粉煤灰/廢磚粉制備多孔建筑材料的技術要點探究

作者簡介：姜量（1983-），男，工程師。研究方向為建設工程施工技術與管理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.025

摘? 要：粉煤灰/廢磚粉可以作為原材料生產多孔建筑材料，其性能有待進一步研究。該文以粉煤灰為材料，以鋼渣廢磚粉為協同材料，以多孔外墻建材為生產方向，采取文獻梳理、建材生產實踐的方法，逐一梳理粉煤灰用于多孔建材生產的技術要點。通過研究發現，燒制溫度取1 205 ℃，最佳值是1 218 ℃；恒溫保持時間的最佳值為12.5 min；SiC用量最佳值為0.78 wt.%；鋼渣協同生產的最佳占比為5 wt.%。實驗結果顯示，粉煤灰可用于多孔建筑材料的生產，在燒制溫度、恒溫時間、SiC與鋼渣用量各個方面，分別給出的生產方案，能夠有效控制多孔外墻建材的表觀密度p值，使其不超過1 g/cm3，符合多孔外墻建材的生產規范。

關鍵詞：粉煤灰；多孔外墻建材；發泡劑；鋼渣；SiC；燒制溫度

中圖分類號：TU50? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）15-0112-04

Abstract： Fly ash / waste brick powder can be used as raw materials to produce porous building materials， and its properties need to be further studied. This paper takes fly ash as material， steel slag waste brick powder as cooperative material， porous exterior wall building materials as production direction， and adopts the methods of literature review and building materials production practice to sort out the technical key points of fly ash used in porous building materials production one by one. Through the study， it is found that the firing temperature is 1 205 ℃， the best value is 1 218 ℃， the best holding time is 12.5 min， the best sic dosage is 0.78 wt.%， and the best proportion of steel slag co-production is 5 wt.%. The experimental results show that fly ash can be used in the production of porous building materials. In the aspects of firing temperature， constant temperature time， the amount of SiC and steel slag， the production scheme can effectively control the apparent density p value of porous exterior wall building materials， so that it does not exceed 1 g/cm3， which accords with the production standards of porous exterior wall building materials.

Keywords： fly ash; porous exterior wall building materials; foaming agent; steel slag; SiC; firing temperature

國家統計局給出的報告明確指出：2010—2020年，城鎮化提高了城區建筑規模的增長速度，使其保持在3%～5%。發展至2020年，國內建筑業房屋施工面積為149.5億m2。與此同時，國內建筑單位整理的碳排放量增速約為6.385/a。2020年全國范圍內建筑項目正式運行期間產生的能耗，在全國能耗總數中占比15.5%。為此，建筑行業需關注原材料的生產方式，以期控制建筑項目能耗問題。

1? 多孔外墻建材的生產方法

1.1? 原材料

粉煤灰材料放置在烘箱內，溫度調整為105 ℃，烘干時間設定為24 h，使其處于固定狀態。烘干處理完成，使用80目篩網進行處理，保證參與生產的粉煤灰顆粒大小均勻。鋼渣材料，選擇區域內建筑廢料，將其制成廢磚粉，對其進行烘干處理。生產使用的其他材料有4種：一是SiC粉末，二是MgO粉末，三是無水碳酸鈉，四是冰醋酸。

1.2? 生產設施

生產使用的儀器較多，具體見表1。

表1? 多孔外墻建材生產設施清單

其中，最為關鍵的設施是箱式爐，其運行溫度介于800～1 600 ℃。溫度調整的精確性不超過1℃，溫度調控精確程度較高。

1.3? 生產方法

使用80目篩網進行過濾，處理粉煤灰材料，去除其中顆粒規格較大的情況。過濾完成，將粉煤灰劃分成若干份，每份材料內添加的SiC用量具有一定差異性，再添加不同用量的助溶劑、鋼渣廢磚粉。各類材料添加完成，運行球磨機，進行為期2 h的充分混合處理。球磨機處理完成，將混合物添加在高溫爐內，從燒制溫度、恒溫時間2個因素入手，分析各類條件下的多孔外墻建材性能[1]。

