低品質粉煤灰制備蒸養加氣混凝土試驗研究

孫鑫蕊，王學志，董錦坤，賀晶晶

（1.遼寧工業大學土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710000）

粉煤灰是熱電廠燃煤產生的固體廢棄物，根據其細度及燒失量等不同可分為Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級粉煤灰。粉煤灰在我國產量大且分布不均，綜合利用不夠。據統計，粉煤灰在世界范圍內的資源化利用率僅為25%，其中中國約為45%。近年來，越來越多的研究人員開始探究粉煤灰的高值化利用，如對粉煤灰中有用元素的分離、合成地質聚合物以及制備微晶玻璃等[1]。在建筑行業，粉煤灰則通常用來制作混凝土摻合料、加氣混凝土砌塊、水泥配料等[2-4]。在用粉煤灰制備加氣混凝土過程中，并未對粉煤灰等級提出要求。本試驗對采用低品質粉煤灰制備加氣混凝土展開研究，可更大程度降低成本，以干密度、含水率、抗壓強度及劈裂抗拉強度為表征，探究低品質粉煤灰蒸養加氣混凝土的性能。粉煤灰作為一種工業固體廢棄物，在建筑行業主要用于混凝土摻合料、生產粉煤灰加氣混凝土砌塊等，而利用粉煤灰制備加氣混凝土的研究中，探究了加氣混凝土配合比設計、各方面性能及水化機理等[5-6]。孫福凱[7]采用物理和化學方法對低品質粉煤灰的活性進行激發，試驗表明，物理球磨及摻加化學激發劑均能使粉煤灰活性提高；楊冬升等[8]利用正交實驗對沉積粉煤灰加氣混凝土展開研究并得出粉煤灰摻量在50%時性能最優；Kapustin 等[9]通過研究得出粉煤灰摻量為水泥質量的10%可增加混凝土早期強度和標準養護28 d 后的強度，而摻入25%會降低其抗壓強度及導電性，增大收縮率。

以錦州熱電廠排放的低品質粉煤灰為主要原材料做實驗，采用高溫高濕養護工藝，探究低品質粉煤灰蒸養加氣混凝土的最優配合比及各性能。

1 試驗原材料及制備方法

1.1 原材料的選取

（1）水泥：采用遼寧葫蘆島生產的渤海牌P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥，3 d 抗壓強度17.0 MPa，抗折強度3.5 MPa ；28 d 抗壓強度42.5 MPa，抗折強度6.5 MPa。（2）粉煤灰：遼寧錦州熱電廠生產的固體廢棄物粉煤灰，主要成分為活性SiO2和Al2O3，化學成分見表1。（3）生石灰：取自錦州鴿子洞白灰廠金鴿牌生石灰，為料漿提供堿性環境并放熱，消化溫度約為40℃，消化時間為10～15 min，0.08 mm 方孔篩篩余量＜ 20%。（4）石膏：取自凌海市佳利裝飾涂料廠特級石膏粉，減緩料漿稠化速度，化學成分見表1。（5）鋁粉：取自天津市大茂化學試劑廠，活性鋁含量≥95%。

表1 粉煤灰、石膏化學成分（%）

1.2 外加劑的選取

（1）穩泡劑：十二烷基硫酸鈉（C12H25NaO4S），取自無錫市亞太聯合化工有限公司，月桂醇針狀。（2）早強劑：①無水硫酸鈉（Na2SO4），工業級。②三乙醇胺（C6H15NO3），有機物類早強劑，取自無錫市亞太聯合化工有限公司。

1.3 試驗方法及結果

蒸養粉煤灰加氣混凝土試件干密度、含水率、抗壓強度、劈裂抗拉強度均參照GB 11968-2020《蒸壓加氣混凝土砌塊標準》及GB/T 11969-2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》進行。試件尺寸均采取100 mm×100 mm×100 mm，為標準立方體試件，為保證試驗準確性，每組均設置3 個試件。試驗采取4 種不同配合比，探究高溫高濕的蒸養養護方式（養護溫度80～95℃，養護濕度95%）下低品質粉煤灰加氣混凝土的配比，具體配合比見表2。

