磨細砂制備高強蒸壓灰砂砌塊的研究

方 飛 李從波 魏小軍

（廣州大學土木工程學院）

0 引言

蒸壓灰砂砌塊是以石灰為鈣質材料，砂為硅質材料，經原料處理、配料攪拌、消化作用、壓制成型及蒸壓養護而成的新型墻體材料[1]。隨著墻體材料的改革和限制黏土磚使用力度的加大，蒸壓灰砂磚作為一種環保型建筑材料得到快速發展，并在《新型墻體材料產品目錄（2016 年本）》受到推薦使用。

蒸壓灰砂砌塊中砂的用量達到80%以上，據研究表明，砂的細度對灰砂砌塊的強度影響較大[2]。本研究利用球磨機對細砂進行球磨處理制備成不同粒度、不同比表面積的磨細砂，然后研究利用石灰、磨細砂制備高性能的灰砂砌塊，從而建立磨細砂制備高強蒸壓灰砂砌塊的工藝路線。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

⑴生石灰：作為鈣質材料，清遠市建邦石灰有限公司生產，其化學成分如表1，達到JC/T 621-2009《硅酸鹽制品用生石灰》一等品等級要求。

表1 石灰的主要化學成分(%)

⑵砂：作為硅質材料，產自佛山三水砂場，SiO2含量大于85%。取500g 試驗用砂，烘干后進行篩分，篩分曲線如圖1 所示，其細度模數為2.0，屬于細砂。

圖1 砂的篩分曲線圖

1.2 試驗方法

⑴蒸壓灰砂試件的制備流程。

按照實驗設計的配合比，用電子天平準確稱量各物料，并將各物料放入水泥凈漿攪拌機中干攪拌3min，再加入干料質量18%的水攪拌5min，攪拌好的物料儲存到物料桶中，并用保鮮膜密封住桶口，物料在物料桶內消解陳化2～16h。消化時間結束取出物料，加干料質量5%的水二次攪拌3min，稱取100g 物料于直徑50mm 的不銹鋼模具中，在壓力機上以20MPa 的壓力壓制成直徑50mm、高26mm 的圓柱試塊[3]。脫模后的試塊靜置一段時間，再放入蒸壓釜內進行蒸壓養護，蒸壓溫度為192℃，恒溫時間為8h，蒸壓壓力為1.3MPa。

⑵蒸壓灰砂試件的性能測試。

依據GB/T2542-2012《砌墻磚實驗方法》對試件的抗壓強度、膨脹率、容重、吸水率、軟化系數進行測試。

2 試驗結果和分析

2.1 球磨時間對細砂粒度的影響

取1000g 細砂，球料比設定為1:1，使用快速球磨機對細砂進行濕法球磨，水料比為0.3，球磨時間設定為5～40min，并使用BT-9300HT 激光粒度分析儀對不同球磨時間制得的磨細砂進行分析，其粒度分布參數見表2，分布曲線如圖2。

從圖2 可以看出，隨著球磨時間的延長，磨細砂的體積分布曲線不斷向左偏移，整體粒徑不斷減小，峰值粒徑及其占比不斷下降，說明鋁球研磨體破壞了砂顆粒的晶體結構，促使顆粒被磨細。從表2 可以看出，當球磨時間大于20min 時，磨細砂中粒徑大于100μm 顆粒數量大量減少，球磨時間達到30min 以上時，90%以上的顆粒粒徑在100μm 以下。

表2 不同球磨時間的磨細砂粒度分布參數

圖2 粒度體積分布曲線

2.2 磨細砂粒度對蒸壓灰砂砌塊的影響

本節利用上述不同球磨時間處理得到的磨細砂制備蒸壓灰砂制品，固定石灰：磨細砂配比為10%：90%，試件的抗壓強度檢測結果如圖3 所示。

圖3 不同磨細砂制備灰砂試件抗壓強度

從圖3 可知，砂的細度對灰砂制品的強度具有顯著的影響，球磨時間越長，所制備的灰砂制品抗壓強度越高。當未對細砂進行球磨處理時，制品抗壓強度僅為7.0MPa；而當球磨時間達到40min，抗壓強度達到了33.1Mpa，比未球磨處理組提升了4.7 倍。分析其機理：球磨處理破壞了砂顆粒表面的結構，將晶體SiO2轉化為無定形狀態的SiO2，砂粒活性增強，同時砂粒徑越小，單位體積中顆粒接觸點越大，生成膠凝物質質量越好，所以磨細砂的使用可以極大增強灰砂制品的各項性能[4]。考慮砂粉磨過細時所需能耗會大幅增加，同時物料中缺少可支撐的顆粒骨架，故合理的細砂球磨時間為30min。