多孔外墻建材的生產方案，見表2。

表2 多孔外墻建材的生產方案

2? 粉煤灰生產分析

2.1? 物料分析

粉煤灰。觀察粉煤灰材料的微觀情況時，其材料組成中含有較多的球形顆粒，各類顆粒之間的粘連性較強，顆粒直徑大小分布在0.5～20 μm。使用X射線分析法，準確分析粉煤灰成分組成情況，測定結果見表3。

表3? 粉煤灰成分組成? ? ? wt.%

SiC。在觀察SiC材料的微觀形態時，確定此材料粒徑規格處于50～100 μm，形狀具有不規律性，材料表面平滑性顯著。SiC與氧氣相互作用，會形成一種薄膜。

2.2? 各級燒制溫度與氣孔形成的關系

靜態氣體與無機固體2種材料，進行傳熱能力對比時，固體材料性能更強。處于密閉狀態的氣孔，能夠有效控制氣體對流形成的熱量損失，使建材擁有一定的導熱能力。在實踐生產中，SiC的用量取固定值0.19 wt.%，適當調整燒制溫度，以此分析燒制溫度對多孔外墻建材性能產生的作用[2]。MgO、Na2CO3的生產參數均為6 wt.%。溫度條件依照表2的4個溫度進行設計。生產情況，見表4。

表4 各級燒制溫度與氣孔形成的關系

各類用料使用量均取固定值，設計4組燒制溫度條件。當溫度升高時，氣孔數量逐漸增多，氣孔規格逐步增大，氣密率從不達標發展至完全達標。在實際制備多孔外墻建材時，應盡量升高溫度，使其不低于1 205 ℃。在生產條件允許的情況下，溫度可選擇1 218 ℃，以期獲取性能更好的多孔建材。燒制溫度為1 205 ℃時，測定材料氣孔的表觀密度p為0.646 g/cm3。燒制溫度增加至1 218 ℃后，p至降至0.267 g/cm3。2個結果均小于1 g/cm3，符合外墻保溫建材的生產要求。

2.3? 各級保溫時長與氣孔形成的關系

設計燒制溫度為1 205 ℃，SiC用量為0.19 wt.%，其他材料（MgO與Na2CO3）用量不變，設計多組保溫時間，分析保溫時間對建材氣孔形成產生的作用。保溫時間依照表2的4組恒溫保持時間進行設計，生產情況見表5。

表5? 恒溫保持時間與氣孔形成之間的關系

生產實踐中，保溫5 min時，氣孔尚未形成，材料各處的氣孔數量較小、氣孔規格不大。在保溫10 min時，氣孔處于增大狀態，整體氣孔形成效果，尚未達到生產要求。恒溫保持時間增加至15 min時，氣孔變大，超出了預期氣孔規格的要求。繼續進行保溫時，建材表面的氣孔會繼續增大，直至氣孔消失。為此，恒溫保持時間應控制在10～15 min，取中間值為12.5 min。

2.4? 各種SiC用量與氣孔形成的關系

其他條件不變，調整SiC用量，依照表2的4組參數進行設計，氣孔形成情況如圖1所示，SiC用量與氣孔形成的關系，見表6。

注：圖（a）表示添加的SiC用量為0.19 wt.%，圖（b）對應的SiC用量為0.48 wt.%，圖（c）對應的SiC用量為0.78 wt.%，圖（d）使用的SiC添加量為1.0 wt.%。

圖1? 氣孔形成情況

表6? SiC用量與氣孔形成的關系

在實踐中，SiC用量為0.19 wt.%時，整體氣孔形成效果最佳，符合多孔外墻建材的氣孔生產要求。在SiC用量增加時，氣孔形成規格會逐漸變大，相應降低氣密率，間接干擾多孔外墻建材性能。為此，SiC用量的參數可在0.48 wt.%與0.78 wt.%之間進行選擇[3]。

