽壓力過(guò)高，則會(huì)增加生產(chǎn)成本，因此，蒸壓加氣混凝土更適宜于在較高壓力下短時(shí)間養(yǎng)護(hù)，或在較低壓力下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間養(yǎng)護(hù)[19]。

1.1.3 水化產(chǎn)物

蒸壓加氣混凝土的水化產(chǎn)物隨著反應(yīng)階段的不同而逐漸發(fā)生變化。在靜停發(fā)氣階段，料漿中的水泥和石灰分別與水發(fā)生反應(yīng)，生成Ca(OH)2、C-S-H凝膠和少量的水化鋁酸鹽，提供坯體的早期強(qiáng)度。在蒸壓養(yǎng)護(hù)階段，隨著壓蒸釜內(nèi)溫度和壓強(qiáng)逐漸升高，原材料的活性大大激發(fā)，SiO2和Al2O3的溶解度變大，新溶出的SiO2和Al2O3會(huì)與靜停階段生成的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，最終生成以結(jié)晶態(tài)的托貝莫來(lái)石為主的水化產(chǎn)物。研究[6]表明，C-S-H凝膠和結(jié)晶良好的托貝莫來(lái)石是蒸壓加氣混凝土成品中的主要礦物成分。鈣硅比[20]、蒸壓時(shí)間和蒸汽壓力[21]都是影響蒸壓加氣混凝土水化產(chǎn)物的重要因素。所以在實(shí)際生產(chǎn)中，受這些因素的影響，蒸壓加氣混凝土成品的水化產(chǎn)物除托貝莫來(lái)石之外，還可能會(huì)生成約20多種晶相，如水石榴子石、硬硅鈣石、白鈣沸石等[6]。

1.1.4 微觀結(jié)構(gòu)

在微觀結(jié)構(gòu)方面，蒸壓加氣混凝土主要由板狀托貝莫來(lái)石和C-S-H凝膠相互交錯(cuò)和重疊形成結(jié)構(gòu)致密的一個(gè)整體，從而提供蒸壓加氣混凝土的基體強(qiáng)度，如圖1(b)所示。蒸壓加氣混凝土的微觀結(jié)構(gòu)主要受鈣硅比大小的影響。研究表明，隨著鈣硅比逐漸增大，托貝莫來(lái)石由板狀向針狀轉(zhuǎn)變，當(dāng)鈣硅比大于1時(shí)，其微觀結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。而隨著鈣硅比逐漸降低，托貝莫來(lái)石的結(jié)晶度也會(huì)下降，形狀呈現(xiàn)為彎曲的窄條狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)鈣硅比極低(<0.8)時(shí)，則只會(huì)形成草狀托貝莫來(lái)石，如圖1(c)所示，造成強(qiáng)度的大幅度降低。此外，相關(guān)研究表明，鈣硅比>1時(shí)形成的C-S-H在早期往往具有短硅鏈，比鈣硅比低(<1)時(shí)的C-S-H更容易轉(zhuǎn)化為托貝莫來(lái)石[21-22]。

圖1 不同鈣硅比蒸壓加氣混凝土的SEM照片[21]Fig.1 SEM images of autoclaved aerated concrete with different Ca/Si ratios[21]

1.2 孔結(jié)構(gòu)對(duì)蒸壓加氣混凝土干密度和抗壓強(qiáng)度的影響

蒸壓加氣混凝土是一種典型的多孔混凝土，具有較高的孔隙率。它的孔隙主要由微孔和發(fā)氣孔組成，其中，微孔主要存在于基體中，發(fā)氣孔則是由發(fā)氣材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)釋放氣體，在料漿中形成氣泡，隨著料漿的稠化而形成得近乎球形的氣孔。

圖2 蒸壓加氣混凝土孔隙率與干密度的函數(shù)關(guān)系圖Fig.2 Functional relationship between porosity and dry density of autoclaved aerated concrete