加氣混凝土干密度計算：

式中：r0——干密度（kg/m3），M0——試件烘干后質量（g），V——試件體積（mm3）。

加氣混凝土質量含水率計算：

式中：Ws——質量含水率，用百分數（%）表示；M——試件烘干前質量（g）。

加氣混凝土抗壓強度計算：

式中：fcc——試件抗壓強度（MPa），p1——破壞荷載（N），A1——試件受壓面積（mm2）。

加氣混凝土劈裂抗拉強度計算：

式中：fts——試件劈裂抗拉強度（MPa），p2——破壞荷載（N），A2——試件劈裂面面積（mm2）。

2 試驗結果及分析

由表2 可知，以上四組配合比均能制備出性能合格的B07 級蒸養粉煤灰加氣混凝土制品。當低品質粉煤灰摻量為47%時抗壓強度為5.06 MPa；當摻量增大到61%時抗壓強度最大，達到5.98MPa；隨著粉煤灰摻量繼續增加達到67%時，抗壓強度略為下降，但干密度仍呈增長趨勢。由此可見在一定范圍內隨著粉煤灰摻量增加干密度不斷增大，而抗壓強度和劈裂抗拉強度呈現先上升后下降的趨勢。隨著干密度的增加，含水率逐漸降低。考慮原因為干密度增加時，除各原材料密度不同外，孔隙率存在一定程度的降低，而劈裂抗拉強度基本與抗壓強度呈現正相關。

表2 加氣混凝土原材料配比

2.1 破壞形態

加氣混凝土立方體抗壓強度試驗的破壞形態主要有四種：縱向劈裂破壞、斜面剪切破壞、邊角破壞、“八字型”破壞（見圖1）。試驗均表明，試件的端部效應與加載點位置都是粉煤灰加氣混凝土破壞形態不一致的影響因素，但加氣混凝土試件與普通混凝土試件的破壞形態大致相同。

圖1 蒸養粉煤灰加氣混凝土立方體抗壓試驗破壞形態

2.2 干密度與抗壓強度的關系

參照GB 11968-2020《蒸壓加氣混凝土砌塊標準》，干密度表征加氣混凝土的質量體積比，抗壓強度則表征加氣混凝土的抗破壞能力，兩者均是衡量加氣混凝土性能是否合格的重要指標。為了得出干密度ρ與抗壓強度fcc間的關系，建立干密度與抗壓強度的轉換關系，結果見表3。

由表3 可知，隨著干密度的增加，抗壓強度與干密度的轉換系數逐漸增大，抗壓強度逐漸增強，加氣混凝土的抗壓強度與干密度大致呈正相關。原因是當試件體積相同時干密度越大、結構越緊密，加氣混凝土中孔隙率變小，強度增大。但當粉煤灰摻量過大達到67%時，抗壓強度又會有一定程度的降低，考慮原因為當低品質粉煤灰摻量過大時試件膠結力減小，導致抗壓強度減小。

表3 干密度與抗壓強度關系

2.3 抗壓強度與劈裂抗拉強度的關系

參照GB 11968-2020《蒸壓加氣混凝土砌塊標準》，由于劈裂抗拉強度在實際試驗過程中裝置較為復雜，木墊條與加氣混凝土試件中心難以完全重合，存在較大誤差。為得出更為準確的加氣混凝土劈裂抗拉強度，探究抗壓強度fc與劈裂抗拉強度ft間的轉換關系，結果見表4。

表4 抗壓強度與劈裂抗拉強度關系

由表4 可知，B07 級加氣混凝土ft/fcc的比值大致在7%～8%，并隨著干密度的增加比值增大。可知，劈裂抗拉強度與抗壓強度存在一定的比例關系，故在工程實踐中，可根據加氣混凝土抗壓強度換算劈裂抗拉強度。

2.4 機理分析

試驗研究表明，加氣混凝土的干密度和抗壓強度等性能與原材料的種類及摻量等都存在一定關系，呈多元線性變化趨勢。加氣混凝土發氣的主要機理是鋁粉與原材料中的Ca（OH）2反應生成H2，從而產生大量氣泡，而后氫氣蒸發，形成高度閉孔的多孔硅酸鹽制品，降低了試件干密度，提高了保溫、隔熱、隔聲等性能。反應機理見下式：