在SiC用量從0.19 wt.%向0.48 wt.%的增加過程中，樣品抗壓性減小幅度最大，相應增大了材料氣孔直徑。SiC用量0.19 wt.%時，對應的樣品強度為4.8 MPa；SiC用量0.48 wt.%時，樣品強度為1.5 MPa；SiC用量0.78 wt.%時，樣品強度為0.8 MPa；SiC用量1.0 wt.%時，樣品強度為0.5 MPa。由此得出，SiC的添加量增加時，會在一定程度上降低樣品強度。在SiC用量為0.19 wt.%時，樣品氣孔尺寸最小，對應其表觀密度最大。在SiC用量增多時，會引起樣品導熱能力逐漸降低，導熱系數的4組測值：0.19，0185，0.16 ，0.05 W/m·k。產生導熱性持續降低的現象，主要是氣孔變大時，會有更多熱量散出，無法保持熱量的存儲效果。

3? 鋼渣與粉煤灰共同用于生產多孔外墻建材的實踐分析

3.1? 鋼渣廢磚粉的性能分析

在建筑施工期間，會使用一定數量的鋼材料、廢棄材料的鋼磚，將其制成廢磚粉，用在多孔外墻建材的生產方案中。選擇各類廢磚粉以Fe2O3為主要成分進行生產分析。使用X射線分析形式，分析廢磚粉內的Fe2O3含量。經實踐測定發現，在各類鋼渣中廢磚粉內部的Fe2O3含量介于36.85%～71.12%。

3.2? 鋼渣用量與氣孔形成的關系

添加鋼渣時，采取0、5 wt.%、10 wt.% 3種參數的設計方法，以此對比鋼渣用量與多孔形成之間的關系。使用上述實踐分析確定的生產參數，針對SiC 4種用量方案，分別使用3種鋼渣用量方案，對比氣孔形成情況。鋼渣微觀圖像如圖2所示。

生產實踐結果，見表7。

各組生產圖像，如圖3所示。

當SiC用量逐漸增多時，鋼渣添加量為0時，多孔材料的p值從1.4 g/cm3降至0.26 g/cm3后，再次增長至0.51 g/cm3。當SiC用量為0.78 wt.%時，出現了p的最小值。添加鋼渣后，5 wt.%相比10 wt.%的作用力較小，初期會增加p值，最大值達到1.78 g/cm3，后續對于p的降低具有一定抑制性，會適當增加多孔建材的p值。在整體p值變化過程中，0.78 wt.%的SiC用量，對應的p值較小。為此，無論是否使用鋼渣進行聯合生產，SiC最佳用量均取0.78 wt.%。而鋼渣添加量應適當控制，以5 wt.%為最佳參數[4]。

注：5 wt.%的情況下，圖（a）對應的是“SiC：0.19 wt.%”，圖（b）對應的是“SiC：0.48 wt.%”，圖（c）對應的是“SiC：0.78 wt.%”，圖（d）對應的是“SiC：1 wt.%”。

圖3? 各組生產圖像

4? 其他因素分析

以樣品管理為視角，分析多孔建材的生產要點。依照TCLP方法，全面分析保溫建材性能。制備的樣品浸取液體，其酸堿值為2.88。添加的醋酸容量為5.7 mL，混合的去離子水容量為1 L。對被測樣品進行細磨處理，使其能夠通過100目篩網。依照液體20 mL混合1 g固體的方法，進行樣品配制。在室溫水浴條件下，持續振蕩0.75 d。振蕩結束添加過濾膜，提取其清液，測定其成分。測定結果，見表8。

表8? 多孔建材樣品測定結果

結合表8結果可知，多孔建材生產期間，可使用鋼渣，不會對成品質量產生較大的干擾。為此，使用鋼渣進行聯合生產，所得的多孔建材符合安全生產的要求。

5? 結論

1）確定多孔外墻建材的生產任務后，明確了需要的生產材料，具體包括粉煤灰、鋼渣等，編寫了生產所需的儀器清單。制定了可行的生產方案，相應給出了各類生產條件的參數方案，嘗試從中找出最佳的生產方案。

2）粉煤灰生產分析中，燒制溫度應為1 205 ℃，有充足資金條件可設計1 218 ℃。恒溫保持的最佳時間取12.5 min。SiC用量可選擇0.48 wt.%與0.78 wt.%

2組參數。

3）鋼渣協同生產分析中，最終確定SiC用量為0.78 wt.%，鋼渣用量為5 wt.%。

參考文獻：

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[3] 任達.水淬渣多孔建筑材料制備及其性能實驗研究[D].包頭：內蒙古科技大學，2021.

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