粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊強度影響因素及控制

（1.四川大學制造科學與工程學院， 四川 成都 610065；2.四川大學分析測試中心， 四川 成都 610065）（3.四川（成都）兩院院士咨詢服務中心， 四川 成都 610000；4.瀘州藍安建材有限公司， 四川 瀘州 646000）

0 前言

粉煤灰又稱“飛灰”（fly ash），是燃煤電廠排出的一種工業“廢渣”，被大范圍用于混凝土砌塊中。粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊是以粉煤灰、水泥、石灰、發氣劑、氣泡穩定劑、調節劑等為原料，經細磨、計量配料、攪拌澆注、發氣膨脹、靜停、切割、蒸壓養護、成品加工等工序制成的多孔硅酸鹽制品0。同傳統黏土磚相比，其具有質輕高強、保溫、隔熱、隔音、耐火性能好等特點。該材料雖主要用于框架結構、現澆混凝土砌塊結構建筑的外墻填充、內墻隔斷，但在抗震圈梁構造多層建筑的外墻、保溫隔熱復合墻體等方面也有廣闊的應用前景0。

在粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊的生產應用過程中，磚塊強度一直作為質量的重要考核目標。本文通過對粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊的原材料、生產流程及蒸養制度等方面的綜合分析，闡述了影響粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊強度的因素及控制要點，并介紹了一些新型的強度改善措施。

1 蒸壓加氣混凝土砌塊生產流程及結構

1.1 生產流程

粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊生產流程主要包括兩個部分，即添料混合和蒸養階段，其中蒸養階段又過程主要包括靜停、升溫、恒溫和降溫四個部分。整個生產過程大致如下：（1）將廢料漿和粉煤灰加水混合并進行濕磨；（2）加入磨細的生石灰，之后依次添加水泥、石膏等原料并混合均勻；（3）將準備好的原料轉移到澆注車后澆注到事先準備好的模具內，靜停一段時間后進行切割；（4）將切割好后的混凝土砌塊原胚轉入蒸養室內進行蒸養，蒸養結束后拆模并擺放好成品，其流程如圖1[3]所示：

圖1 蒸壓加氣混凝土砌塊生產流程圖

1.2 蒸壓加氣混凝土砌塊結構及性能

粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊是一種以硅鈣材料為主，摻發氣劑，通過特殊工藝流程制備的內部勻質、輕質的多孔硅酸鹽墻材制品，合格的孔應是類似圓形的封閉孔，在混凝土砌塊中占比達 70%~85%，對磚塊強度有著極大的影響0。按孔徑大小可粗略分為宏觀孔和微觀孔兩類。宏觀孔是在制作時產生的氣體與料漿沖撞而成，孔徑最大在毫米級。在宏觀氣孔內部，存在由各種水化物凝聚或由于水蒸氣和多孔材料的毛細孔而形成的微觀孔，孔徑小于宏觀孔的十分之一。

氣孔的形成過程是發氣劑（常為鋁粉）在堿性料漿環境下反應放出氣體，氣體在料漿內部經吸附、聚集、長大等過程，最后在靜停及蒸養階段，隨著硅鈣鋁的水化產物形成和結晶的完成使料漿稠化，產生一定的強度將氣泡固定，形成穩定的氣孔0。

蒸壓加氣混凝土砌塊按干密度大小可分為 B04、B05、B06、B07級等品種，其體積密度通常在 400～700 kg/m3之間，導熱系數通常為 0.09W/(m·K)～0.17W/(m·K)，其密度等同于實心黏土磚 1/3，普通混凝土砌塊的 1/5，也低于一般輕骨料混凝土砌塊及空心砌塊等制品，具有質輕、保溫隔熱、隔音、耐火性能好、吸水緩慢、耐久性好、可鋸可刨等優點0-。

2 強度影響因素及改善措施

2.1 蒸養流程控制

粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊反應體系屬CaO-SiO2-Al2O3-H2O 體系，其強度主要取決于在反應過程中生成的水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣的含量及分布。蒸養階段是水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣凝膠生成主要時期，不僅關系到制品性能好壞，也與生產效率和能耗有關。根據結構的不同，凝膠可以分為兩類，一類是結構和托貝莫來石相似的 CSH(Ⅰ)，另一類是結構和羥基硅灰石相似的 CSH(Ⅱ)0。因托勃莫來石等產物的大量形成需外界溫度在174.5℃以上且保持一定時間，并要求一定壓力條件0。故蒸養制度應根據所用原材料質量、蒸氣壓力大小、產品所需強度的大小來確定處理工藝，根據蒸氣壓力不同，蒸養時間一般控制在6h～12h。

