蒸壓粉煤灰磚凍融試驗后強度提高的原因及對策

段秉煜 青海省建筑建材科學研究院有限責任公司工程師

蒸壓粉煤灰磚是以粉煤灰、石灰、石膏等為原料，經(jīng)高壓、蒸汽、養(yǎng)護等工藝過程制成的實心磚，因可以使用燃煤發(fā)電廠排放的粉煤灰，所以是一種節(jié)能、利廢、環(huán)保的綠色墻體材料。其實早在20世紀70年代我國就將蒸壓粉煤灰磚應用于建筑中，由于當時的技術不夠完善以及缺乏相應的配套設施，沒有得到大規(guī)模的推廣使用。近些年隨著國家制定了相應技術規(guī)程并進行了相關試驗論證，為這種蒸壓粉煤灰磚的實際應用提供了相應的理論依據(jù)。其中抗凍性是衡量蒸壓粉煤灰磚的重要指標，因為磚在吸水飽和后，外部環(huán)境溫度降低會使磚內(nèi)部的水分冷凍，產(chǎn)生一定的應力，導致表面出現(xiàn)裂紋，外部環(huán)境溫度再次降低后，這種開裂現(xiàn)象又會消失。如此反復對于磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞嚴重，所以研究蒸壓粉煤灰磚凍融試驗后強度提高的原因及相關對策具有非常重要的意義。

1 蒸壓粉煤灰磚凍融試驗

1.1 凍融試驗原理

首先，相關的操作人員要將試樣置于電熱鼓風干燥箱內(nèi)，然后于105℃±5℃條件下開始進行干燥處理，一直達到恒重的效果。接著，操作人員再把試樣浸泡在10～20℃的水體內(nèi)，安置24小時后移出，擦拭掉表層攜帶的水分，大面?zhèn)认虬仓迷诮禍氐?15℃以下的低溫箱內(nèi)，注意間隔距離大致為20mm；如果低溫箱溫度接著再下降到-15℃之下，那么就可以開始計算時間，于-15℃～ -20℃的溫度條件下繼續(xù)冰凍5h。接著，相關的操作人員還需要將試樣取出安置在10℃至20℃的水內(nèi)融化， 持續(xù)時長不超過3h，構(gòu)成一次凍融循環(huán)；通過15 次凍融測試試樣之后，安置在電熱鼓風干燥箱內(nèi)，接著再放置于105℃±5℃下干燥到恒重；然后于WEW-1000_W61-25 型微機屏顯示液壓萬能試驗裝置上獲取干燥之后的試樣以及未經(jīng)凍融測驗試樣的強度值，期間要做好相應的信息登記工作。

1.2 試驗步驟

首先，需要對試驗的工件表面進行清潔工作，可以采用毛刷清理，隨后將該工件放入溫度為105 ℃±5 ℃的鼓風干燥機內(nèi)進行干燥直至最終重量不再發(fā)生變化為止，記錄此時的工件質(zhì)量并進行相應的外觀檢查。其次，將該實驗工件完全浸入到水中，水的溫度選擇10～20 ℃均可，放置一天一夜后將其取出，用干布擦去工件表面的水分，然后將該工件的大面?zhèn)认蚍胖茫⒃谔崆邦A冷的冷凍箱里面，冷凍箱溫度不得高于﹣15 ℃。當溫度降到﹣15 ℃，開始計時，使得該工件在﹣15 ℃以下環(huán)境內(nèi)靜置時間不少于5 h。最后，將該工件取出并再次將其放置在10～20 ℃的水內(nèi)融化，融化時間不得少于3 h，至此一次完整的凍融循環(huán)試驗完成，每經(jīng)過5次凍融循環(huán)試驗就要檢查工件表面的破損情況并進行記錄，最后經(jīng)過15次凍融循環(huán)試驗后，再次將該工件放到溫度為105 ℃±5 ℃的鼓風干燥機內(nèi)進行干燥直至最終重量不再發(fā)生變化為止，然后采用相關的儀器設備對該工件進行抗壓強度試驗，測得凍融后的抗壓強度，并進行記錄[1]。

1.3 試驗結(jié)果

本次試驗所用的樣品為河南恒通源新型材料股份有限公司生產(chǎn)的一批蒸壓粉煤灰磚試樣，共計10塊，每塊磚均完好無損，外形尺寸為長240 mm，寬115 mm，高53 mm，在試驗開始前將每塊磚進行1～10的編號，其中編號為1～5的磚塊未進行凍融試驗，6～10號磚進行凍融試驗，這樣方便對蒸壓粉煤灰磚經(jīng)過凍融試驗后和凍融試驗前的數(shù)據(jù)進行對比分析。從結(jié)果可以看出，該蒸壓粉煤灰磚未進行凍融試驗，其強度的平均值為16.86 MPa（1#～5#磚強度的平均值），進行凍融試驗后，其強度的平均值為17.56 MPa（6#～10#磚強度的平均值）。通過該數(shù)據(jù)可以看出，凍融后的蒸壓粉煤灰磚強度不僅沒有降低，反而提高了[2]。

2 蒸壓粉煤灰磚凍融試驗后強度提高的原因

蒸壓粉煤灰磚凍融試驗后強度提高的原因與其自身的組成材料有關。粉煤灰磚的主要制作原料為粉煤灰，粉煤灰中含有大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3等，還有少量未燃盡的炭顆粒，以及CaO、MaO、Na2O等，整體呈酸性，是一種潛在的活性水硬性材料。在特定的環(huán)境下，該蒸壓粉煤灰磚中的活性組成部分能夠繼續(xù)發(fā)生水化反應，使磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，有利于強度的提高[3]。