表征蒸壓加氣混凝土孔結(jié)構(gòu)一般采用孔隙率、孔徑分布和孔形貌等參數(shù)[23]，孔隙率主要與蒸壓加氣混凝土的干密度有關(guān)，其函數(shù)關(guān)系如圖2[24-27]所示，通過(guò)調(diào)整原材料組成和發(fā)氣材料摻量，可以有效改變孔隙率，從而調(diào)整蒸壓加氣混凝土的干密度。但蒸壓加氣混凝土的強(qiáng)度除受孔隙率的影響外，受孔徑分布和孔形貌的影響也很大，良好的氣孔應(yīng)該是形狀近似圓形、分布均勻且互不連通的，這樣的孔結(jié)構(gòu)可以使蒸壓加氣混凝土受力均勻，不容易發(fā)生應(yīng)力集中，甚至可以彌補(bǔ)干密度下降造成的強(qiáng)度損失[28]。

從原材料的角度分析，水灰比、鈣質(zhì)材料和發(fā)氣材料是影響蒸壓加氣混凝土孔結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)[29-31]。水灰比和鈣質(zhì)材料直接決定料漿的稠化速率，發(fā)氣材料的摻量則會(huì)影響氣泡的產(chǎn)生速率。在靜停發(fā)氣的過(guò)程中，料漿的稠化速率與鋁粉的發(fā)氣速率是否匹配是影響制品孔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素[6]。若稠化速率過(guò)快，鋁粉發(fā)氣受到阻礙，料漿不能正常發(fā)生膨脹，從而使得坯體的氣孔結(jié)構(gòu)偏小，干密度偏大。若稠化速率過(guò)慢，鋁粉雖發(fā)氣順暢，但小氣泡會(huì)合并成大氣泡，造成坯體的氣孔偏大，甚至出現(xiàn)塌?，F(xiàn)象[32]。除原材料外，拌合水溫[23]以及靜停溫度和時(shí)間[33]等工藝參數(shù)因素也會(huì)在一定程度上影響料漿稠化和坯體的穩(wěn)定性，最終影響蒸壓加氣混凝土的孔結(jié)構(gòu)。

2 固體廢棄物制備蒸壓加氣混凝土

蒸壓加氣混凝土的強(qiáng)度主要來(lái)源于硅質(zhì)材料和鈣質(zhì)材料在高溫高壓的條件下發(fā)生水熱合成反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物。高溫、高壓條件可以大大激發(fā)原材料的反應(yīng)活性，因此，蒸壓加氣混凝土對(duì)原材料的包容性很高，可以回收室溫下反應(yīng)活性極低的材料。此外，由于回收固廢、保護(hù)環(huán)境等相關(guān)政策的推行，采用各種固體廢棄物制備蒸壓加氣混凝土的相關(guān)研究受到了當(dāng)今科學(xué)研究者的廣泛關(guān)注。

根據(jù)主要化學(xué)成分的不同，固體廢棄物作為蒸壓加氣混凝土的原材料主要包括硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料和發(fā)氣材料，具體分類情況如圖3所示。固體廢棄物作為硅質(zhì)材料時(shí)直接影響蒸壓加氣混凝土的基體強(qiáng)度，而作為鈣質(zhì)材料時(shí)，除了影響蒸壓加氣混凝土的基體強(qiáng)度外，還會(huì)影響料漿的稠化，進(jìn)一步對(duì)蒸壓加氣混凝土的孔結(jié)構(gòu)造成一定影響，但作為發(fā)氣材料時(shí)，則主要影響蒸壓加氣混凝土的孔結(jié)構(gòu)。

圖3 固體廢棄物在蒸壓加氣混凝土中的應(yīng)用Fig.3 Application of solid wastes in autoclaved aerated concrete

