摘要：粉煤灰是煤炭燃燒后產(chǎn)生的固體廢棄物，若采用填埋處理，則會對環(huán)境造成很大危害。試驗以粉煤灰為主要基體材料，將雙氧水作為發(fā)氣劑，從影響雙氧水的發(fā)氣條件入手，復(fù)摻生石灰和水泥作為膠凝材料，添加石膏作為緩凝劑，另加少量激發(fā)劑和穩(wěn)泡劑，制備蒸壓加氣混凝土砌塊，從而有效實現(xiàn)粉煤灰大摻量利用。檢測結(jié)果顯示，在最佳的反應(yīng)時間、雙氧水濃度、催化劑添加量、溶液pH、水浴溫度和雙氧水添加量等發(fā)氣條件下，蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度為5.2 MPa，干密度為579 kg/m3，符合強(qiáng)度等級A5.0、密度等級B06的產(chǎn)品質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞：粉煤灰；蒸壓加氣混凝土；砌塊；制備；大摻量；雙氧水；發(fā)氣劑

中圖分類號：TU522.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）08-000-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.08.002

Experimental study on the preparation of high-volume fly ash autoclaved aerated concrete

——Taking hydrogen peroxide as the gas generator

WANG Zheng， HU Rongjian， YANG Chaogang， LIU Huijun， ZHAO Tianxiang， ZHANG Meixia， ZHANG Huiyue

（Baowu Huanke Shanxi Resource Recycling Co.， Ltd.， Taiyuan 030003， China）

Abstract： Fly ash is a solid waste generated after coal combustion， if it is disposed of by landfill， it will cause great harm to the environment. In this experiment， the fly ash is used as the main matrix material and hydrogen peroxide is used as the gas generator， starting from the conditions that affect the gas generation of hydrogen peroxide， quicklime and cement are mixed as cementitious materials， gypsum is added as a retarder， and a small amount of activator and foam stabilizer are added to prepare autoclaved aerated concrete blocks， thus effectively achieving the high-volume utilization of fly ash. The test results show that under the optimal gasification conditions such as reaction time， hydrogen peroxide concentration， catalyst addition amount， solution pH， water bath temperature， and hydrogen peroxide addition amount， the compressive strength of autoclaved aerated concrete blocks is 5.2 MPa， and the dry density is 579 kg/m3， which meets the product quality requirements of strength grade A5.0 and density grade B06.

Keywords： fly ash; autoclaved aerated concrete; blocks; preparation; high-volume; hydrogen peroxide; gas generator

山西省既是產(chǎn)煤大省，又是燃煤發(fā)電大省，煤炭燃燒后產(chǎn)生大量粉煤灰。粉煤灰堆存量巨大，占用寶貴的土地資源，給環(huán)境帶來安全隱患。經(jīng)過風(fēng)化及雨淋作用，粉煤灰堆場中的有毒有害重金屬離子會滲到土壤中，污染土壤及地下水，危害人類的生命健康，處理不當(dāng)又會產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣[1-5]。開發(fā)大摻量的粉煤灰利用方式是緩解當(dāng)下粉煤灰堆存環(huán)境壓力的有效途徑。

目前，蒸壓加氣混凝土行業(yè)主要使用鋁粉作為發(fā)氣劑，該材料發(fā)氣率低，在空氣中較易氧化，不易保存。鋁粉不溶于水，使用過程中加入料漿后分散性差，造成發(fā)氣不均勻，而且反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣在生產(chǎn)過程中存在較大的安全隱患[6-8]。同時，電解鋁為粗放型行業(yè)，生產(chǎn)過程中消耗大量能量，而且鋁粉價格不穩(wěn)定，隨上游礦石價格波動較大。雙氧水是過氧化氫（H2O2）的水溶液，H2O2易溶于水，在漿料中能均勻分散，添加極少量的外加劑即可激發(fā)反應(yīng)，并實現(xiàn)雙氧水發(fā)氣速率可控。加氣混凝土生產(chǎn)過程中養(yǎng)護(hù)室的高溫和粉煤灰料漿的天然堿性環(huán)境都能促進(jìn)雙氧水的反應(yīng)[9-10]，它是一種較為理想的發(fā)氣劑。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

