粉煤灰壓制成型免燒免蒸壓磚試驗研究

楊 永

(四川省建筑科學研究院有限公司，四川 成都 610081)

0 前 言

粉煤灰作為燃煤發電廠排放的固體廢棄物，排放量逐年增加，我國對粉煤灰的研究和利用也不斷深入，綜合應用范圍越來越廣[1]。目前國內的粉煤灰研究主要集中在建材制品、建設工程、道路工程、農業應用、從粉煤灰中提取礦物和高值利用、環境治理和保護、催化反應中的應用等各個方面[2]。主要應用在水泥混合材、混凝土摻合料、加氣混凝土或輕質保溫材料、墻體材料等方面[3-6]。將粉煤灰用作主要原材料制磚是當前研究熱點之一[7-8]，研究主要集中在采用蒸壓養護工藝使粉煤灰磚早期強度快速增長，但蒸壓養護需要使用特定蒸壓設備，工藝較為復雜且能耗較高。近年來，免燒免蒸壓粉煤灰磚逐漸代替蒸壓磚成為研究熱點之一，不僅如此，研制生產粉煤灰磚逐步代替實心傳統黏土磚成為近幾年發展的一種趨勢。

因此，研究以粉煤灰為主要原材料，加入生水灰、石膏、水泥和骨料等，壓制成型制備粉煤灰磚，并研究養護方式對其力學性能的影響，通過正交試驗確定粉煤灰-骨料磚的最優配比，制備滿足標準要求的粉煤灰磚，為研制免燒免蒸壓磚提供實用參考價值。

1 試驗原材料及制備

粉煤灰采用重慶九龍坡珞璜電廠的二級粉煤灰，其化學成分見表1。生石灰粉(CaO)采用湖北益陽的益佳欣石灰廠，CaO含量90%，0.08 mm方孔篩余低于20%。石膏采用氟石膏，主要成分為無水硫酸鈣。水泥采用普通硅酸鹽水泥P·O 42.5級。骨料選用粒徑5～10 mm的石灰石碎石，采用連續級配；砂選用機制砂中砂。外加劑選用無水硫酸鈉(Na2SO4)。

表1 粉煤灰的化學成分 wt.%

根據試驗要求，設置無骨料粉煤灰磚配比(見表2)，水膠比為0.18。粉煤灰-骨料磚采用正交試驗，粉煤灰、生石灰和骨料為3個主要因素，共設置9組試驗，詳細配比見表3，其中，骨料里碎石∶中砂=3∶2，水膠比0.18，無水硫酸鈉摻量0.2%。

表2 無骨料粉煤灰制磚配比 wt.%

表3 含骨料粉煤灰制磚配比 wt.%

2 試驗方法

免燒粉煤灰-骨料磚研制過程主要為：生石灰熟化-加入粉煤灰和石膏混合均勻-加入水泥、骨料、外加劑和水等攪拌均勻-壓制成型-靜停2 h-養護-成品性能測試。

研制的粉煤灰磚尺寸為240 mm×115 mm×53 mm，采用壓力機壓制成型，成型壓力為10 MPa，定荷60 s。磚抗壓強度、抗折強度、吸水率性能依照《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542—2012)進行試驗。

3 結果及討論

3.1 養護方式對粉煤灰磚性能的影響

采用蒸汽(90℃)養護和標準養護(20±2℃，RH≥95%)兩種方式對磚進行養護，分別測量其3 d、7 d、28 d抗壓強度。其中，蒸汽養護時，所有試件在蒸汽養護箱中養護3 d后放進標準養護室繼續養護至相應齡期。養護方式對粉煤灰磚抗壓強度及吸水率的影響結果見表4。

