制备免烧结高性能蒸压粉煤灰砖机理研究

侯喜锋，王 东，孙坚强

（1.中国地质大学(北京)材料科学与工程学院，北京 100083；2.安徽建鑫新型墙体材料科技有限公司，安徽 铜陵 244100）

我国作为世界主要产煤和耗煤大国，煤炭在未来相当长的一段时间内仍为各能源行业的主要需求，在一次能源中已探明煤炭资源占总资源量的90%。尽管我国一直在致力于深入发展水电、核电、风电等清洁能源，但是火力发电作为传统模式仍占主导地位。粉煤灰作为工业发电厂的废渣，其排放量逐年递增。据统计，2009年全国粉煤灰排放量近4亿t，累计堆存的粉煤灰超过50亿t，然而我国每年利用在建筑材料上的粉煤灰约占20%[1]。粉煤灰的大量排放和堆积不仅占用大量耕地，也给自然环境带来巨大的危害，直接影响到自然生态环境和人类的生活质量，甚至给人类的生命、财产安全埋下一定程度的隐患。解决这一问题需花费大量资金去实施安全管理和维护。为此，如何大量消耗掉粉煤灰，使其变废为宝，成为环境友好型、能源节约型的新型建筑材料是国家亟需完成的重大课题，并以此形成示范效应，为尾矿等其他大宗固体废弃物树立良好的应用示范线。目前，国内外对粉煤灰的研究有很多，涉及合成多孔材料[1-2]、耐火材料[3-4]、高温陶瓷[5]、矿物肥料[6]等。

蒸压粉煤灰砖是我国已经使用并仍在大力发展的一种多功能环保型建筑材料，相比传统粘土砖具有轻质、保温、隔热、抗震防火、施工便捷等工艺优势，也是一种利费、节土的环境友好型、能源节约型的新型墙体材料。

本文以粉煤灰为研究对象，探讨了不同比例的粉煤灰对蒸压粉煤灰砖物理性能的影响，并结合年产2亿块标砖的生产线实际，以高效综合利用粉煤灰等大宗固体废弃物资源为导向，大量生产建筑民用高性能蒸压粉煤灰砖为目标，拓宽其市场应用范围，为尾矿的综合高效开发利用树立典范。

1 原料

粉煤灰来自安徽铜陵市某发电厂；磷石膏来自安徽铜陵市某钛白粉厂；325型号普通硅酸盐水泥来自安徽铜陵市绿林水泥厂；木质素磺酸钙来自天津市。采用粉煤灰15%～25%，炉渣20%～40%，淤沙20%～40%，石粉5%～10%；激发剂水泥6%～15%，缓凝剂磷石膏2%～5%，分散剂木质素磺酸钙0.1%～0.3%作为基础原料。粉煤灰及炉渣原料所含元素见表1。

表1 粉煤灰及炉渣原料全元素分析(%)

如表1所示，粉煤灰与炉渣中的SiO2的含量均超过55%，并在原料中添加淤沙、石粉作为骨料提供硅源和钙源，为此满足蒸压粉煤灰砖的硅钙比，该工艺可以消耗大量的固体废弃物。此外，原料中添加了水泥起到了预先水化促使砖坯体具有一定的强度；磷石膏起到缓凝的作用，防止水泥在自动化设备中快速凝结，导致塞堵设备；分散剂木质素磺酸钙一方面提供钙源，一方面作为表面活性剂有利于原料的分散，提高水泥水化后物相的强度，与此同时其纤维状结构对蒸压粉煤灰砖的整体强度具有极大地强化作用。