2.2 原材料控制

2.2.1 物料添加比例

水料比和硅鈣比在生產過程中是兩個重要的參數。水料比指生產中加入的水與干料之間的比例關系。從大量實踐中得出，水料比會影響料漿對氣體阻力，進而影響磚塊反應及氣孔結構。因此，水料比應穩定在較小的范圍內，數值也需要根據具體生產取較低值0。

硅鈣比是原料中元素硅與鈣的比值，對于混凝土砌塊所處的CaO-SiO2-Al2O3-H2O 體系，硅鈣比是一個重要的參數。試驗表明：鈣硅比、水料比等因素都會對抗壓強度產生影響，在鈣硅比為0.75和水料比為0.6時得到的試塊抗壓強度最高0。

2.2.2 粉煤灰

粉煤灰是蒸壓加氣混凝土砌塊的主要組分，其質量占比占整體60%~70%。根據其細度、需水量比、燒失量三個參數，粉煤灰可劃分為Ⅰ粉煤灰、Ⅱ粉煤灰、Ⅲ粉煤灰0。

粉煤灰在混凝土砌塊中是主要的SiO2和Al2O3的提供者，其具有集料和生成膠凝材料的雙重作用。其反應能力主要取決于玻璃體含量、非晶態 SiO2和 Al2O3以及粉煤灰的粒度0、。玻璃體含量越高、粒度越細，物料化學反應活性也越高。可通過物理研磨、化學改性法及機械攪拌加化學改性的方法提高粉煤灰的活性，這是提高粉煤灰泡沫混凝土砌塊早期強度最有效的措施0。

第二個維度是基于對“專業化的實施主體”的理解。Wilensky[7](1964)認為專業化過程有兩個最重要的步驟，第一步是建立培訓學校，提供專業培訓；第二步是成立專業組織，建立規章制度、道德準則等各種結構性制度，劃定清晰的職業道德法則。Abbott[8](1988)則提出了專家與顧客之間“專業知識的非對稱性”關系，這一關系使得社會必須信任專業工作者，認可其專業地位。因此，專業化的實施主體有四個：政府、專業組織、大學與社會。政府頒布相關的法律法規規范專業發展，專業組織維護與鞏固其專業地位，大學和培訓機構提供專業的教育培訓。此外，專業化還需要社會整體環境對其專業地位的認可[9]。

因玻璃體聚合度較高而使得粉煤灰中的 SiO2和 Al2O3表現出較強化學穩定性。Fraay等0通過選擇不同濃度的堿溶液對粉煤灰進行侵蝕的實驗表明，激發粉煤灰的反應活性，需要較強的堿性（＞13.4）。因此，為使磚塊制品具有較好的強度，對粉煤灰的粒度、活性物質含量及環境酸堿度都有相應的要求。

2.2.3 生石灰

生石灰是蒸壓加氣混凝土砌塊不可或缺的組分，其主要化學成分為 CaO，質量百分比占整體10~20%，其作用主要為鋁粉提供發氣條件（堿度及溫度）以及后續反應所需CaO。生石灰中有效CaO是衡量石灰品質的重要指標，一般認為，石灰中有效CaO含量越高越好，含量應大于65%，同時因為石灰中的氧化鎂（MgO）會影響后續石灰消化過程，故需將氧化鎂（MgO）控制在5%以下0、。

生石灰在混合攪拌成型過程中，遇水消解放出大量熱，并生成Ca(OH)2，可使坯體溫度達80℃～90℃，使坯體在靜停硬化過程中得到養護。但若釋放出的熱量過多，又會影響養護的效果，故需加入外加劑（如石膏）來調節石灰的水化放熱速度0。

在生產過程中對生石灰粒度也有一定要求，生石灰粒度對水化產物形成、石灰消化過程體積膨脹等方面都有影響，但需注意過高石灰的細度會加速石灰消化，引起料漿的不穩定。一般認為生石灰最佳細度在 0.080 mm方孔篩篩余量不大于15%。

2.2.4 水泥

水泥是混凝土砌塊中鈣的一個重要來源，其質量占整體比重的10~15%，對混凝土砌塊的稠化凝結成型、提升其強度等方面有極大影響。一般情況下，水泥成分中主要有大約60%的CaO，但是這其中大約只有20%的CaO發生水化反應。

水泥水化時，除了生成大量的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等水化物促進料漿稠化和硬化，保證澆注的穩定性外，還會析出大量的Ca(OH)2。在蒸養條件下，這些游離的Ca(OH)2與含硅材料作用，通過水熱反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，兩種方式產生的水化礦物質同時提高制品強度。文獻0指出，從提高粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊的強度效果來看，采用石灰-水泥混合鈣質體系更為有利。

