顆粒狀爐渣摻量對(duì)加氣混凝土砌塊性能的影響

吳世康，季韜，張彬彬，王釗，張文

（福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

隨著墻體材料改革的推行和綠色建筑概念的提出，我國對(duì)建筑節(jié)能提出了更高的要求[1-2]。蒸壓加氣混凝土砌塊（PT砌塊）作為一種墻體填充材料，具有質(zhì)量輕、保溫隔熱、耐高溫等優(yōu)異性能[3-8]，廣泛應(yīng)用于房屋建筑中。然而，隨著建筑工程對(duì)加氣混凝土需求的大量增加，砂作為傳統(tǒng)PT砌塊主要原材料也逐漸出現(xiàn)供應(yīng)不足的情況[9]。目前，焚燒生活垃圾產(chǎn)生的大量焚燒爐渣，不僅占用耕地，而且污染環(huán)境。生活垃圾焚燒爐渣分為顆粒狀爐渣和粉狀爐渣，將顆粒狀爐渣作為細(xì)骨料代替砂子應(yīng)用到PT砌塊中，不但可以降低材料成本，而且能夠消耗固廢、保護(hù)環(huán)境。因此，研究生活垃圾焚燒爐渣對(duì)PT砌塊性能的影響具有重要意義。

生活垃圾焚燒爐渣屬于焚燒殘?jiān)?，是生活垃圾焚燒發(fā)電廠發(fā)電爐中剩余的殘留物。生活垃圾焚燒爐渣包括顆粒狀爐渣和粉狀爐渣，顆粒狀爐渣為生活垃圾焚燒爐渣水洗過篩后所剩的粒徑較大的顆粒，粒徑在0.15～4.95 mm之間[10-12]。目前，關(guān)于顆粒爐渣的應(yīng)用研究大多集中在環(huán)保水泥磚上。王山山等[13]研究了不同顆粒狀爐渣取代率對(duì)環(huán)保免燒磚基本力學(xué)性能的影響，研究表明，當(dāng)顆粒狀爐渣取代45%的粗集料后，其制備的免燒磚抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到22.7 MPa。Roslidawati等[14]將爐渣作為粗骨料制備環(huán)保免燒水泥磚，其強(qiáng)度等級(jí)滿足MU20技術(shù)要求。陳新疆等[15]將焚燒爐渣和石英尾礦作為硅質(zhì)原材料進(jìn)行互摻，研究其對(duì)加氣混凝土板材強(qiáng)度的影響。針對(duì)顆粒狀爐渣替代不同比例河砂對(duì)PT砌塊性能的影響研究未見報(bào)道。

本文利用顆粒狀爐渣取代砌塊中的河砂，研究顆粒狀爐渣不同摻量（0、10%、20%、30%、40%和50%）對(duì)PT砌塊基本性能（漿體擴(kuò)散度、出釜干密度、抗壓強(qiáng)度）的影響。并結(jié)合XRD、SEM和孔結(jié)構(gòu)分析方法進(jìn)行機(jī)理分析。研究成果對(duì)生活垃圾焚燒爐渣的回收利用及PT砌塊的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

所用基本原材料（水泥、生石灰、砂、石膏、鋁粉）均為福建同利建材科技有限公司廠區(qū)實(shí)際生產(chǎn)PT砌塊的材料。水泥：福建海螺牌P·O42.5R水泥，其各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1。生石灰：有效CaO≥80%。砂：磨細(xì)后的閩江河砂，比表面積為320.8 m2/kg。石膏：脫硫石膏，CaSO4·2H2O含量≥92%。鋁粉：PT砌塊的主要發(fā)氣材料，為水劑型鋁粉膏，基本性能滿足JC/T 407—2008《加氣混凝土用鋁粉膏標(biāo)準(zhǔn)》。

表1 水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)

