基于电厂灰渣的空心砌块灌芯材料的制备研究

缪丰羽，王瑞，杨博，谢号珍，夏多田

（石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000）

0 引言

电厂灰渣的排放不仅侵占大量土地，而且严重污染环境，构成对生态和环境的双重破坏和威胁。因此，开展电厂灰渣的综合利用，不仅能降低污染、减少用地、变废为宝，还能为社会、企业带来巨大的经济效益[1-4]。

电厂灰渣的综合利用受到许多国内外学者的关注，通过掺加粉煤灰、脱硫石膏和煤渣等均在不同程度上改善优化了水泥制品的力学性能及耐久性[5-7]。一系列理论与试验研究表明，电厂灰渣已经可以用于生产高性能建筑石膏砌块[8-9]、制备混凝土[10]等建筑材料。由此可见，电厂灰渣拥有广阔的应用前景。

本文采用单因素分析法，固定配合比中煤渣砂粒的质量分数，分别考察脱硫石膏、粉煤灰、水泥、煤渣粉粒和石灰掺量对试件28 d抗压强度和表观密度的影响，探索利用电厂灰渣制备不同强度等级空心砌块灌孔材料的初步配合比，为当地电厂灰渣的资源化利用提供理论依据。

1 试验

1.1 试验材料

水泥：新疆天业水泥厂，P·C32.5级，各项技术指标符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求；石灰：新疆石河子建材市场市售建筑生石灰粉，各项技术指标符合JC/T 479—2013《建筑生石灰》要求；粉煤灰、脱硫石膏和煤渣（煤渣砂粒、煤渣粉粒）：新疆石河子市热电厂，其主要化学成分见表1；煤渣砂粒的粒径为0.16～5 mm；煤渣粉粒的粒径＜0.16 mm；水：自来水。

表1 粉煤灰、煤渣、脱硫石膏的主要化学成分 %

1.2 试验设计

试验的基准配合比为∶m（煤渣砂粒）∶m（粉煤灰）∶m（脱硫石膏）∶m（煤渣粉粒）∶m（水泥）=1∶0.32∶0.08∶0.16∶0.12，按 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试试件的28 d抗压强度为5.07 MPa，表观密度为1.401 g/cm3。

固定基准配合比中煤渣砂粒的质量份数为1不变，增加掺入石灰的因素，分别考察脱硫石膏、粉煤灰、水泥、煤渣粉粒和石灰掺量对试件表观密度和抗压强度的影响。

1.3 试件制作及试验仪器

立方体抗压强度和表观密度试验的试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。试验采用人工搅拌，将粉煤灰、脱硫石膏、水泥、石灰和煤渣粉粒、煤渣砂粒进行干料搅拌均匀后，再将水加入干料中搅拌。采用有底试模，每个配合比制作3块试件。试件在实验室内自然养护到28 d后进行抗压强度和表观密度测试。

采用的试验仪器设备主要有电子称、钢制捣棒、振动台、100 mm×100 mm×100 mm三联新型塑料模具、20 t万能试验机等。

1.4 试验方法

依据GB/T 50081—2002进行测试。试验前，测量试件的尺寸、称量试件的质量并做好记录。

2 试验结果及分析

2.1 脱硫石膏掺量对灌芯材料性能的影响

脱硫石膏掺量对灌芯材料表观密度和抗压强度的影响见表2。

表2 脱硫石膏掺量对表观密度和抗压强度的影响

由表2可以看出：随着脱硫石膏掺量的增加，试件的28 d抗压强度和表观密度均出现非线性变化，呈现上下波动的变化趋势。在脱硫石膏质量份数为0.16、0.32、0.80时，试件的表观密度出现3次数值接近的峰值；在脱硫石膏质量份数为0.08时，抗压强度最优。在不显著影响抗压强度的前提下，从最大限度利用电厂工业灰渣的角度，建议脱硫石膏的质量份数为0.32。

2.2 粉煤灰掺量对灌芯材料性能的影响

粉煤灰掺量对灌芯材料表观密度和抗压强度的影响见表3。

表3 粉煤灰掺量对表观密度和抗压强度的影响

由表3可以看出：当粉煤灰质量份数为0～0.80时，随着粉煤灰质量份数的增加，试件的表观密度和抗压强度均呈增大的趋势，表观密度和抗压强度均在粉煤灰质量份数为0.80时到达本次试验的最大值，且抗压强度随质量份数的变化比表观密度显著。当粉煤灰质量份数超过0.80后，表观密度随粉煤灰质量份数的增加而减小，抗压强度则呈现先降低后又稍有提高的趋势。基于强度最优考虑，粉煤灰最佳质量份数为0.80。

2.3 煤渣粉粒掺量对灌芯材料性能的影响

煤渣粉粒掺量对灌芯材料表观密度和抗压强度的影响见表4。

表4 煤渣粉粒掺量对表观密度和抗压强度的影响

由表4可以看出：在煤渣粉粒质量份数为0～0.32内，试件的表观密度、抗压强度随煤渣粉粒质量份数的增加均有较大的上下波动。此后，表观密度随煤渣粉粒质量份数的增加一直保持增大趋势，而抗压强度一直呈下降趋势。从电厂工业灰渣利用率的角度出发，在不显著影响强度、材料轻质的前提下，煤渣粉粒最佳质量份数为0.32。

2.4 水泥掺量对灌芯材料性能的影响

水泥掺量对灌芯材料表观密度和抗压强度的影响见表5。

表5水泥掺量对表观密度和抗压强度的影响

由表5可以看出：随着水泥质量份数的增加，试件的28 d抗压强度和表观密度均呈现增大的趋势，抗压强度较表观密度更为显著。水泥为本次试验的主要胶凝材料，因此，应根据复合砌体结构对灌芯材料抗压强度和表观密度的具体要求，并考虑节约水泥、节约能源的目的，合理确定水泥的质量份数。

2.5 石灰掺量对灌芯材料性能的影响

石灰掺量对灌芯材料表观密度和抗压强度的影响见表6。

表6石灰掺量对表观密度和抗压强度的影响

由表6可以看出：石灰质量份数在0～0.24时，表观密度曲线出现2个上升段和3个下降段，质量份数为0.04时达到试验的最低值；石灰质量份数大于0.24后，表观密度随石灰掺量的增加一直保持增大趋势，并在质量份数为0.40以后渐趋平稳。随着石灰掺量的增加，抗压强度出现小幅波动后呈逐渐降低趋势。综合考虑抗压强度、轻质和经济节能的因素，石灰最佳质量份数为0.12。

3 结论

（1）灌芯材料的28 d抗压强度和表观密度均随水泥质量份数的增加而增大；其它4种材料的质量份数在试验范围内变化时，灌芯材料性能均出现上下波动变化，但质量份数与灌芯材料抗压强度和表观密度之间均有一个合理范围。

（2）基于电厂工业灰渣利用率最大化且不显著降低灌芯材料抗压强度的前提下，建议各材料的合理质量份为：脱硫石膏0.32，粉煤灰0.80，煤渣粉粒0.32，石灰0.12，煤渣砂粒1；水泥的质量份数应根据不同强度等级的复合空心砌块对灌芯材料的性能要求来确定。

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