粉煤灰來源于太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司，主要活性成分是SiO2和Al2O3，二者的總含量不小于45%，經(jīng)篩孔長和寬均為0.045 mm的方孔篩篩選，篩余物占比為35%～45%，具體成分如表1所示。主要試劑有雙氧水（工業(yè)級，濃度30%）、二氧化錳（工業(yè)級，有效成分含量85%）和硬脂酸鈣（工業(yè)級，純度99%）。同時，以谷氨酸和水玻璃減水劑為原料，配制穩(wěn)泡劑備用。主要試驗儀器有鋁粉膏發(fā)氣量測定儀、水泥膠砂攪拌機(jī)、微機(jī)控制加氣混凝土壓力試驗機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱和X射線衍射儀，基本參數(shù)如表2所示。

1.2 試驗方法

雙氧水發(fā)氣條件試驗在燒瓶中進(jìn)行，不同反應(yīng)條件下的發(fā)氣量通過鋁粉膏發(fā)氣量測定儀測量。先將粉煤灰（摻量72.86%）與適量水倒入砂漿攪拌機(jī)混合，加入脫硫石膏（摻量4.37%）、穩(wěn)泡劑，然后加入二氧化錳，慢速攪拌600 s；加入生石灰（摻量12.91%）和水泥（摻量5.22%），快速攪拌140 s；加入雙氧水（摻量4.64%），快速攪拌10 s；將混合料澆注入模（三聯(lián)試模），薄膜覆蓋。其中，三聯(lián)試模的規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm（長×寬×高）。

將模具放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱，60 ℃溫度下養(yǎng)護(hù)2～4 h。坯體具有一定強(qiáng)度后取出，用切割鋼絲將溢模的坯體切除，拆模，取出坯體。將坯體置于蒸養(yǎng)釜中蒸壓養(yǎng)護(hù)（溫度180 ℃、壓強(qiáng)1.0 MPa，恒溫養(yǎng)護(hù)6 h），取出后，成品自然條件下存放5 d以上，測量性能指標(biāo)。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時間對發(fā)氣效果的影響

將0.2 g二氧化錳加入2 g雙氧水（濃度30%）中，反應(yīng)時間對發(fā)氣效果的影響如圖1所示。在前3 min，

雙氧水與二氧化錳粉末反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生大量氧氣，反應(yīng)3 min時，發(fā)氣量達(dá)到44 mL，之后不再變化。因此，在此液固比下，雙氧水的最佳反應(yīng)時間為3 min。

2.2 雙氧水濃度對發(fā)氣效果的影響

將0.2 g二氧化錳加入2 g不同濃度的雙氧水中，反應(yīng)時間設(shè)定為3 min，雙氧水濃度對發(fā)氣效果的影響如圖2所示。發(fā)氣量隨雙氧水濃度的提高而不斷增加，當(dāng)雙氧水濃度為30%（母液濃度）時，發(fā)氣量最大，為44 mL。因此，雙氧水的最佳濃度為30%。

2.3 催化劑添加量對發(fā)氣效果的影響

將不同質(zhì)量的二氧化錳粉末加入120 g濃度為0.5%的雙氧水中，反應(yīng)時間設(shè)定為3 min，催化劑添加量對發(fā)氣效果的影響如圖3所示。發(fā)氣量隨二氧化錳添加量的提高而不斷增加，當(dāng)二氧化錳添加量為10 g時，發(fā)氣量最大，為57 mL。因此，作為催化劑，二氧化錳的最佳添加量為10 g。

2.4 溶液pH對發(fā)氣效果的影響

將0.2 g二氧化錳粉末加入120 g濃度為0.5%的雙氧水中，使用鹽酸與氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液pH，反應(yīng)時間設(shè)定為3 min，溶液pH對發(fā)氣效果的影響如圖4所示。隨著溶液pH的增加，發(fā)氣量先降低后上升，當(dāng)溶液pH為7時，發(fā)氣量最小，為25 mL，pH為1時，發(fā)氣量最大，為53 mL。試驗發(fā)現(xiàn)，溶液pH為1時，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液固體分含量不斷減少，溶液開始澄清，推測二氧化錳已參加反應(yīng)而被溶解。經(jīng)分析，濃鹽酸與二氧化錳反應(yīng)可生成氯氣，進(jìn)而增加反應(yīng)的發(fā)氣量，而氯氣為劇毒性氣體。堿性環(huán)境下，雙氧水的反應(yīng)效果更好。

2.5 水浴溫度對發(fā)氣效果的影響

將盛有120 g雙氧水（濃度0.5%）的燒瓶放入設(shè)定不同溫度的水浴鍋中，加入0.2 g二氧化錳粉末，反應(yīng)時間設(shè)定為3 min，水浴溫度對發(fā)氣效果的影響如圖5所示。發(fā)氣量隨水浴溫度升高而不斷增加，當(dāng)水浴溫度為90 ℃時，發(fā)氣量最大，為70 mL，說明高溫環(huán)境有利于雙氧水的反應(yīng)。