原狀爐渣取自福州紅廟嶺垃圾綜合處理中心，是生活垃圾焚燒爐渣經(jīng)過水洗過篩后所剩的較大顆粒，粒徑為0.15～4.75 mm，見圖1。顆粒狀爐渣是原狀爐渣經(jīng)試驗(yàn)室烘干后，再使用試驗(yàn)室QM-500型小型球磨機(jī)粉磨30 min得到，粉磨細(xì)度為25%～30%（0.080 mm方孔篩篩余量），顆粒狀爐渣見圖1，化學(xué)成分見表2。

圖1 爐渣

表2 顆粒狀爐渣的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)配合比及方法

1.2.1 配合比

所用的基準(zhǔn)配合比為福建同利建材科技有限公司實(shí)際投產(chǎn)的PT砌塊配方。用顆粒狀爐渣分別取代河砂的0、10%、20%、30%、40%和50%，即為顆粒狀爐渣的摻量，分別表示為PT00、PT10、PT20、PT30、PT40和PT50。具體干料配合比（除鋁粉和水外的所有原材料）見表3，其中水料比（外加水與所有干料的質(zhì)量比）為0.52，鋁粉用量為水泥的1%。

表3 PT砌塊干料配合比 質(zhì)量份

1.2.2 試驗(yàn)方法

（1）成型及養(yǎng)護(hù)

對(duì)所有材料進(jìn)行稱量，然后將除鋁粉外所有干料和水倒入攪拌鍋攪拌90 s，加入鋁粉后再攪拌30 s，迅速倒入三聯(lián)鋼模（100 mm×100 mm×100 mm）內(nèi)至預(yù)先標(biāo)記的刻度線（高度為6 cm）。

在靜停養(yǎng)護(hù)室（50℃）待漿體發(fā)氣完成且產(chǎn)生初始強(qiáng)度之后（3 h），將其放入蒸壓釜進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)。蒸壓養(yǎng)護(hù)后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。蒸壓養(yǎng)護(hù)制度為：抽真空0.5 h，升溫升壓1 h，恒溫恒壓6 h，恒溫溫度為190～200℃，恒壓壓力為1.2 MPa，降壓2 h。

（2）擴(kuò)散度

漿體擴(kuò)散度為表征膠凝材料流動(dòng)性的一個(gè)重要參數(shù)，將內(nèi)徑50 mm，高度100 mm的圓筒模置于水平放置的潔凈玻璃板中心，注滿漿液后，勻速垂直提起圓筒模，待漿液穩(wěn)定后，測量漿液2個(gè)互相垂直方向的擴(kuò)展直徑，取其平均值作為漿體擴(kuò)散度。

（3）出釜干密度

出釜干密度按照GB/T 11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試。按式（1）計(jì)算：

式中：ρ——出釜干密度，kg/m3；

M——試件出釜后的質(zhì)量，g；

V——試件體積，mm3。

（4）微觀試驗(yàn)

XRD采用福州大學(xué)化肥催化劑國家工程研究中心提供的X/Pert Pro MPD型X射線粉末衍射儀（XRD）。采用Nova NanoSEM 230型場發(fā)射掃描電鏡對(duì)試驗(yàn)組進(jìn)行觀察分析。體式顯微鏡（Stemi 508）用于觀察PT砌塊切割面的孔結(jié)構(gòu)形態(tài)，并對(duì)視野范圍內(nèi)的切割面進(jìn)行拍照。通過Image-Pro Plus金相分析測試軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到PT砌塊氣孔分布、氣孔平均孔徑和氣孔孔隙率。

（5）抗壓強(qiáng)度

采用北京中科路建儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DYE-2000型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)，強(qiáng)度測試方法按照GB/T 11969—2020規(guī)定進(jìn)行。測試齡期為出釜后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28 d。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 擴(kuò)散度

