铁板砂、花岗岩免烧砖的研制

陈连发，田淑梅，郑海强，刘迪（.吉林化工学院 材料科学与工程学院，吉林 吉林　0；.大庆石化公司信息技术中心，黑龙江　大庆　67；.内蒙古大唐多伦煤化工有限责任公司，内蒙古 多伦　0700；.辽宁盘锦长连化工有限公司，辽宁 盘锦　）

铁板砂、花岗岩免烧砖的研制

陈连发1，田淑梅2，郑海强3，刘迪4
（1.吉林化工学院 材料科学与工程学院，吉林 吉林132022；2.大庆石化公司信息技术中心，黑龙江大庆163714；3.内蒙古大唐多伦煤化工有限责任公司，内蒙古 多伦027300；4.辽宁盘锦长连化工有限公司，辽宁 盘锦124221）

利用建筑垃圾铁板砂、花岗岩边角废料和粉煤灰等制备免烧砖，研究各原料对免烧砖强度的影响规律。确定了制备免烧砖各原料的最佳配合比：铁板砂45%、花岗岩15%、粉煤灰10%、生石灰26%、石膏3%、水泥1%，按此配比可以制备出28 d抗压、抗折强度分别为25、10 MPa的免烧砖。

铁板砂；粉煤灰；花岗岩边角废料；生石灰；免烧砖

吉林省长白山地区有着丰富的花岗岩、铁板砂矿物资源［1］。而吉林市周边有很多加工、生产花岗岩石板材的企业，花岗岩加工后遗弃的边角废料数量庞大、堆积如山，造成了新的污染源。铁板砂是一种风化的岩石矿物，因产区的不同，该矿物的外表颜色略有差异，但岩石的组成大致相同，都存储在地表土以下（20～30 cm厚度），并且储量巨大［2］。建筑公司总是把这种天然的宝贵资源当做垃圾一样废弃掉［3］。花岗岩边角废料可以进一步破碎成小碎石，是配制混凝土、水泥制品的优良粗集料，此外，其化学及矿物组成使其更适合制作成砖一类的制品。而铁板砂的化学成分、矿物组成、易磨性等优点也使得它凸显出更适合配制高强度混凝土及制作免烧砖。本试验利用花岗岩边角废料和铁板砂为主要原料，确定制备免烧砖合理的配合比，探讨掺量对免烧砖的影响规律，同时阐述各组分含量与强度之间的最佳契合点以及制备技术。

1　实验

1.1原材料

铁板砂：吉林市江北的一处建筑工地的建筑垃圾，破碎处理后取粒径0.5 mm以下的使用。

粉煤灰：吉化热电厂的Ⅰ级粉煤灰，细度（45 μm筛筛余）为8.2%。

生石灰：大连拉树房白云灰厂生产的犬王牌一级生石灰。

天然粗骨料：吉林市天岗花岗岩石材加工厂的边角废料加工制成，粒径在10 mm以下。

石膏：吉林亚泰龙潭水泥有限公司的生石膏。

水泥：亚泰集团吉林分公司生产的鼎鹿牌P·O52.5水泥。

外加剂：采用复合外加剂，其中包括早强剂三乙醇胺和聚羧酸减水剂，两者采用物理混合方式，其中混合比例为：m（早强剂）∶m（减水剂）=3∶7。

原材料的主要性能指标见表1。

表1　原材料的主要性能指标

1.2免烧砖的制备过程

将铁板砂、粉煤灰、生石灰和石膏按配方称取后放入小磨粉磨，出磨后再加入花岗岩、水泥、外加剂和水一同进入轮碾混砂机中进行轮碾，轮碾结束后进行成型及养护操作。具体工艺参数为：（1）成型压力不小于30 MPa；（2）成型时原料含水率10%～20%；（3）料混好后，堆放陈化20 h左右；（4）采用自然养护，成型后3 d淋水，养护温度不低于0℃，养护28 d。

1.3主要实验设备

SMΦ500 mm×500 mm水泥实验小磨；SHQ-30型轮碾式混砂机；DKZ-5000型电动抗折实验机；JYE-2000型压力实验机；自制标砖模具，尺寸240 mm×113 mm×50 mm。