2.1 固體廢棄物做硅質(zhì)材料

可用作蒸壓加氣混凝土硅質(zhì)材料的固體廢棄物主要可以分為活性硅源和非活性硅源兩類?；钚怨柙粗傅氖且苑勖夯覟榇淼幕钚暂^高的固體廢棄物，主要包括煤粉、稻殼和生活垃圾等燃料高溫燃燒后排放的燃燒灰和燃燒渣以及一些其他活性硅鋁質(zhì)廢棄物，這些固體廢棄物內(nèi)部含有大量的玻璃體聚合物，活性Al2O3含量較高，SiO2參與水化反應(yīng)的程度高。非活性硅源指的是SiO2主要以石英態(tài)形式存在于礦物相中，包括選礦尾礦、廢料棄渣以及建筑垃圾等反應(yīng)活性較低的固體廢棄物。

2.1.1 活性硅源

以粉煤灰為代表的活性硅源多數(shù)是高溫燃燒后排放的燃燒灰渣以及一些硅鋁質(zhì)固體廢棄物。目前，普通電廠煤粉燃燒后產(chǎn)生的粉煤灰作為活性硅源已經(jīng)廣泛地被應(yīng)用于蒸壓加氣混凝土的生產(chǎn)中，并已經(jīng)形成了較為成熟的制備技術(shù)[34-36]。除普通粉煤灰外，目前研究較為廣泛的活性硅源還包括循環(huán)流化床粉煤灰、循環(huán)流化床爐渣、普通爐渣、生活垃圾焚燒爐渣、稻殼灰以及高活性的沸石廢棄物等，其分類和主要化學(xué)成分具體如表1所示。

表1 活性固體廢棄物主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of active solid wastes

從表1中可以看出，活性硅源的SiO2含量大多為40%～60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，少數(shù)達(dá)到了90%以上，雖然部分活性硅源的SiO2含量較低，但其SiO2的反應(yīng)活性較高，且除SiO2外，還含有較多的活性Al2O3。研究[32]表明，Al3+的存在會(huì)加速托貝莫來(lái)石的結(jié)晶速率，促進(jìn)水石榴子石和鋁代托貝莫來(lái)石的生成，從而提高蒸壓加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度。因此，反應(yīng)活性是活性硅源的重要特點(diǎn)，也是評(píng)價(jià)活性硅源質(zhì)量好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。

與非活性硅源相比，活性硅源中SiO2的溶出速度更快，溶解度更高，真正參與反應(yīng)的SiO2數(shù)量更多。因此，在采用活性硅源作為硅質(zhì)材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)其反應(yīng)活性選擇合適的鈣硅比。研究[20]表明，鈣硅比是決定蒸壓加氣混凝土最終水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，鈣硅比過(guò)大和過(guò)小，均會(huì)對(duì)蒸壓加氣混凝土的力學(xué)性能造成嚴(yán)重的影響。Kunchariyakun等[21]在其他原料摻量不變的情況下，采用高活性的稻殼灰取代低活性的石英砂發(fā)現(xiàn)，隨著稻殼灰取代量的增加，原材料的鈣硅比逐漸降低，蒸壓加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度也隨之降低，其微觀測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)練せ胰〈繛?00%時(shí)，托貝莫來(lái)石的形成受到了抑制，只能觀察到具有草型結(jié)構(gòu)的C-S-H，從而對(duì)蒸壓加氣混凝土的力學(xué)性能造成了嚴(yán)重的影響。所以，適用于非活性硅源的鈣硅比并不同樣適用于高活性硅源。

圖4 不同固體廢棄物的鈣硅比[11,21-22,31,40,43-51]Fig.4 Ca/Si ratio of different solid wastes[11,21-22,31,40,43-51]

圖4是不同固體廢棄物的鈣硅比，從圖中可以看出，在相同SiO2含量的情況下，活性固體廢棄物需要的CaO數(shù)量遠(yuǎn)高于非活性固體廢棄物。非活性固體廢棄物的鈣硅比大多在0.50～0.70，而活性固體廢棄物的鈣硅比均在0.70以上。Song等[20]系統(tǒng)地研究了鈣硅比對(duì)循環(huán)流化床粉煤灰蒸壓加氣混凝土的影響后指出，由于循環(huán)流化床粉煤灰中的SiO2比普通粉煤灰中的SiO2更具活性，前者在水中的溶出速率更高，因此，為了達(dá)到令人滿意的力學(xué)性能，當(dāng)循環(huán)流化床粉煤灰作為硅質(zhì)材料時(shí)，應(yīng)采用比普通粉煤灰更高的鈣硅比。由此可見(jiàn)，硅質(zhì)材料的活性與原材料鈣硅比的大小息息相關(guān)，高活性的硅質(zhì)材料應(yīng)適當(dāng)提高其鈣硅比，才能得到性能優(yōu)良的蒸壓加氣混凝土制品。