不同顆粒狀爐渣摻量對(duì)PT砌塊漿體擴(kuò)散度產(chǎn)生影響如表4所示。

表4 不同顆粒狀爐渣摻量對(duì)PT砌塊漿體擴(kuò)散度的影響

由表4可知，隨著顆粒狀爐渣摻量的增大，PT砌塊的漿體擴(kuò)散度增大，PT50為最大，可達(dá)到34.6 cm。由于顆粒狀爐渣的比表面積為290.5 m2/kg，相較于磨細(xì)河砂的320.8 m2/kg更低，而且顆粒狀爐渣中不可避免的存在一些玻璃、陶瓷，這些材料在生活垃圾進(jìn)行焚燒發(fā)電的過程中沒有被分解，維持原狀，并且生成較多熔渣。正是由于顆粒狀爐渣的比表面積相較于河砂更小，且含有玻璃、陶瓷和熔渣等“憎水性”材料，才導(dǎo)致PT砌塊漿體擴(kuò)散度增大。

2.2 出釜干密度

不同顆粒狀爐渣摻量對(duì)PT砌塊干密度的影響如表5所示。

表5 不同顆粒狀爐渣摻量對(duì)PT砌塊干密度的影響

由表5可知，隨著顆粒狀爐渣摻量的增大，PT砌塊的出釜干密度呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢，當(dāng)摻量為20%時(shí)，干密度最低為605 kg/m3。這主要是由于顆粒狀爐渣含有較強(qiáng)的“憎水性”材料，導(dǎo)致漿體擴(kuò)散度增大，進(jìn)而導(dǎo)致漿體的體積膨脹率增大，故干密度降低。但是當(dāng)摻量大于20%時(shí)，過大的漿體擴(kuò)散度會(huì)導(dǎo)致漿體的稠化速度小于發(fā)氣速度，漿體表面大量冒泡，發(fā)氣劑在堿性環(huán)境中產(chǎn)生的氫氣通過冒泡的形式流失，致使出現(xiàn)較為嚴(yán)重的漿體沉縮現(xiàn)象，所以干密度增大。

2.3 XRD圖譜

圖2為PT00和PT20在28 d齡期的XRD圖譜。

圖2 PT00和PT20在28 d齡期的XRD圖譜

由圖2可知，PT00和PT20水化產(chǎn)物主要是石英、AFm、水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）和托勃莫來石。與PT00相比，C-SH和托勃來石的衍射峰更高更尖銳。當(dāng)水泥量不變，隨著顆粒狀爐渣的摻入，顆粒狀爐渣起到“晶核作用”，擴(kuò)大水泥水化空間，使水化更為充分；且活性SiO2和Al2O3與水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，產(chǎn)生了更多的C-S-H[16]，在高溫高壓的反應(yīng)條件下，低堿性結(jié)晶度較差的C-S-H轉(zhuǎn)化成較多的托勃莫來石。C-S-H和托貝莫來石產(chǎn)物的增加對(duì)PT砌塊的抗壓強(qiáng)度起有利作用[17]。

2.4 SEM分析

圖3和圖4分別為PT00和PT20在28 d齡期的SEM照片。

圖3 PT00的SEM照片

圖4 PT20的SEM照片

由圖3可以看出，PT00的主要水化產(chǎn)物為針狀托勃莫來石結(jié)晶和絮狀的C-S-H凝膠，它們相互交叉，形成較為致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。圖4（c）為放大8000倍的托勃莫來石的SEM照片，大量的托勃莫來石縱橫交錯(cuò)，填充著微觀孔隙，保證了PT砌塊（PT00）的強(qiáng)度。

由圖4可以看出，PT20的主要水化產(chǎn)物和PT00一樣。但PT20由于顆粒狀爐渣的摻入（取代河砂，水泥量不變），水化更加充分，生成了更多托勃莫來石和C-S-H，水化產(chǎn)物分布更加均勻致密，能夠更好地改善加氣塊的孔結(jié)構(gòu)，使其具有更高的強(qiáng)度。

2.5 孔結(jié)構(gòu)

通過Stemi 508體式顯微鏡對(duì)PT砌塊（28 d）的切割面進(jìn)行拍照（放大6.3倍），然后采用Imaging-Pro Plus金相分析測試軟件對(duì)照片進(jìn)行處理，并標(biāo)記，如圖5和圖6所示。再通過此軟件得到孔結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)，見表6。

表6 PT砌塊孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

圖5 Imaging-Pro Plus處理前后照片對(duì)比

圖6 PT砌塊孔結(jié)構(gòu)