凍融試驗過程中磚中的水在低溫狀態(tài)下結(jié)成了冰，這使得磚的體積發(fā)生了膨脹，從而產(chǎn)生一定的膨脹應力，當磚在高溫或者通風狀態(tài)下這種水分就隨即蒸發(fā)掉了。經(jīng)歷15次凍融循環(huán)試驗，蒸壓粉煤灰磚就要經(jīng)歷這樣15次的體積變大再到體積變小的過程，理論上這樣操作會使得磚內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，即磚的強度變低。由此我們能夠看出磚的吸水率是影響磚抗凍性的重要因素，即磚的吸水率越大，經(jīng)過凍融試驗后質(zhì)量損失率和強度損失率就會越大。為了保證蒸壓粉煤灰磚能夠具有足夠的抗凍性，在實際的生產(chǎn)過程中，采用了合理的配料及先進的技術工藝。首先，對于水量的控制有嚴格的要求，水量不能過多也不能過少，水量過少會造成水熱反應不完全，后期制品表面不夠光滑；水量過多就會像上面那樣出現(xiàn)結(jié)冰問題，內(nèi)部產(chǎn)生過大的壓力，最終會引起收縮開裂。其次，粉煤灰磚內(nèi)部活性成分SiO2和Al2O3都可以在特定的高溫高壓蒸汽下被激活，從而迅速地與石灰相結(jié)合發(fā)生水化反應。最后，在粉煤灰磚養(yǎng)護過程中也要制定合理的蒸壓養(yǎng)護控制條件，使得磚內(nèi)部的水化物可以處以多項平衡的狀態(tài)下，這樣磚才具有較高的強度。

在蒸壓養(yǎng)護過程中，充分激發(fā)了粉煤灰的活性并快速發(fā)生了水化反應，在粉煤灰球表面產(chǎn)生了一層致密的水化產(chǎn)物層，然而在該階段由于粉煤灰的表面堿性離子較少，導致水化活性較低，最終造成蒸壓粉煤灰在該階段的水化程度較低。在凍融過程中，會對蒸壓粉煤灰磚的內(nèi)部產(chǎn)生一定的損傷，使得產(chǎn)物的內(nèi)部出現(xiàn)一定的裂痕，隨著凍融次數(shù)增加，水分遷移的速度不斷加快，這樣在堿性離子較多的環(huán)境下粉煤灰會繼續(xù)發(fā)生水化反應。如果磚在生產(chǎn)過程中由于某種原因，使得磚內(nèi)部組成成分并沒有完全地發(fā)生水化反應，在凍融試驗過程中，就會給磚提供有利的條件，使其發(fā)生了二次水化反應，這種經(jīng)過二次水化反應的磚內(nèi)部的組成成分更接近于合適的平衡狀態(tài)存在，從而增加磚的強度[4]。

3 提高蒸壓粉煤灰磚抗凍性的措施和方法

第一，對于蒸壓粉煤灰磚來說，需要嚴格控制原材料質(zhì)量和配比，因為這是影響蒸壓粉煤灰磚強度及耐久性的基本因素，也是決定蒸壓粉煤灰磚是否具有一定抗凍性的基礎。在制作過程中必須嚴格按照相關的標準執(zhí)行，其中水是整個蒸壓粉煤灰磚中反應劑及物質(zhì)遷移所需的介質(zhì)，所以添加合適的水量是保證。后期成型磚的質(zhì)量及耐久性的重要步驟，同時，不能為了多利用排放物粉煤灰，而不顧其用量比例及顆粒級別[5]。

第二，需要采用先進的制磚設備，常溫狀態(tài)下粉煤灰本身是不具有膠結(jié)性能的，因此蒸壓粉煤灰磚在制作過程中，需要采用壓制成型設備。對其進行加壓排氣，減小磚內(nèi)部的孔隙率。這樣磚的吸水率就會降低，同時可以讓內(nèi)部顆粒較好地粘接在一起，內(nèi)部就會變得更加密實。在生產(chǎn)過程中，有的磚廠采用具有多次加壓排氣功能的液壓壓磚機來完成此工序。

第三，需要制定合理、先進的高壓蒸汽養(yǎng)護方法及制度。有學者研究了養(yǎng)護制度對蒸壓粉煤灰磚強度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)蒸壓養(yǎng)護可以分為3個階段，分別是上升階段、恒溫階段和降溫階段。3個階段的最佳養(yǎng)護保持時間分別為2 h、8 h和2 h，同時研究發(fā)現(xiàn)最佳飽和蒸汽壓力為0.8～1.2 MPa。在該情形下，蒸壓粉煤灰磚才會進行充分的水化反應，得到較高的強度。

4 結(jié)語

通過對蒸壓粉煤灰磚進行凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過15次凍融后，蒸壓粉煤灰磚強度不僅沒有降低，反而提高了。主要是因為粉煤灰硅酸鹽制品具有潛在的活性，在凍融過程中能夠從周圍吸收水分，從而進行水化反應，使得粉煤灰磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實。目前，我國的蒸壓粉煤灰磚已經(jīng)在全國范圍內(nèi)得到了廣泛的應用和推廣，每年可以減少因燒結(jié)傳統(tǒng)粘土磚而排放的有害氣體近6 000萬噸，并且可以利用有害的固體廢棄料近15億噸，蒸壓粉煤灰磚的成功使用為我國帶來了巨大的經(jīng)濟效益與社會效益。