一种全固废蒸压轻质砌块的研制

檀星 ，韩福强 ，赵风清 ，2

（1.河北科技大学，河北 石家庄 050018；2.河北省固体废弃物资源化工程技术研究中心，河北 石家庄 050018）

0 引言

随着我国墙体材料工业的快速发展，节能保温型建筑材料的开发与应用受到了广泛的关注[1-2]。蒸压加气混凝土以其质轻抗震、利废节土、保温隔热、吸音隔声等性能成为目前重要的主流建筑材料[3-4]。传统的加气混凝土以河沙、石灰、水泥为原料，以铝粉为发气剂，经蒸压养护而制得[5]。但是，石灰和水泥的生产是一种高能耗高碳排放的过程，河沙的开采会严重影响河道周围的生态环境[6]。因此，如何减少资源能耗，实现固体废弃物的资源化利用势在必行。

粉煤灰的一个重要应用是利用铝粉发泡后，与石灰生产蒸压加气混凝土。鉴于电石渣（电石水解制乙炔工艺的废渣）的主要成分是氢氧化钙，可用来代替石灰用于加气混凝土的生产，进而减少二氧化碳的排放，实现低成本绿色生产，同时解决电石渣排放造成的环境污染问题[7]。但是，电石渣代替石灰后，会直接影响铝粉的发气效果和砌块的初养强度[8]。

为了解决上述问题，本研究通过物理发泡的方式向粉煤灰-电石渣体系中直接引入泡沫，解决了加气混凝土工艺中电石渣代替石灰后发泡性能不良的问题，通过掺加矿渣及固化剂，以代替水泥，减少碳排放。在此基础上，调控原料组成，优化物料配比和养护制度，制得一种高性能的蒸压轻质砌块，实现了物尽其用。

1 试验

1.1 原材料

粉煤灰：河北西柏坡发电有限公司产的Ⅱ级粉煤灰，粉磨至比表面积479.58 kg/m2；电石渣：石家庄市化工化纤有限公司提供的湿排电石渣，含水率41.5%，主要成分为Ca（OH）2；矿渣：唐山某公司提供的粒化高炉矿渣，粉磨至比表面积308.8 kg/m2；水泥：石家庄鹿泉金隅鼎鑫水泥有限公司生产的P·O42.5级水泥；脱硫石膏：燃煤电厂湿法脱硫产生的工业副产物；发泡剂：LG-2258，属于植物源复合发泡剂，发泡倍数大于30倍，沉降距离小于10 mm，泌水量低于60 ml，市售；固化剂：m（超细矿渣）∶m（CF 激发剂）∶m（脱硫石膏）=75∶10∶15，自制；CF激发剂：河北中科环保生产有限公司提供，主要成分SiO2、Na2SO4。主要原料的化学成分见表1。

表1 主要原料的化学成分 %

1.2 轻质砌块的制备工艺

首先将磨细的物料与水按一定配比混合制成料浆。发泡剂按质量比1∶60进行稀释，经高速搅拌制成泡沫。将泡沫与料浆混合制成均匀流态浆，然后将混合料浆浇注到70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm三联模具中，进行预养护。试块经脱模后，放入蒸压釜中按一定的蒸压制度进行蒸压养护，制得轻质砌块。

1.3 测试与表征

轻质砌块制品的绝干密度、抗压强度、吸水率、干收缩性能、导热系数等参照JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》进行测试。借助NYL-300A型压力试验机进行试块力学强度测试，利用DRM-II型导热系数测试仪测定试块的导热系数，利用D/MAX2500PC型X-射线衍射仪对轻质砌块的水化产物进行表征。

2 试验结果与讨论

2.1 电石渣掺量对砌块性能的影响

按照 m（粉煤灰+电石渣）∶m（水泥）∶m（石膏）∶m（发泡剂）=88.5∶10∶1.5∶0.1，经配料、搅拌、浇注、预养、切割、蒸压养护等工艺过程制备轻质砌块。试验中，通过改变粉煤灰与电石渣的质量比探索电石渣在总物料中的掺量对砌块性能的影响。结果如图1所示。