2 工艺流程

将粉煤灰、炉渣、淤沙、石粉、激发剂、缓凝剂、分散剂，通过PLC系统混合、搅拌、研磨，制备成均匀的混合料，其粒度45μm为20%～25%，80μm为26%～30%，含水率为8%～10%；将预制均匀的混合料通过PLC系统输送到蒸压砖自动液压机料斗，在20MPa的压力下，压制5～10s，压砖速度64～128块/min；将混合料静态压制成型，获得砖坯体，采用码垛机将砖坯体整齐地放置在进蒸压釜的小车上，等待进入蒸压釜进行蒸压处理；此过程不需养护或静养，通过摆渡车和输送轨道直接输送到蒸压釜中；蒸压温度180℃，压力0.8～1.2MPa，蒸压釜中饱和蒸汽压恒温、恒压8～12h，出釜。每批次1万块。

3 表征

采用日本日立电子显微镜公司的S-3500N扫描电子显微镜对蒸压粉煤灰砖的微观形貌进行了分析；采用日本理学公司生产的D/MAX2000型X射线粉末衍射仪对蒸压粉煤灰砖进行了物相分析；采用日本岛津制作所生产的XRF-1800型X射线荧光光谱仪对粉煤灰和炉渣进行了全元素分析；采用无锡市锡仪建材仪器厂生产的WAY-300型电液式压力试压机对蒸压粉煤灰砖的抗压和抗折性能进行了研究，按照JC239-2001标准要求进行。

4 结果与讨论

4.1 原料对蒸压粉煤灰砖性能的影响

表2、表3分别为蒸压粉煤灰的配方及物理性能，如表2所示，给出了4组蒸压粉煤灰砖的配方，与之对应的表3给出了每组配方所合成制品的物理性能。综合分析，4组配方所制备的蒸压粉煤灰砖的抗压强度、抗折强度、冻后抗压强度、冻后质量损失均满足JC239-2001粉煤灰砖[7]优等品的要求。其中S2配方所合成的制品的各项物理性能均优于S1、S3和S4，分析认为，S2配方中的激发剂水泥和分散剂木质素磺酸钙含量相对较多，一方面两种原料提供了钙源，另一方面作为分散剂的木质素磺酸钙能够有效的将物料分散均匀，并在反应形成物相中提高水泥和蒸压砖自身的强度；此外，木质素磺酸钙自身纤维状的结构也在砖结构中起到了增韧作用，为此蒸压粉煤灰砖的抗压强度、抗折强度均得到了大大地提高。

表2 蒸压粉煤灰砖的配方(%)

表3 蒸压粉煤灰砖的物理性能

综上分析，优化的配方为S2配方。在实际生产中，每次配料约25t，每批次生产蒸压粉煤灰砖1万块，以此验证生产线中的可行性。

4.2 SEM与EDS分析

粉煤灰原料的微观结构见图1。图1(a)显示了粉煤灰中存在大量的氧化硅球，大小不一，其中最大直径约10μm，最小的直径约2μm，为此粉煤灰原料中的氧化硅球不仅提供了优质的硅源，而且氧化硅球本身具有极高的化学反应活性。如图1(b)所示，此氧化硅球表面光滑，由此以其表面为基体，极容易生长晶体。图1(c)为图1(b)氧化硅球EDS能谱，发现有Si、Al、Fe、O等元素，其中Fe2O3的存在还将促进氧化硅球的快速反应。