2.3 石灰、磨細砂制備蒸壓灰砂砌塊的配比及工藝

石灰中的CaO 和磨細砂中的SiO2摩爾質量比為鈣硅比（Ca/Si），最佳的Ca/Si 會隨著砂的細度增大而增大，當磨細砂的比表面積在300m2/㎏左右時，最佳的Ca/Si 值在0.25 左右[1]。消化是蒸壓灰砂磚生產工藝的一個重要環節，消化質量直接關系到蒸壓灰砂制品的性能表現，工業生產過程中常使用消化倉對石灰進行消化處理，消化倉可儲存熱量，加速CaO 的消解，同時促進過燒CaO 的吸收消化。本節研究利用少量石灰和磨細砂來制備MU30 級的高強蒸壓灰砂砌塊，設計的配合比及消化時間見表3，試塊的抗壓強度和膨脹率變化見圖4、5。

圖4 石灰用量及消化時間對抗壓強度的影響

表3 石灰和磨細砂的配合比、消化時間

由圖4、圖5 可以看出：摻量在6%至14%范圍內，隨著石灰摻量的增大，試塊的抗壓強度呈增大的趨勢，但石灰用量大于10%時，制品抗壓強度增長較小。分析可知，磨細砂的比表面積大，磨細過程中砂晶體的表層結構受到破壞，表層原來晶體結構形態轉化為無定形態的SiO2，無定形態的SiO2與Ca(OH)2反應速度快、反應程度更大。在蒸壓水熱條件下，石灰中的CaO 與磨細砂中的SiO2發生水化反應產生水化硅酸鈣凝膠，石灰用量增大，生成的水化硅酸鈣凝膠含量也增大，將磨細砂緊密地粘結在一起，從而提高了試塊的抗壓強度。

圖5 石灰用量及消化時間對膨脹率的影響

此外可以看出，消化時間在2h 至16h 范圍內，隨消化時間的延長，試塊的膨脹率逐漸減小，容重增大，抗壓強度逐漸增大。具體分析，當石灰：磨細砂=10%：90%時，消化時間為2h 的試件抗壓強度僅為14.2MPa，膨脹率達到6%，而當消化時間為16h 時，抗壓強度提升至32.4 MPa，膨脹率僅為0.2%。同時對試件表面觀察分析（見圖6），消化時間不足導致蒸壓過程中未反應的CaO 與水反應生成體積膨脹1.5～2 倍的Ca(OH)2[5]，從而使得試件開裂，表面出現大量塊狀裂紋；延長消化時間，試件表面表面光整，裂縫減少，膨脹率減低，結構更加密實。

圖6 不同消化時間的試件外觀

對消化時間為16h 的不同配比蒸壓灰砂制品性能進行檢測，結果見表4。

表4 不同石灰- 磨細砂配比對制品性能的影響

由表4 可知，隨著石灰摻量的增加，試件的抗壓強度、軟化系數逐漸增大，吸水率逐漸減小。當石灰用量為6%時，試件抗壓強度可達27.4MPa，抗壓強度已達到GB/T 11945-2019《蒸壓灰砂實心磚和實心砌塊》中MU25 級砌塊要求；繼續增大石灰用量，試件抗壓強度有所上升，但上升幅度隨著石灰用量的增大而減小，且吸水率、軟化系數變化較小。故使用10%石灰即可制備出性能優越的蒸壓灰砂制品，其性能可達到MU30 等級砌塊要求。

3 結論

⑴當球磨時間小于10min 時，磨細砂的粒徑主要分布在100～500μm；球磨時間大于20min 時，粒徑主要分布在10～100μm 之間；球磨時間達到30min 以上，90%以上的粒徑在100μm 以下，其比表面積達到368.7 m2/㎏。

⑵砂的細度對蒸壓灰砂砌塊的強度具有顯著的影響，使用球磨時間越長的磨細砂制備的灰砂砌塊抗壓強度越高。

⑶使用6%～14%石灰制備蒸壓灰砂砌塊時，抗壓強度隨石灰用量的增加而增大；最佳消化時間為16h，延長混合料消化時間，可以減小砌塊體積膨脹，提高抗壓強度。

⑷10%石灰、90%磨細砂經消化16h 可制備出抗壓強度高達32.4MPa、容重為1697㎏/m3、吸水率為10.5%、軟化系數為0.94 的蒸壓灰砂砌塊，其達到GB/T 11945-2019《蒸壓灰砂實心磚和實心砌塊》中MU30 級砌塊要求。