2.1.2 非活性硅源

非活性硅源主要包括選礦尾礦、廢料棄渣以及建筑垃圾等反應(yīng)活性較低的固體廢棄物，其分類和主要化學(xué)成分如表2所示。由表2可知，大多數(shù)可用于制備蒸壓加氣混凝土的非活性固體廢棄物的SiO2含量總體上較活性硅源高，在35%～95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，但Al2O3的含量要低于活性硅源，在1%～15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。在非活性硅源中，SiO2主要以石英態(tài)形式存在，反應(yīng)活性較低，所以SiO2的含量越高，水化反應(yīng)才會(huì)越容易，故非活性硅源的SiO2含量和反應(yīng)活性是決定蒸壓加氣混凝土力學(xué)性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素。此外，由于固體廢棄物的來(lái)源多樣，成分復(fù)雜，采用一些活性激發(fā)方法提高惰性SiO2的活性是高效利用非活性固廢過(guò)程中的一種必要手段。

表2 非活性固體廢棄物主要化學(xué)成分Table 2 Main chemical composition of inactive solid wastes

1)SiO2含量的影響

圖5 不同鐵尾礦摻量下SiO2含量對(duì)鐵尾礦蒸壓加氣 混凝土抗壓強(qiáng)度的影響[52]Fig.5 Effect of SiO2 content on compressive strength of autoclaved aerated concrete with different iron tailings content[52]

毛奎等[52]采用幾種不同SiO2含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鐵尾礦制備蒸壓加氣混凝土，研究了不同摻量下SiO2含量對(duì)鐵尾礦蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖5所示。隨著鐵尾礦中SiO2含量的逐漸增大，不同鐵尾礦質(zhì)量摻量下的蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度均呈逐漸增高的趨勢(shì)；除此之外，對(duì)于SiO2含量大于60%的高硅鐵尾礦，隨著鐵尾礦摻量的增加，蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度呈先增高后降低的趨勢(shì)，而對(duì)于SiO2含量小于60%的低硅鐵尾礦，鐵尾礦摻量越多，蒸壓加氣混凝土的力學(xué)性能下降得越快。由此可見(jiàn)，對(duì)非活性固體廢棄物而言，SiO2含量是其能否作為蒸壓加氣混凝土硅質(zhì)材料的重要參考指標(biāo)，在蒸壓加氣混凝土制品符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)情況下，SiO2含量越高，固廢的消納量才會(huì)越大。

相關(guān)研究表明，石英石尾礦[53]、石英尾砂[43]和螢石選礦廢渣[56]等與玻璃生產(chǎn)相關(guān)的固廢中SiO2含量最高，均在85%以上，可作為單一硅質(zhì)原料來(lái)制備蒸壓加氣混凝土，而其他非活性固廢中的SiO2含量普遍較低，且部分SiO2以其他化合物形態(tài)存在于礦物相中，純石英的含量較低，反應(yīng)活性較差，基本無(wú)法作為單一的硅質(zhì)原料，均需要與硅砂或粉煤灰進(jìn)行一定比例的復(fù)摻或者采用其他方式對(duì)其活性進(jìn)行激發(fā)后才可制備出符合要求的蒸壓加氣混凝土[43]。

2)活性激發(fā)方法

目前，為了激發(fā)固體廢棄物中石英態(tài)SiO2的反應(yīng)活性，提高固廢的利用率，主要采取的活性激發(fā)方法可以分為物理和化學(xué)兩種。