图1 粉煤灰原料的微观结构

4组不同配方(S1、S2、S3和S4)合成的蒸压粉煤灰砖的微观结构照片和EDS能谱照片见图2。EDS能谱显示，4组蒸压粉煤灰砖中均含有Si、Al、Ca、O元素，为此有效的生成了矿物水化物，使蒸压粉煤灰砖具有高强度。对比4组照片发现，S1制品为板片状结构，其结构排列相对紧密，并且径厚比较大，因此使蒸压粉煤灰砖具有抗压强度25.0MPa，抗折强度5.0MPa，冻后抗压强度20.0MPa，冻后质量损失0.8%，吸水率8%的优越性能；S2制品为纤维结构，其结构均为针状，发散状，针尖的宽度约100nm，相当于晶须一般，图中发现晶须生长过程中有弯曲现象，由此说明针尖位置为晶须生长的驱动力发源地。晶须根部为氧化硅球，即氧化硅球提供晶须生长的营养来源。从S2制品的物理属性判断，其使用性能在4组中为最佳，其抗压强度25.5MPa，抗折强度5.1MPa，冻后抗压强度20.5MPa，冻后质量损失0.8%，吸水率9%。分析认为，晶须的大量生成，起到了一定的增韧效果，促使蒸压粉煤灰砖的强度得到显著提高。但因其针状结构，气孔度提高，因此吸水率也升高，这与理论是相符的；S3制品中存在直径约10μm的“大铁球”，由横七竖八的“铁棍”“焊接”而成，表面附着着一些零散的圆形颗粒为氧化硅球。EDS分析认为，Fe元素在物料中起到了催化作用，因此形成了该独特结构，从而使S3制品也具有较高的物理强度；S4制品中，多个的氧化硅球聚集在一起，表面生长大量纤维状物质，与S3不同的是这些纤维状物质平铺附着在氧化硅球表面，起不到一定的增韧作用，因此其物理性能受到一定的影响，其抗压强度24.3MPa，抗折强度4.8MPa，冻后抗压强度18.2MPa，冻后质量损失0.9%，吸水率10%。

图2 不同配方制品的SEM照片及其对应的EDS能谱照片

5 结论

本文通过以煤灰、炉渣、淤沙、石粉、激发剂、缓凝剂、分散剂为原料，制备高性能蒸压粉煤灰砖，探索了不同原料添加量对制品物理性能的影响，研究4组不同配方对制品性能的影响，优化了工艺条件，并通过生产线分别进行了每批次1万块蒸压粉煤灰砖的试生产。探讨了反应机理、反应条件以及微观结构，得出以下结论：

(1)优化的配方中，S2制品的抗压强度为25.5 MPa，抗折强度为5.1MPa，容重1650～1700kg/m3，冻后抗压强度20.5MPa，冻后质量损失0.8%，吸水率9.0%，相当于JC239-2001粉煤灰砖[7]标准中的优等品。

(2)分散剂木质素磺酸钙的添加有效地增强了制品的相关物理性能。

(3)按照S2配方生产，大量的针状、纤维状水化物物相对蒸压粉煤灰砖起到了增韧、强化的作用。

(4)从蒸压粉煤灰砖的使用性能分析，因其较高的物理强度，使该砖不仅可以替代传统粘土砖用于建筑，也可替代铺马路用的“面包砖”，效果更加显著，成本更加低廉。

[1]WANG C F,LI J S,WANG L J,et al.Influence of NaOH concentrations on synthesis of pure-form zeolite A from fly ash using two-stage method[J].Journal of Hazardous Materials,2008(155):58-64.

[2]DONGA Y C,HAMPSHIREA S,ZHOUB J E,et al.Recycling of fly ash for preparing porous mullite membrane supports with titania addition[J].Journal of Hazardous Materials,2010(180):173-180.

[3]GILBERT J E,MOSSET A.Preparation of β-SiAlON from fly ashes[J].Materials Research Bulletin,1998(33):117-123.

[4]HUANG Y,HAN M F.The influence of α-Al2O3addition on microstructure,mechanical and formaldehyde adsorption properties of fly ash-based geopolymer products[J].Journal of Hazardous Materials,2011(193):90-94.

[5]LI J H,MA H W,HUANG W H.Effect of V2O5on the properties of mullite ceramics synthesized from high-aluminum fly ash and bauxite[J].Journal of Hazardous Materials,2009(166):1535-1539.

[6]FUKUI K,ARIMITSU N,KIDOGUCHI S,et al.Synthesis of calcium phosphate hydrogel from waste incineration fly ash and bone powder[J].Journal of Hazardous Materials,2009(163):391-395.

[7]国家建筑材料工业局.JC239-2001粉煤灰砖[S].北京:中国标准出版社,2001.