由圖6可知，當(dāng)摻量不大于20%時(shí)，氣孔增大；當(dāng)摻量超過20%時(shí)，氣孔變小，是由于漿體擴(kuò)散度太高，出現(xiàn)塌孔，導(dǎo)致漿體發(fā)生沉縮。由表6可知，隨著顆粒狀爐渣摻量的增加，PT砌塊的平均孔徑和氣孔孔隙率先增大后減小，最大為PT20，平均孔徑和氣孔孔隙率分別為1.20 mm和58.6%。

2.6 抗壓強(qiáng)度

顆粒狀爐渣摻量對(duì)PT砌塊抗壓強(qiáng)度的影響如表7所示。

表7 不同顆粒狀爐渣摻量對(duì)PT砌塊抗壓強(qiáng)度的影響

由表7可知，當(dāng)顆粒狀爐渣摻量不大于20%時(shí)，隨著摻量的增加，水泥量不變，取代河砂，晶核作用，水化更充分，結(jié)晶度較好的托勃莫來石和C-S-H增加（見圖2），水化產(chǎn)物分布更均勻致密（對(duì)比圖3和圖4），對(duì)強(qiáng)度起主導(dǎo)作用；平均孔徑和孔隙率增大（見表6），但分布的更均勻（見圖6），對(duì)強(qiáng)度影響較小。綜合表現(xiàn)為當(dāng)顆粒狀爐渣摻量不大于20%時(shí)，隨著摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增大。當(dāng)顆粒狀爐渣摻量為20%～30%時(shí)，較高的漿體擴(kuò)散度，漿體的稠化速度小于發(fā)氣速度，導(dǎo)致漿體表面冒泡，發(fā)氣劑在堿性環(huán)境中產(chǎn)生的氫氣通過冒泡的形式流失，均勻的孔結(jié)構(gòu)遭到破壞[見圖6（d）]，故抗壓強(qiáng)度降低。但當(dāng)摻量超過30%時(shí)，由于漿體擴(kuò)散度過高（見表4），出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象[見圖6（e）、（f）]，導(dǎo)致漿體發(fā)生沉縮，平均孔徑和孔隙率降低（見表6），干密度增大（見表5），抗壓強(qiáng)度提高。當(dāng)摻量為20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，為5.61 MPa，干密度605 kg/m3，滿足GB/T 11968—2020中A5.0、B06的要求，在工程中有較廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

（1）隨著顆粒狀爐渣摻量的增大，漿體擴(kuò)散度增大，干密度先減小后增大。當(dāng)摻量不大于20%時(shí)，漿體擴(kuò)散度較大，導(dǎo)致漿體的體積膨脹率增大，干密度降低；當(dāng)摻量大于20%時(shí)，漿體擴(kuò)散度過大，漿體表面大量冒泡，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的漿體沉縮現(xiàn)象，干密度增大。

（2）隨著顆粒狀爐渣摻量的增大，當(dāng)摻量不大于20%時(shí)，托勃莫來石和C-S-H水化產(chǎn)物的增加對(duì)強(qiáng)度起主導(dǎo)作用，平均孔徑和孔隙率的增大對(duì)強(qiáng)度影響較小。綜合表現(xiàn)為當(dāng)顆粒狀爐渣摻量不大于20%時(shí)，隨著摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增大。當(dāng)摻量為20%～30%時(shí)，較高的漿體擴(kuò)散度，漿體的稠化速度小于發(fā)氣速度，漿體表面冒泡，均勻的孔結(jié)構(gòu)遭到破壞，抗壓強(qiáng)度降低。但當(dāng)摻量超過30%時(shí)，由于漿體擴(kuò)散度過高，出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，抗壓強(qiáng)度提高。

（3）當(dāng)顆粒狀爐渣摻量為20%時(shí)，PT砌塊的抗壓強(qiáng)度為5.61 MPa，干密度605 kg/m3，既可以消耗大量固體廢棄物，又符合GB/T 11968—2020中A5.0、B06的要求，在工程中有較廣闊的應(yīng)用前景。