1.4铁板砂、花岗岩免烧砖设计思路

铁板砂和花岗岩都是富含SiO2、Al2O3的酸性、活性材料，无论是化学组成还是矿物结构都有别于其它废弃材料［4-5］。此2种物质是制作水泥和混凝土混合材以及砖一类的有益矿物材料。本研究利用花岗岩石材加工企业废弃的边角废料，经二次加工破碎成小于10 mm的碎石（10 mm以上的碎石用于制作透水砖），作为免烧砖的粗骨料，同时利用建筑垃圾铁板砂替代山砂作为细骨料，利用石灰、石膏和水泥等混合胶凝材料作为花岗岩和铁板砂的碱性激发剂。考虑花岗岩的刚硬性、活性及铁板砂与碱性物质反应的活性等因素，预测了制备的免烧砖强度等级符合JC/T 422—2007《非烧结垃圾尾矿砖》中MU20强度等级的质量要求。同时，在保证免烧砖强度的条件下，考虑成本和效益等经济因素，最大限度地减少水泥、石灰和石膏等胶凝材料的用量。

1.5铁板砂、花岗岩免烧砖配方的确定

为确定铁板砂、花岗岩免烧砖制备中各原料的配方，对原料不同加入量进行试验，配方见表2。所有的配比均为各物料的干料比例。试验过程中，采用半标砖模具。

表2　铁板砂、花岗岩免烧砖的配合比

2　结果与讨论

2.1铁板砂与粉煤灰掺量变化对免烧砖强度的影响

由于粉煤灰资源的广泛利用，粉煤灰的市场价格也呈逐年上涨的趋势。而铁板砂作为建筑垃圾并且储量丰富，与粉煤灰的价格相比，铁板砂的价格要低廉得多。为了最大限度地利用铁板砂降低制砖成本，铁板砂、花岗岩免烧砖的制备中，尽可能多的利用铁板砂。保持铁板砂和粉煤灰总量不变，铁板砂和粉煤灰掺量对免烧砖强度的影响见图1。

图1　铁板砂和粉煤灰掺量对免烧砖强度的影响

由图1（a）可见，随着铁板砂掺量的增加，粉煤灰掺量减小，免烧砖的28 d抗压、抗折强度先逐渐提高，在铁板砂掺量为40%左右达到最大值后又随着铁板砂掺量的继续增加粉煤灰掺量进一步减小，强度迅速降低；铁板砂掺量由10%增加到28%时，砖的28 d抗压、抗折强度增加迅速，其后随着铁板砂掺量的增加，28 d强度增幅变缓。铁板砂掺量为40%左右时免烧砖的抗压、抗折强度较理想。

由图1（b）可见，粉煤灰掺量对铁板砂花岗岩免烧砖的28 d抗压、抗折强度影响规律都是随着粉煤灰的掺量的增加先迅速增加，在17%左右达到峰值，之后又逐渐下降；所以粉煤灰的掺量控制在17%左右较合适。上述试验结果可从化学反应方面予以解释：当混合物料接触后，在初期，物料中的氧化钙、硅酸二钙和硅酸三钙等发生水化反应，为砖的初期强度作出贡献。而铁板砂中含有较大量的活性二氧化硅和三氧化二铝，在砖硬化和养护的初期，随着铁板砂掺量的增加，砖的强度不断提高。在后期，物料中的物质发生了更深入的化学反应，生成了一些诸如C-A-H和C-S-H的网架状物质，再加上界面反应的不断深入，砖的强度会受到多方面的影响和制约，因此出现强度波折的现象［6-8］。因粉煤灰矿物中还含有很大一部分的莫来石，当激发剂作用于莫来石中活性的氧化铝和二氧化硅时，便可与氢氧化钙反应生成C-A-H和C-S-H等胶凝物质，对砖的最终强度的形成作出大部分贡献［9］。

2.2花岗岩粗骨料掺量对免烧砖强度的影响（见图2）

图2　花岗岩粗骨料掺量对免烧砖强度的影响

从图2可以看出，随着粗骨料掺量由5%增加到10%时免烧砖的28 d抗压、抗折强度呈直线上升趋势，继续增加粗骨料掺量，抗压、抗折强度值缓慢下降；花岗岩骨料主要是起骨架作用，是承担载荷的主体构架和依托。此外，花岗岩骨料比胶凝材料更便宜，属于废物利用，可降低免烧砖的成本。为使免烧砖具有较高强度，花岗岩粗骨料的掺量控制在10%左右为宜。