圖6 硅質(zhì)材料的細(xì)度對(duì)蒸壓加氣混凝土 抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 Influence of fineness of siliceous material on compressive strength of autoclaved aerated concrete

機(jī)械研磨是最常用的物理活化方法。固體廢棄物顆粒在粉磨期間會(huì)發(fā)生擠壓、碰撞，內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)受到破壞，從而得到活化。原材料磨細(xì)后可以增大顆粒的比表面積，有利于與OH-接觸，加快水化反應(yīng)，增加水化產(chǎn)物中托貝莫來(lái)石的生成數(shù)量，顯著提高蒸壓加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度[14]。除此之外，活性較低的細(xì)顆粒還可以起到一定的填充孔隙的作用，使蒸壓加氣混凝土的基體結(jié)構(gòu)更加緊密，進(jìn)一步提升蒸壓加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度。圖6列出了硅質(zhì)材料的細(xì)度對(duì)蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，從圖中可以明顯看出隨著硅質(zhì)材料細(xì)度的降低，蒸壓加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度都得到了明顯提升。但值得注意的是，比表面積過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致固體廢棄物的吸水性增強(qiáng)，在靜停發(fā)氣階段，容易產(chǎn)生“塌模”現(xiàn)象，從而影響料漿的澆筑穩(wěn)定性。同時(shí)，較長(zhǎng)的球磨時(shí)間也會(huì)造成能耗過(guò)大，成本增加，因此，如何在保證料漿澆筑穩(wěn)定性的前提下，提升原材料的活性，并盡量降低能耗仍然是目前實(shí)際生產(chǎn)中存在的難點(diǎn)。

除球磨外，高溫煅燒活化也是常用的物理活性激發(fā)方法之一，Wu等[22]指出，高溫煅燒不僅可以顯著提高石英的反應(yīng)活性，還可以剔除固體廢棄物中無(wú)用的雜質(zhì)(如碳和硫)。朱萌萌[45]采用廢棄混凝土作為蒸壓加氣混凝土的硅質(zhì)材料，將廢棄混凝土粉料分別在500～900 ℃的高溫爐中進(jìn)行煅燒，發(fā)現(xiàn)隨著激發(fā)溫度升高激發(fā)效果越強(qiáng)，當(dāng)溫度為900 ℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度可以提高0.3 MPa左右。

加入氫氧化鈉、氫氧化鈣以及碳酸鈉等堿性物質(zhì)作為堿激發(fā)劑是常用的化學(xué)活性激發(fā)手段。堿激發(fā)劑可以提供OH-，降低原材料中的硅氧四面體和鋁氧四面體內(nèi)部的鍵合力，從而使結(jié)構(gòu)解體，產(chǎn)生更多可溶性的Si、Al單體，提高反應(yīng)活性[60]。Cai等[62]指出，堿激發(fā)劑的加入，還可以提高漿體的堿度，加快溶解鋁粉表面的鈍化膜，保障發(fā)氣順利進(jìn)行，從而改善蒸壓加氣混凝土的整體性能。白魁等[49]采用氫氧化鈉作為堿激發(fā)劑來(lái)對(duì)鎢尾礦渣的活性進(jìn)行激發(fā)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫氧化鈉摻量為0.3%時(shí)，可大幅提升制品的抗壓強(qiáng)度，但摻量過(guò)高，則會(huì)使得漿體稠化速度加快，產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度回落。

2.2 固體廢棄物做鈣質(zhì)材料

鈣質(zhì)材料，也稱為激發(fā)材料，是制備蒸壓加氣混凝土關(guān)鍵的原材料，主要包括生石灰和水泥。鈣質(zhì)材料的總量是影響制品性能的關(guān)鍵，總量過(guò)少，則生成的水化產(chǎn)物不夠，總量過(guò)多，則易生成結(jié)晶程度較低的高堿水化硅酸鈣，兩種情況均會(huì)對(duì)制品的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