粉煤灰摻量對加氣混凝土的制備存在影響，在一定范圍內，隨著粉煤灰摻量的增加，干密度與抗壓強度均上升；當超過一定范圍后，干密度依然隨粉煤灰摻量的增加而增大，而抗壓強度則小幅度降低。考慮粉煤灰活性不足且膠結力較差，當摻量過大時，反而會影響加氣混凝土的性能。粉煤灰早期強度較低，后期才形成較高的強度，因此加氣混凝土早期強度主要受水泥用量影響，適量的水泥摻量是發生水化反應且產生強度的重要手段。石膏是以CaSO4為主要成分的氣硬性膠凝材料，在土木建筑行業中，主要應用的是建筑石膏。建筑石膏與適量水拌合后，形成可塑的漿體，隨后失去塑性并產生強度，并逐漸發展為堅硬的固體，在加氣混凝土制備過程中，石膏可以調節水化反應，減緩料漿稠化速度以及石灰消解速度，使加氣混凝土充分發氣，以此提高試件強度，減少收縮，并在一定程度上提高抗凍性。而生石灰遇水形成OH-可以為料漿提供堿性環境，加速水泥等膠凝材料的水化過程；粉煤灰的強度主要取決于生成物水化鋁酸鈣及水化硅酸鈣，而這類物質的生成主要集中在蒸養階段，因此，選擇合適的養護方式直接關系到制品性能的好壞。目前企業應用較多的養護方式為蒸壓養護，但蒸壓養護需要在蒸壓釜中進行養護成型，設備價格昂貴，產能巨大，極大程度上增加了加氣混凝土的生產成本，并且無法進行現場澆筑，限制了其使用范圍。相比蒸壓加氣混凝土，蒸養加氣混凝土采用常壓養護，大大降低了成本，釋放了產能，且能夠在施工現場制備并經過養護后直接使用，未來有望將加氣混凝土推廣到更廣泛的建筑領域中。不同于蒸壓養護，試驗采取的高溫蒸汽養護方式極大地降低了生產成本。從工業角度看，過長的養護期會降低產量，因此，選擇一個既滿足規范要求強度又不影響產量的合適養護期限尤為重要。

在加氣混凝土的制備過程中，料漿發生水化反應，水泥中的C3S 和C2S 水化后生成水化硅酸鈣，并逐漸凝聚成C-S-H 凝膠，C3A 和C4AF 經水化后生成水化鋁酸鈣。由于料漿中含有少量石膏，水化鋁酸鈣還會進一步與石膏反應生成鈣礬石。石灰遇水生成OH-，為料漿提供堿性環境，加速水化反應的進行。在OH-離子力的作用下，鋁氧和硅氧網絡結構層被破壞，Al-O 和Si-O 化學鍵斷裂，玻璃體結構迅速分解，形成大量碳酸根離子、鋁酸根離子以及鈣離子，共同存在于料漿的水化環境中，隨著離子濃度的升高，過飽和的陰離子聚合形成[SiO4]4-和[AlO4]5-，并與Ca2+結合，形成硅酸鈣及鋁酸四鈣等單聚物。隨著Ca2+濃度降低，OH-向原材料內部擴散，料漿PH 值逐漸降低。隨后，料漿中的單聚物通過縮聚反應形成硅酸鹽和硅鋁酸鹽凝膠，并隨著養護時間的增長逐步轉化為堿度較低的C-S-H 凝膠及托貝莫來石。而在石灰消化放熱及高溫蒸汽養護條件下，這一過程被進一步加速，在短時間內制備出加氣混凝土。

加氣混凝土各項性能受多方因素耦合影響而非單個影響。在探究加氣混凝土性能時需多方考慮，不應只關注某項因素的作用。協同設計、施工等才能制備出性能更優的加氣混凝土。

3 結論

①在適宜的配合比下，低品質粉煤灰也能制備出性能合格的蒸養加氣混凝土。當粉煤灰摻量為61%時，抗壓強度最高，為5.98 MPa。②干密度與抗壓強度有較好相關性，一般干密度越大、抗壓強度越高，但受材料本身性質影響，當粉煤灰摻量超過一定比例（達67%）時，抗壓強度有一定程度下降。③抗壓強度與劈裂抗拉強度有很好的相關性，劈裂抗拉強度隨抗壓強度增大而增加，試驗制備的B07 級加氣混凝土ft/fcc大致在7%～8%。④在加氣混凝土未來發展中，應注重固體廢棄物應用及自身性能優化，不斷改進，制備出更加優質經濟的加氣混凝土。另外要了解加氣混凝土的水化產物組成及機理，及時探究加氣混凝土的結構及各性能，增加孔結構特征對其性能影響的探究，保證加氣混凝土的耐久性，以便更好應用到實際。