2.3水泥掺量对免烧砖强度的影响

水泥在免烧砖制备过程中起到碱性激发剂和胶结剂的双重作用。本研究从综合性能和效益成本两方面考虑，对水泥掺量进行了相关的探讨。水泥掺量对免烧砖强度的影响见图3。

图3　水泥掺量对免烧砖强度的影响

从图3可见，当水泥的掺量由0增加到1%时，免烧砖的28 d抗压、抗折强度均有大幅度增大，之后随着水泥掺量增加，砖的抗压、抗折强度变化已不明显。因水泥价格高，为了使生产免烧砖的成本降低，同时还要满足免烧砖的强度等级要求，综合考虑水泥的适宜掺量控制在1%左右。

2.4生石灰和石膏掺量对免烧砖强度的影响

生石灰和石膏作为胶凝材料和碱性激发剂对铁板砂、花岗岩免烧砖的强度起到了至关重要的作用，二者的掺量也会对免烧砖的成本造成直接影响，因此在满足免烧砖综合性能的基础之上，应尽可量地减少二者的掺量，对此需通过试验来探讨生石灰的最佳掺量问题。生石灰和石膏掺量对免烧砖强度的影响分别见图4和图5。

图4　生石灰掺量对免烧砖强度的影响

由图4可以看出，随着生石灰掺量的增加，免烧砖28 d抗抗压、抗折强度呈直线上升趋势，在掺量为27%后呈缓慢增长的趋势，并且增长变得已不明显。可见生石灰的最佳掺量为27%左右。生石灰的作用有2种：首先，铁板砂和花岗岩都是酸性物质，会跟生石灰这种碱性物质发生化学反应，增强原料间的粘结力，使制备的免烧砖强度增加。其次，加水的瞬间生石灰立即生成Ca（OH）2，Ca（OH）2又会立即与粉煤灰发生化学反应，加速胶凝材料的水化及其它原料间的硬化过程，从而提高砖体的早期强度。对强度的影响生石灰掺量存在一个最佳值，当掺量小于最佳值时，生石灰掺量不足以使胶凝材料与其它原料间的胶结力达到最大值，而超过最佳值后，多余的生石灰不仅会对胶凝材料的水化、硬化产生不良影响，还会跟空气中的CO2生成 CaCO3等降低强度的物质，而导致强度的下降［10］。

图5　石膏掺量对免烧砖强度的影响

由图5可以看出，随着石膏掺量的增加，免烧砖的28 d抗压、抗折强度均迅速增加，石膏掺量达到3%左右时抗压、抗折强度到达最大，之后开始下降。石膏也是制备免烧砖的重要原料其一，由于它和生石灰共同产生的协作效应发挥着加速剂的作用，对免烧砖的强度提高起到了着直接和间接的推动作用。此外，石膏对生石灰的消解过程，还可以起到减少氢氧化钙晶体的尺寸、增加分散度的作用，最终加速物料间的水化反应［11-12］。因此，综合考虑性能和成本两因素，石膏的最佳掺量控制在3%左右为宜。

2.6铁板砂、花岗岩免烧砖的最佳配合比及性能

铁板砂、花岗岩免烧砖配合比确定原则：关键是协调不同混合材之间的物理、化学效应的优势互补，保证改善砖的综合性能，提高砖质量，铁板砂和花岗岩混合材之间的相互弥补，使免烧砖具有了较高的早、后期强度，同时水泥、生石灰和石膏的碱性与酸性的铁板砂和花岗岩混合材的相互配合，有利于水化反应及硬化的进行。根据上述对免烧砖中各种重要影响因素的分析和讨论，优选铁板砂、花岗岩免烧砖的最佳配合比为：铁板砂45%、花岗岩粗骨料15%、粉煤灰10%、生石灰26%、石膏3%、水泥1%，成型方法为静压成型，静压压力取值为30 MPa。

对上述最佳配方制备的免烧砖按照JC/T 422—2007标准强度等级要求以及GB/T 2542—2003《砌块砖试验方法》进行测试分析，性能测试结果见表3。

表3　最佳配比制备铁板砂、花岗岩免烧砖的性能

由表3可见，按最佳配比制备的铁板砂、花岗岩免烧砖的体积密度较小。吸水率大大低于JC/T 422—2007所要求的不大于18%，原因是花岗岩和铁板砂都是难以吸水的天然矿物质。冻融前、后地抗压强度均达到了JC/T 422—2007中MU20等级要求，而且冻融损失率也远远低于JC/T 422—2007所要求的2%，原因还是产于东北寒冷地区的铁板砂和花岗岩这2种天然的矿物质对冻融的反应不敏感。最佳配比制备的免烧砖既无石灰爆裂现象发生也不产生泛霜，试验结果证明了铁板砂和花岗岩骨料的配合使用，非常适合制备免烧砖。