生石灰是蒸壓加氣混凝土傳統(tǒng)的鈣質(zhì)材料之一，生石灰的作用主要有四點(diǎn)[14,22,63-64]：一是生石灰與水反應(yīng)會(huì)生成氫氧化鈣，與硅質(zhì)材料組成鈣、硅體系，并發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成大量的水化硅酸鈣等凝膠物質(zhì)，提供蒸壓加氣混凝土的整體強(qiáng)度；二是生石灰消化過(guò)程中會(huì)放出大量的熱量，可以促進(jìn)蒸壓加氣混凝土漿體的稠化和基體強(qiáng)度的形成；三是生成的氫氧化鈣和放出的熱量可以為鋁粉提供反應(yīng)所需的堿性環(huán)境和熱量，從而使發(fā)氣過(guò)程快速平穩(wěn)的進(jìn)行；四是對(duì)硅質(zhì)材料起到一定的活性激發(fā)作用，使得更多的活性SiO2和活性Al2O3參與水化。由此可見(jiàn)，生石灰不僅作為鈣質(zhì)材料提供Ca元素，還可以提供反應(yīng)所需的熱量和堿度，從而保障料漿稠化和發(fā)氣的協(xié)調(diào)進(jìn)行。

目前，可作為蒸壓加氣混凝土鈣質(zhì)材料的固體廢棄物較少，主要有電石渣、高鈣煤矸石和?；郀t礦渣等，其CaO含量較高，為34%～65%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，主要化學(xué)成分如表3所示。電石渣是目前最常用的用來(lái)替代生石灰的固體廢棄物，主要成分是Ca(OH)2，但其屬于消化后的石灰，無(wú)法放出熱量，代替石灰將帶來(lái)料漿的溫度過(guò)低、堿度不夠、發(fā)氣和稠化速度減慢等問(wèn)題，從而對(duì)蒸壓加氣混凝土產(chǎn)生負(fù)面影響[65-66]。因此，為提高電石渣摻量，保障發(fā)氣的平穩(wěn)進(jìn)行，韓福強(qiáng)[66]、范俊杰等[67]采用“外補(bǔ)熱”技術(shù)，即提高拌合水溫和靜停溫度，補(bǔ)充缺少的熱量。研究結(jié)果表明：提高拌合水溫可有效彌補(bǔ)缺少的熱量，保障漿體發(fā)氣的正常進(jìn)行，最佳的拌合水溫為80 ℃左右；提高靜停溫度可以保障漿體的稠化速率，最佳的發(fā)氣溫度為50～60 ℃，過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致稠化過(guò)快，適得其反。除熱量問(wèn)題外，多數(shù)高鈣固體廢棄物中的CaO大多以碳酸鈣的形式存在，游離氧化鈣的含量較少，從而使料漿的堿度降低，阻礙鋁粉發(fā)氣。Wu等[22]將高鈣煤矸石進(jìn)行高溫煅燒處理，使方解石分解為生石灰，從而提高漿體的堿度。韓福強(qiáng)[66]、郅栓明等[68]、張泓泓[69]則是采用加入堿激發(fā)劑的方式來(lái)提高料漿的堿度，提高發(fā)氣量和蒸壓加氣混凝土的強(qiáng)度。但無(wú)論是煅燒還是添加堿激發(fā)劑，都會(huì)增加成本，加大操作難度。

表3 鈣質(zhì)固體廢棄物主要化學(xué)成分Table 3 Main chemical composition of calcareous solid wastes

除生石灰外，水泥也是蒸壓加氣混凝土的鈣質(zhì)材料之一，水泥遇水快速反應(yīng)生成大量的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，提供漿體的初期黏度，保障發(fā)氣的平穩(wěn)進(jìn)行。由于蒸壓加氣混凝土中水泥摻量不高，目前對(duì)替代水泥方面的研究較少。Pachideh等[70]采用?；郀t礦渣替代水泥，其研究結(jié)果表明，?；郀t礦渣可使蒸壓加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度提高172%，吸水率降低35%。El-Didamony等[71]則對(duì)比了偏高嶺土和?；郀t礦渣作為水泥替代物對(duì)蒸壓加氣混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)礦渣和偏高嶺土對(duì)料漿發(fā)氣高度影響不大，但與偏高嶺土相比，礦渣可以顯著提高蒸壓加氣混凝土的力學(xué)性能，最佳摻量可以達(dá)到10%。