2.6 雙氧水添加量對試塊密度的影響

將不同雙氧水添加量的混合料澆筑于三聯(lián)試模中，考察不同雙氧水添加量對試塊密度的影響，結(jié)果如圖6所示。隨著雙氧水添加量的增加，試塊的密度逐漸降低。未加雙氧水時，蒸養(yǎng)后的試塊密度為1 286 kg/m3。加入40 mL雙氧水后，蒸養(yǎng)后的試塊密度降低到699 kg/m3。

2.7 X射線衍射分析

原狀粉煤灰的X射線衍射圖譜如圖7所示，粉煤灰蒸壓加氣混凝土的X射線衍射圖譜如圖8所示。與原狀粉煤灰成分相比，以粉煤灰為主要基體材料制成的蒸壓加氣混凝土蒸壓養(yǎng)護(hù)過程中，粉煤灰中的無定型SiO2不斷溶解到液相中，與生石灰溶解生成的Ca（OH）2反應(yīng)生成水化硅酸鈣。隨著溫度升高到175 ℃以上，水化硅酸鈣部分轉(zhuǎn)化成托勃莫來石，結(jié)晶度較低的水化硅酸鈣中穿插一些結(jié)晶良好的托勃莫來石，二者交聯(lián)共生，共同賦予加氣混凝土較好的力學(xué)性能，抗壓強(qiáng)度得到顯著提高。

3 結(jié)論

試驗發(fā)現(xiàn)，加入二氧化錳后，雙氧水反應(yīng)劇烈，反應(yīng)3 min后即達(dá)到平衡狀態(tài)。偏堿性環(huán)境有利于雙氧水反應(yīng)的進(jìn)行，溫度越高，雙氧水的分解速度越快。蒸壓養(yǎng)護(hù)過程中，莫來石的生成賦予粉煤灰加氣混凝土較好的力學(xué)性能。將雙氧水（摻量4.64%）加入粉煤灰（摻量72.86%）、生石灰和穩(wěn)泡劑等組成的混合體系中，經(jīng)過蒸壓養(yǎng)護(hù)，可以制得抗壓強(qiáng)度為5.2 MPa、干密度為579 kg/m3的蒸壓加氣混凝土砌塊。檢測結(jié)果顯示，蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度符合強(qiáng)度等級A5.0的要求，干密度滿足密度等級B06的要求，產(chǎn)品質(zhì)量合格。

參考文獻(xiàn)

1 徐 碩，楊金林，馬少健.粉煤灰綜合利用研究進(jìn)展[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2021（3）：104-111.

2 勾 煜.粉煤灰對蒸養(yǎng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響[J].混凝土，2021（7）：86-89.

3 AMONI B C，F(xiàn)REITAS A D L，BESSA R A，et al.Effect of coal fly ash treatments on synthesis of high-quality zeolite A as a potential additive for warm mix asphalt[J].Materials Chemistry and Physics，2022（1）：125197.

4 童國慶，張吾渝，高義婷，等.堿激發(fā)粉煤灰地聚物的力學(xué)性能及微觀機(jī)制研究[J].材料導(dǎo)報，2022（4）：1-10.

5 Fu B，Hower J C，Zhang W，et al.A review of rare earth elements and yttrium in coal ash：content，modes of occurrences，combustion behavior，and extraction methods[J].Progress in Energy and Combustion Science，2022（1）：100954.

6 YANG J，YANG M J，HE X Y，et al.Green reaction-type nucleation seed accelerator prepared from coal fly ash ground in water environment[J].Construction and Building Materials，2021（11）：124840.

7 吳任迪.高摻量固硫粉煤灰制備蒸壓加氣混凝土的流變及物理力學(xué)性能研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2020：11-12.

8 劉 川，王 智，熊鳳鳴，等.化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土中硬脂酸鈣穩(wěn)泡能力及其影響因素[J].新型建筑材料，2014（10）：81-84.

9 胡 皞，賈興文.催化劑在雙氧水發(fā)泡超輕泡沫混凝土中的應(yīng)用研究[J].建筑砌塊與砌塊建筑，2015（5）：41-44.

10 PELIN G，STOICA C，PELIN C E，et al.High concentration hydrogen peroxide for rocket fuel applications[J].INCAS Bulletin，2020（3）：

151-157.