2.2.5 發氣劑

鋁粉是目前加氣混凝土砌塊行業使用最普遍、最成熟的發氣劑，鋁粉因具有較大表面積在空氣中就會在表面生成一層致密氧化物，在鋁粉進入加氣混凝土砌塊料漿中時，由于水泥和石灰的作用使料漿呈比較強的堿性，水環境下會首先發生如下反應0：

其發氣過程反應為：

反應放出氫氣，產生氣體在具有一定稠化程度的料漿中經吸附、聚集、長大等過程形成均勻細小的氣泡，最終形成輕質的多孔結構。且大量封閉氣孔的存在，極大降低了制品導熱系數，使其具有很好的保溫效果。在生產過程中，鋁粉的添加方式、添加量、發氣反應的控制等都應重視。在物料澆注前半分鐘左右加入鋁粉懸浮液和外加劑，然后澆注入模。

2.2.6 外加劑

生產過程中，為進一步提升蒸壓加氣混凝土砌塊磚性能，添加的外加劑主要有：①分散劑：聚乙烯醇、六偏磷酸鈉、聚丙烯酸鈉等；②表面活性劑：焦磷酸鈉、十二烷基硫酸鈉、三聚磷酸鈉等。分散劑使鋁粉膏均勻分散在料漿中，形成相對穩定的分散或懸浮狀態。表面活性劑協助鋁粉膏形成復合型發泡，降低氣－液界面的表面張力，從而顯著改善制品的氣孔結構0。

石膏，主要成分為CaSO4的水合物，作為一種必要的外加劑進行添加，其質量占整體比重在 1.6%~2.2%。石膏對于蒸壓加氣混凝土砌塊的生產其主要作為調節劑，調節水泥凝結時間、石灰消化速度及料漿穩定性，提高坯體和加氣混凝土砌塊制品強度，降低收縮量，提高強度0。

2.3 新型提升強度方法

混凝土砌塊制品服役環境要求的日益提高對其制品性能也提出了更高的要求。研究者在實驗中通過加入一定量的添加物實現了混凝土砌塊性能的大幅提升，這對優化粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊的性能也具有重要的參考價值。

ZühtüOnurPehlivanl?等0通過往混凝土砌塊中添加聚丙烯、玻璃、陶瓷和碳纖維，實現了對混凝土砌塊抗壓強度性能的極大提升。王淑娟等0在混凝土砌塊中添加碳纖維后，與普通混凝土砌塊相比，其各種力學性能均有顯著改善，通過分析得到碳纖維的體積率為0.2%，長度為15 mm時，提高混凝土砌塊力學性能最佳。

Zhang R等0研究了納米TiO2對水泥基材料的水化、抗壓強度發展及干燥收縮三個過程的影響，結果表明：納米 TiO2能夠加速水泥水化過程和細化孔隙進而提高水泥砂漿的抗壓強度；Baoguo M A等0通過研究納米TiO2對20%和40%（重量）粉煤灰作為水泥部分取代的水泥基材料的物理力學性能的影響表明，加入納米TiO2可加快水泥基材料初凝和終凝，降低流動性，而粉煤灰則相反，且納米 TiO2的添加可顯著增加早期強度，促進水化產物的生成及沉淀，在強度發展的過程中，能加速粉煤灰的早期反應。

Adamu M等0通過往混凝土砌塊中添加納米二氧化硅作為膠凝材料的添加劑，開發了一種可持續性好、抗壓強度高的碾壓混凝土砌塊，結果表明，納米二氧化硅在一定程度上加速了粉煤灰早期的反應，當含量達到1.22%時，對混凝土砌塊的抗壓強度、彈性模量及耐磨性等性能均有改善。

Shaikh F U A等0通過往混凝土砌塊中添加1wt%~4wt%的CaCO3納米顆粒，制備出了具有較高的抗壓強度和較高的抗水滲透性和抗氯離子滲透性的混凝土砌塊。分析表明，當納米CaCO3顆粒的加入量為1 wt%時，混凝土砌塊早期更加致密且孔隙率更低，結合額外形成的硅酸鈣水合物凝膠，極大提升了高摻量粉煤灰混凝土砌塊的早期抗壓強度和耐久性能。

基于此，可往混凝土砌塊中添加一定量的纖維及納米氧化物顆粒以達到提升磚塊的性能，通過調整相應的物料比例，生產出密度更低、強度更好且具有可持續性發展性能的制品，拓寬其使用范圍。

3 展望

粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊砌塊的生產和應用在我國已有多年歷史，生產和應用技術已趨于成熟，為節約成本和提升產品的市場競爭力，生產輕質高強的粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊仍然是實驗研究及實際生產的發展方向，開發新型、環保并具有可持續發展性的制備工藝是下一步的發展需求。利用纖維和納米顆粒摻雜來提升砌塊的性能的方法，為制品性能的優化提供了一個重要的研究方向。

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