2.3 固體廢棄物做發(fā)氣材料

發(fā)氣材料是蒸壓加氣混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵，種類比較多，常用的發(fā)氣劑主要有鋁粉膏、雙氧水、電石以及漂白粉等，其中主要以鋁粉膏應(yīng)用最為普遍。發(fā)氣材料發(fā)生反應(yīng)，在料漿內(nèi)部產(chǎn)生氣體，形成氣泡，并隨著料漿的稠化，固化在蒸壓加氣混凝土內(nèi)部，形成0.1～4.0 mm的蜂窩狀氣孔結(jié)構(gòu)[72-73]。根據(jù)發(fā)氣材料摻量的不同，蒸壓加氣混凝土的干密度一般在300～800 kg/m3變化，孔隙率一般在60%以上[8,26,74]。在干密度一定的情況下，氣孔數(shù)量越多，孔徑越小，分布越均勻，對(duì)其力學(xué)性能越有利。這就要求制備蒸壓加氣混凝土的發(fā)氣材料顆粒粒徑較小、粒度分布均勻、發(fā)氣量較高且發(fā)氣速率穩(wěn)定。

鋁粉作為發(fā)氣劑的工藝已經(jīng)日益成熟，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員不斷在研究和嘗試采用其他材料尤其是含鋁的固體廢棄物作為加氣混凝土的發(fā)氣劑并取得了一定的研究成果。鋁灰是制鋁工業(yè)中產(chǎn)生的廢料，具有刺激性、易滲性和高度自燃的危害[75]。董泓江[76]對(duì)二級(jí)鋁灰的基本性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其固體分和水分散性均滿足要求，鋁含量約為20%，但其成分復(fù)雜，含有的Al2O3會(huì)使?jié){體的發(fā)氣時(shí)間延長(zhǎng)，達(dá)到相同干密度時(shí)，其摻量高達(dá)普通鋁粉摻量的6倍左右，且含有的AlN雜質(zhì)則會(huì)在漿體中反應(yīng)生成氨氣，污染環(huán)境，危害人體健康，所以采用二級(jí)鋁灰作為蒸壓加氣混凝土發(fā)氣材料的相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，有待進(jìn)一步發(fā)展和完善。

除鋁灰外，生活垃圾焚燒爐渣中也含有一定量的鋁，理論上也可以作為發(fā)氣材料應(yīng)用到蒸壓加氣混凝土的制備中。李寶玲[77]對(duì)比了不同細(xì)度的生活垃圾焚燒爐渣與純鋁粉的發(fā)氣量，發(fā)現(xiàn)平均粒徑為23.2 μm的生活垃圾焚燒爐渣作為發(fā)氣劑的發(fā)氣效果稍優(yōu)于純鋁粉(平均粒徑為70.4 μm)，制備出的蒸壓加氣混凝土內(nèi)部氣泡更小，且分布更均勻，干密度和強(qiáng)度也均優(yōu)于普通鋁粉。但采用生活垃圾焚燒爐渣來(lái)制備蒸壓加氣混凝土?xí)r，不僅要控制爐渣的細(xì)度和均勻性，更要控制合適的發(fā)氣溫度，這無(wú)疑提高了制備工藝的復(fù)雜程度。

總體來(lái)說(shuō)，目前可作為發(fā)氣材料的固體廢棄物較少，預(yù)處理工藝較為復(fù)雜且發(fā)氣性能難以保證。鋁灰和生活垃圾焚燒爐渣均為有毒有害廢料，含有一定的重金屬離子，處理不當(dāng)甚至?xí)?duì)人體造成危害。因此，優(yōu)化已有的固廢預(yù)處理工藝、繼續(xù)探索其他固體廢棄物作為蒸壓加氣混凝土的發(fā)氣材料依舊是國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員努力的方向。

