低品質(zhì)粉煤灰制備蒸養(yǎng)加氣混凝土試驗(yàn)研究

孫鑫蕊，王學(xué)志，董錦坤，賀晶晶

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710000）

粉煤灰是熱電廠燃煤產(chǎn)生的固體廢棄物，根據(jù)其細(xì)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(chǎn)量大且分布不均，綜合利用不夠。據(jù)統(tǒng)計(jì)，粉煤灰在世界范圍內(nèi)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(zhì)聚合物以及制備微晶玻璃等[1]。在建筑行業(yè)，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(yàn)對采用低品質(zhì)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(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度為表征，探究低品質(zhì)粉煤灰蒸養(yǎng)加氣混凝土的性能。粉煤灰作為一種工業(yè)固體廢棄物，在建筑行業(yè)主要用于混凝土摻合料、生產(chǎn)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(shè)計(jì)、各方面性能及水化機(jī)理等[5-6]。孫福凱[7]采用物理和化學(xué)方法對低品質(zhì)粉煤灰的活性進(jìn)行激發(fā)，試驗(yàn)表明，物理球磨及摻加化學(xué)激發(fā)劑均能使粉煤灰活性提高；楊冬升等[8]利用正交實(shí)驗(yàn)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(yōu)；Kapustin 等[9]通過研究得出粉煤灰摻量為水泥質(zhì)量的10%可增加混凝土早期強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后的強(qiáng)度，而摻入25%會降低其抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)電性，增大收縮率。

以錦州熱電廠排放的低品質(zhì)粉煤灰為主要原材料做實(shí)驗(yàn)，采用高溫高濕養(yǎng)護(hù)工藝，探究低品質(zhì)粉煤灰蒸養(yǎng)加氣混凝土的最優(yōu)配合比及各性能。

1 試驗(yàn)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(chǎn)的渤海牌P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥，3 d 抗壓強(qiáng)度17.0 MPa，抗折強(qiáng)度3.5 MPa ；28 d 抗壓強(qiáng)度42.5 MPa，抗折強(qiáng)度6.5 MPa。（2）粉煤灰：遼寧錦州熱電廠生產(chǎn)的固體廢棄物粉煤灰，主要成分為活性SiO2和Al2O3，化學(xué)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(huán)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(xué)成分見表1。（5）鋁粉：取自天津市大茂化學(xué)試劑廠，活性鋁含量≥95%。

表1 粉煤灰、石膏化學(xué)成分（%）

1.2 外加劑的選取

（1）穩(wěn)泡劑：十二烷基硫酸鈉（C12H25NaO4S），取自無錫市亞太聯(lián)合化工有限公司，月桂醇針狀。（2）早強(qiáng)劑：①無水硫酸鈉（Na2SO4），工業(yè)級。②三乙醇胺（C6H15NO3），有機(jī)物類早強(qiáng)劑，取自無錫市亞太聯(lián)合化工有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

蒸養(yǎng)粉煤灰加氣混凝土試件干密度、含水率、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均參照GB 11968-2020《蒸壓加氣混凝土砌塊標(biāo)準(zhǔn)》及GB/T 11969-2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試件尺寸均采取100 mm×100 mm×100 mm，為標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，每組均設(shè)置3 個試件。試驗(yàn)采取4 種不同配合比，探究高溫高濕的蒸養(yǎng)養(yǎng)護(hù)方式（養(yǎng)護(hù)溫度80～95℃，養(yǎng)護(hù)濕度95%）下低品質(zhì)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(jì)算：

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

加氣混凝土質(zhì)量含水率計(jì)算：

式中：Ws——質(zhì)量含水率，用百分?jǐn)?shù)（%）表示；M——試件烘干前質(zhì)量（g）。

加氣混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算：

式中：fcc——試件抗壓強(qiáng)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(qiáng)度計(jì)算：

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

2 試驗(yàn)結(jié)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(yǎng)粉煤灰加氣混凝土制品。當(dāng)?shù)推焚|(zhì)粉煤灰摻量為47%時抗壓強(qiáng)度為5.06 MPa；當(dāng)摻量增大到61%時抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到5.98MPa；隨著粉煤灰摻量繼續(xù)增加達(dá)到67%時，抗壓強(qiáng)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(nèi)隨著粉煤灰摻量增加干密度不斷增大，而抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)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?yàn)楦擅芏仍黾訒r，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(qiáng)度基本與抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)。

表2 加氣混凝土原材料配比

2.1 破壞形態(tài)

加氣混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞形態(tài)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(yàn)均表明，試件的端部效應(yīng)與加載點(diǎn)位置都是粉煤灰加氣混凝土破壞形態(tài)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(tài)大致相同。

圖1 蒸養(yǎng)粉煤灰加氣混凝土立方體抗壓試驗(yàn)破壞形態(tài)

2.2 干密度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

參照GB 11968-2020《蒸壓加氣混凝土砌塊標(biāo)準(zhǔn)》，干密度表征加氣混凝土的質(zhì)量體積比，抗壓強(qiáng)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(biāo)。為了得出干密度ρ與抗壓強(qiáng)度fcc間的關(guān)系，建立干密度與抗壓強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，結(jié)果見表3。

由表3 可知，隨著干密度的增加，抗壓強(qiáng)度與干密度的轉(zhuǎn)換系數(shù)逐漸增大，抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度與干密度大致呈正相關(guān)。原因是當(dāng)試件體積相同時干密度越大、結(jié)構(gòu)越緊密，加氣混凝土中孔隙率變小，強(qiáng)度增大。但當(dāng)粉煤灰摻量過大達(dá)到67%時，抗壓強(qiáng)度又會有一定程度的降低，考慮原因?yàn)楫?dāng)?shù)推焚|(zhì)粉煤灰摻量過大時試件膠結(jié)力減小，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度減小。