3　结论

（1）利用微酸性的铁板砂、花岗岩2种建筑废渣和碱性的粉煤灰工业废弃物，在生石灰、石膏、水泥等激发剂多重作用下，产生相互激发、相互活化的优势互补作用，制备免烧砖。由于铁板砂、花岗岩自身硬度大，克服了免烧砖强度低的缺点，同时充分利用了建筑和工业废弃物，变废为宝，同时也降低了免烧砖的生产成本。

（2）铁板砂花岗岩免烧砖最佳配合比为：铁板砂45%、花岗岩粗骨料15%、粉煤灰10%、生石灰26%、石膏3%、水泥1%。按照该配合比制备的免烧砖达到JC/T 422—2007中MU20强度等级要求。

［1］陈连发，绿色环保型铁板砂透水砖的研制［J］.吉林化工学院学报，2015，32（4）：66-71.

［2］陈连发.花岗岩透水砖的研制［J］.混凝土与水泥制品，2015，232 （8）：67-72.

［3］陈连发，铁板砂作为水泥混合材对水泥强度的影响［J］.吉林化工学院学报，2015，32（1）：64-68.

［4］左富云.建筑垃圾在铁板砂及城市道路上的应用［D］.昆明：昆明理工大学，2008.

［5］霍亮.透水性混凝土路面材料的制备及性能研究［D］.南京：东南大学，2004.

［6］姜德民，徐三元，张友权.彩色透水性混凝土路面砖的研制［J］.北方工业大学学报，2004，16（3）：85-88.

［7］Shi C J，Day R L.Chemical activation of blended cement made with lime and natural pozzolans［J］.Cement and Concrete Research，1993，23（6）：1389-1396.

［8］ Medici F，Piga L，Rinaldi G.Behaviour of polyaminphenolic addi tives in the granulation of lime and fly-ash［J］.Waste Management，2000，20（7）：491-498.

［9］Freidin K，Erell E.Bricks made of coal fly-ash and slag，cured in the open air［J］.Cement&Concrete Composites，1995，17（4）：289-300.

［10］霍亮.透水性混凝土路面材料的制备及性能研究［D］.南京：东南大学，2004.

［11］阎振甲，何艳君.工业废渣生产建筑材料实用技术［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［12］朴应模，李珍淑，李康.PAE-水泥透水性混凝土的空隙率、透水系数及耐酸性能［J］.延边大学学报：自然科学版，2004，30（2）：118-123.

Development of iron plate sand and granite baking-free bricks

CHEN Lianfa1，TIAN Shumei2，ZHENG Haiqiang3，LIU Di4
（1.Material Science and Technology，Jilin University of Chemical Technology，Jilin 132022，China；2.Information Technology Cernter of Daqing Petrochemical Campany，Daqing 163714，China；3.Datang Inner Mongolia Duolun Coal Chemical Industry Co.Ltd.，Duolun 027300，China；4.Liao Ning Pan Jin Cang Lian Chemical Fertilizer Co.Ltd.，Panjin 124221，China）

Baking-free bricks was prepared by using the construction waste such as iron sand，granite and fly ash.The influence of every raw material to the strength of baking-free bricks was studied.The optimal mixing proportion of baking-free bricks' raw material was determined.The results show that this kind of baking-free bricks'optimum mix values：iron plate sand is 45%，granite content is 15%，fly ash is 10%，quicklime is 26%，gypsum is 3%，cement content is 1%.Baking-free bricks which have compressive strength 25 MPa and flexural strength 10 MPa can be fabricated at this rate.

iron plate sand，fly ash，the granite waste of horn&side，quicklime，baking-free bricks

TU528.38

A

1001-702X（2016）04-0072-04

2015-10-29

陈连发，男，1962年生，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，主要从事无机非金属材料及应用研究。地址：吉林省吉林市龙潭区承德街45号，E-mail：1536175728@qq.com。