3 結(jié)論與展望

由于高溫、高壓的養(yǎng)護(hù)方式，蒸壓加氣混凝土對(duì)原材料具有很大的包容性，這使得更多的固體廢棄物可用于制備蒸壓加氣混凝土，為固體廢棄物的回收利用提供了一條高附加值的途徑。本文綜述了不同固體廢棄物做硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料和發(fā)氣材料的特點(diǎn)以及對(duì)蒸壓加氣混凝土干密度和抗壓強(qiáng)度的重要影響，得到的主要結(jié)論如下：

1)活性固體廢棄物的SiO2含量普遍較低，大多分布在40%～60%，但其SiO2的反應(yīng)活性較高，所以，與非活性固體廢棄物相比，活性固體廢棄物需要更高的鈣硅比來(lái)保證制品的性能。非活性固體廢棄物的鈣硅比大多為0.50～0.70，而活性固體廢棄物的鈣硅比應(yīng)在0.70以上。采用活性固體廢棄物做硅質(zhì)材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)其反應(yīng)活性選擇合適的鈣硅比，反應(yīng)活性越高，鈣硅比應(yīng)相應(yīng)增大。

2)非活性固體廢棄物做硅質(zhì)材料時(shí)，SiO2含量是影響蒸壓加氣混凝土性能的關(guān)鍵因素。當(dāng)SiO2含量達(dá)到85%以上時(shí)，固體廢棄物可作為單一硅質(zhì)原料來(lái)制備蒸壓加氣混凝土，在60%～85%時(shí)，則需與硅砂或粉煤灰進(jìn)行復(fù)摻，小于60%時(shí)，除復(fù)摻硅砂或粉煤灰外，還需采取機(jī)械研磨、高溫活化或堿激發(fā)等方法來(lái)激發(fā)反應(yīng)活性后才可制備出符合要求的蒸壓加氣混凝土。

3)生石灰作為制備蒸壓加氣混凝土的鈣質(zhì)材料，其作用很多，除需提供反應(yīng)所需的Ca元素外，還應(yīng)保障料漿發(fā)氣時(shí)的熱量和堿度，故固體廢棄物作為鈣質(zhì)材料替代生石灰的難度較大。當(dāng)前，大部分高鈣固體廢棄物均無(wú)法做到直接替代生石灰，需采取“外補(bǔ)熱”方法、煅燒或添加堿激發(fā)劑等方法來(lái)彌補(bǔ)熱量和堿度，從而保障料漿稠化和發(fā)氣的協(xié)調(diào)進(jìn)行，但這無(wú)疑會(huì)大大增加生產(chǎn)成本和工藝難度。

4)目前可作為發(fā)氣材料的固體廢棄物較少，多為含鋁固廢，成分復(fù)雜，含有重金屬離子，且發(fā)氣效果難以保證。

總體來(lái)說(shuō)，在固體廢棄物做硅質(zhì)材料方面，SiO2的含量和活性是限制固體廢棄物應(yīng)用的關(guān)鍵因素。多數(shù)非活性固體廢棄物的SiO2的含量較低，難以達(dá)到硅質(zhì)材料的標(biāo)準(zhǔn)，而活性固體廢棄物大多是高溫爐產(chǎn)生的燃燒灰和爐渣，成分復(fù)雜，多含有重金屬離子，需預(yù)處理后才能使用，成本偏高。因此，開(kāi)發(fā)新的活性激發(fā)手段或者合理運(yùn)用顆粒級(jí)配，將一些富硅的微粉與低硅的固廢結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，才能在不增加生產(chǎn)成本的前提下，大幅提高固體廢棄物的消納量。在固體廢棄物做鈣質(zhì)材料和發(fā)氣材料方面，目前面臨的主要問(wèn)題是可用的固體廢棄物種類較少且制備工藝復(fù)雜，仍需探索新的固體廢棄物，并簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝流程，以最大程度地提高固體廢棄物的綜合利用率。