表3 干密度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

2.3 抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

參照GB 11968-2020《蒸壓加氣混凝土砌塊標(biāo)準(zhǔn)》，由于劈裂抗拉強(qiáng)度在實(shí)際試驗(yàn)過程中裝置較為復(fù)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(zhǔn)確的加氣混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，探究抗壓強(qiáng)度fc與劈裂抗拉強(qiáng)度ft間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，結(jié)果見表4。

表4 抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)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(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度存在一定的比例關(guān)系，故在工程實(shí)踐中，可根據(jù)加氣混凝土抗壓強(qiáng)度換算劈裂抗拉強(qiáng)度。

2.4 機(jī)理分析

試驗(yàn)研究表明，加氣混凝土的干密度和抗壓強(qiáng)度等性能與原材料的種類及摻量等都存在一定關(guān)系，呈多元線性變化趨勢。加氣混凝土發(fā)氣的主要機(jī)理是鋁粉與原材料中的Ca（OH）2反應(yīng)生成H2，從而產(chǎn)生大量氣泡，而后氫氣蒸發(fā)，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(yīng)機(jī)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(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，干密度與抗壓強(qiáng)度均上升；當(dāng)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(qiáng)度則小幅度降低。考慮粉煤灰活性不足且膠結(jié)力較差，當(dāng)摻量過大時，反而會影響加氣混凝土的性能。粉煤灰早期強(qiáng)度較低，后期才形成較高的強(qiáng)度，因此加氣混凝土早期強(qiáng)度主要受水泥用量影響，適量的水泥摻量是發(fā)生水化反應(yīng)且產(chǎn)生強(qiáng)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(yè)中，主要應(yīng)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(chǎn)生強(qiáng)度，并逐漸發(fā)展為堅(jiān)硬的固體，在加氣混凝土制備過程中，石膏可以調(diào)節(jié)水化反應(yīng)，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(fā)氣，以此提高試件強(qiáng)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(huán)境，加速水泥等膠凝材料的水化過程；粉煤灰的強(qiáng)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(zhì)的生成主要集中在蒸養(yǎng)階段，因此，選擇合適的養(yǎng)護(hù)方式直接關(guān)系到制品性能的好壞。目前企業(yè)應(yīng)用較多的養(yǎng)護(hù)方式為蒸壓養(yǎng)護(hù)，但蒸壓養(yǎng)護(hù)需要在蒸壓釜中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)成型，設(shè)備價格昂貴，產(chǎn)能巨大，極大程度上增加了加氣混凝土的生產(chǎn)成本，并且無法進(jìn)行現(xiàn)場澆筑，限制了其使用范圍。相比蒸壓加氣混凝土，蒸養(yǎng)加氣混凝土采用常壓養(yǎng)護(hù)，大大降低了成本，釋放了產(chǎn)能，且能夠在施工現(xiàn)場制備并經(jīng)過養(yǎng)護(hù)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(lǐng)域中。不同于蒸壓養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)采取的高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)方式極大地降低了生產(chǎn)成本。從工業(yè)角度看，過長的養(yǎng)護(hù)期會降低產(chǎn)量，因此，選擇一個既滿足規(guī)范要求強(qiáng)度又不影響產(chǎn)量的合適養(yǎng)護(hù)期限尤為重要。

在加氣混凝土的制備過程中，料漿發(fā)生水化反應(yīng)，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(jīng)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(jìn)一步與石膏反應(yīng)生成鈣礬石。石灰遇水生成OH-，為料漿提供堿性環(huán)境，加速水化反應(yīng)的進(jìn)行。在OH-離子力的作用下，鋁氧和硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層被破壞，Al-O 和Si-O 化學(xué)鍵斷裂，玻璃體結(jié)構(gòu)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(huán)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(jié)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(nèi)部擴(kuò)散，料漿PH 值逐漸降低。隨后，料漿中的單聚物通過縮聚反應(yīng)形成硅酸鹽和硅鋁酸鹽凝膠，并隨著養(yǎng)護(hù)時間的增長逐步轉(zhuǎn)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(yǎng)護(hù)條件下，這一過程被進(jìn)一步加速，在短時間內(nèi)制備出加氣混凝土。

加氣混凝土各項(xiàng)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(yīng)只關(guān)注某項(xiàng)因素的作用。協(xié)同設(shè)計(jì)、施工等才能制備出性能更優(yōu)的加氣混凝土。

3 結(jié)論

①在適宜的配合比下，低品質(zhì)粉煤灰也能制備出性能合格的蒸養(yǎng)加氣混凝土。當(dāng)粉煤灰摻量為61%時，抗壓強(qiáng)度最高，為5.98 MPa。②干密度與抗壓強(qiáng)度有較好相關(guān)性，一般干密度越大、抗壓強(qiáng)度越高，但受材料本身性質(zhì)影響，當(dāng)粉煤灰摻量超過一定比例（達(dá)67%）時，抗壓強(qiáng)度有一定程度下降。③抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度有很好的相關(guān)性，劈裂抗拉強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度增大而增加，試驗(yàn)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(fā)展中，應(yīng)注重固體廢棄物應(yīng)用及自身性能優(yōu)化，不斷改進(jìn)，制備出更加優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)的加氣混凝土。另外要了解加氣混凝土的水化產(chǎn)物組成及機(jī)理，及時探究加氣混凝土的結(jié)構(gòu)及各性能，增加孔結(jié)構(gòu)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(yīng)用到實(shí)際。