表4 蒸汽養護和標準養護對磚的抗壓強度及吸水率的影響實驗結果

從表4中可以發現，同種養護條件下，抗壓強度隨吸水率的增加而降低，蒸汽養護的粉煤灰磚吸水率低于標準養護，這主要是因為蒸汽養護加速了水化反應，生成了更多的水化產物，在一定程度上改善了孔結構，使磚內聯通孔減少，封閉孔增加，使吸水率降低。值得注意的是，養護方式對磚抗壓強度影響十分明顯，蒸汽養護可以使磚強度快速增加，W1和W2組的28 d抗壓強度均超過15 MPa，達到MU15磚的強度要求；而同齡期的標準養護的抗壓強度約為蒸汽養護的1/3，且標準養護28 d抗壓強度僅有5.8 MPa，沒有達到MU10的標準。需注意的是，粉煤灰磚經過標準養護7 d和28 d的抗壓強度相對于3 d強度僅增長了不到3 MPa，說明標準養護不能快速有效提高磚的強度，這主要是由于在濕熱環境中，特別是溫度較高時，粉煤灰中活性成分(SiO2和Al2O3)與石灰中的Ca(OH)2反應速率加快，促進了水化硅酸鈣等水化產物的生成，且高溫還有利于水化硅酸鈣結晶，也在一定程度上提高了強度。因此，粉煤灰磚采用蒸汽養護更利于工廠進行規模化生產。

3.2 蒸汽養護時間對磚抗壓強度和吸水率的影響

為確定蒸汽養護(90℃)時間對粉煤灰磚抗壓強度的影響，實驗設置了蒸汽養護時間分別為8 h、12 h、24 h、36 h、48 h、72 h、144 h，實驗結果見圖1。由圖1柱狀圖可以發現，隨著蒸汽養護時間的延長，粉煤灰磚的抗壓強度不斷增加，養護24 h時強度可超過10 MPa，48 h后可超過15 MPa，主要是因為磚內生成的水化產物不斷增加，延長養護時間可以在一定程度上加速強度的發展[9]。另外，隨著養護時間的延長，磚的吸水率呈下降趨勢，但在48 h后，吸水率不再下降，這可能是由于隨著蒸汽養護時間的增加，磚內孔結構不斷改善，但在48 h后孔結構逐漸趨于穩定。因此，考慮磚的強度增長速率及蒸汽養護成本，分析認為對粉煤灰磚合理進行蒸汽養護的養護時間是48 h。

圖1 蒸汽養護時間對粉煤灰磚抗壓強度和吸水率的影響

3.3 粉煤灰-骨料磚配比優化

在粉煤灰磚中加入骨料可有效降低成本，有利于推廣應用，但對強度影響較大。表5匯總了考慮粉煤灰、生石灰和骨料3個主要因素對抗壓強度和抗折強度的影響結果，其中，磚養護過程為蒸汽養護48 h后標準養護至規定齡期。從結果可知，粉煤灰-骨料磚28 d抗壓強度均大于10 MPa、抗折強度均大于2.5 MPa，可達到《蒸壓粉煤灰磚》(JC/T 239—2014)MU10強度要求。

以28 d抗壓強度為目標進行正交試驗分析，結果表明3個因素對強度的影響顯著性為：粉煤灰>骨料>生石灰。增加或減少粉煤灰、生石灰和骨料用量，抗壓強度也相應變化。因此，綜合分析認為粉煤灰磚最佳配比為粉煤灰∶生石灰∶骨料∶水泥∶石膏=61∶11∶19∶5∶4。

表5 正交實驗結果

4 結 論

1)標準養護條件下，粉煤灰磚抗壓強度發展緩慢，28 d強度不足10 MPa；與標準養護相比，蒸汽養護可使磚的早期強度快速增長，在24～72 h內可獲得較高的抗壓強度。

2)粉煤灰磚在蒸汽養護8～72 h時間內，其抗壓強度不斷增加，在48 h之后，強度增長緩慢，吸水率趨于穩定，在90℃的蒸汽養護條件下，合理的蒸汽養護時間為48 h。

3)摻骨料粉煤灰磚最佳配比為粉煤灰∶生石灰∶骨料∶水泥∶石膏=61∶11∶19∶5∶4，28 d抗壓強度均大于10 MPa，抗折強度均大于2.5 MPa，可達到MU10強度要求。

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