图1 电石渣掺量对砌块性能的影响

由图1可知，在保持试块密度基本不变的条件下，随着电石渣掺量的增加，砌块的抗压强度呈增大的趋势。电石渣中的氢氧化钙溶于水后提高了料浆的碱度，随着电石渣掺量的增加，料浆中溶出的活性硅与钙达到了较优的配比，在蒸压条件下生成水化硅酸钙（CSH）、托贝莫来石等水化产物，有效地提高了制品的强度。但当电石渣掺量过大时，易造成轻质砌块泛碱、开裂[9]等现象，降低砌块的耐久性能和与墙体的相容性，污染环境。综合经济和环保角度进行考虑，适宜的电石渣掺量为20%～25%。

2.2 矿渣掺量对砌块性能的影响

在上述试验的基础上，当电石渣掺量为20%时生产的轻质砌块强度较低，不符合JC/T 1062—2007的要求。探索性试验表明，粉煤灰与矿渣具有一定的协同作用。为此，在体系中掺入矿渣，并对矿渣掺量进行了优化，试验结果见图2。

图2 矿渣掺量对砌块性能的影响

由图2可知：（1）在保持试块密度基本不变的条件下，在料浆中掺入适量的矿渣可以明显提高轻质砌块的强度。粉煤灰中缺少钙质材料，矿渣的掺入形成了粉煤灰-电石渣-矿渣复合胶凝体系。在碱的激发作用下，矿渣微粉中的硅酸二钙等活性组分发生水化反应，增加了胶凝物质的数量，形成更多的C-S-H凝胶，提高砌块的强度。（2）矿渣和粉煤灰存在一个最优配合比。随着矿渣微粉掺量的增加，过多的矿渣微粉会带来较多的惰性组分，导致轻质砌块的强度降低[10]。通过调整矿渣掺量，可以获得较高强度的产品。适宜的矿渣掺量为10%～20%。

2.3 蒸压养护制度对砌块性能的影响

适宜的蒸压养护恒温温度和恒温时间是制品能够充分进行水化反应并达到一定结晶度的保证。良好的蒸压养护制度可以最大限度地降低制品坯体可能受到的损伤，并在满足技术要求的情况下降低能源消耗。

2.3.1 恒温温度对砌块性能的影响

按照基础配方：m（粉煤灰）∶m（电石渣）∶m（矿渣）∶m（水泥）∶m（石膏）∶m（发泡剂）=58.5∶20∶10∶10∶1.5∶0.1 制备试块样品，在“升温4h-釜内恒温4h-自然冷却”的蒸压养护制度下，改变恒温温度，考察不同恒温温度对试块性能的影响，结果见图3。

图3 蒸压养护恒温温度对砌块性能的影响

从图3可知，在保持试块密度基本不变的条件下，随着釜内温度的升高，砌块的抗压强度先快速升高后趋于平缓。当温度高于180℃时，砌块强度变化趋缓。在高温湿热环境下，原材料中的SiO2、Al2O3溶解速度加快，有更多活性物质参与水化反应。在升温过程中，生成更多的水化胶凝产物，试块的抗压强度快速提高。而当温度高于180℃时，容易形成强度低的水化产物（如硬硅钙石），导致砌块的抗压强度趋于平缓[11]。因此，适宜的蒸压养护恒温温度为180℃。

2.3.2 恒温时间对砌块性能的影响

按照基础配方制备试块样品，在“升温4 h-釜内180℃恒温-自然冷却”的蒸压养护制度下，探索不同蒸压养护恒温时间对试块性能的影响，结果如图4所示。

图4 恒温时间对砌块性能的影响

由图4可知，在保持试块密度基本不变的条件下，轻质砌块的抗压强度随蒸压养护恒温时间的延长呈先提高后趋平缓，当恒温时间超过4 h时，试块的抗压强度逐渐趋于平缓。这是因为恒温时间较短时，胶凝体系中的活性组分水化不完全，试块的力学强度较低。随着恒温时间的延长，水化产物结晶度不断提高，形成了大量CSH（I）、托贝莫来石等水化产物，提高了试块的抗压强度；但当恒温时间超过4 h后，砌块中的活性组分水化已趋于完全，继续延长蒸压恒温时间对轻质砌块的强度贡献已不明显[12-13]。因此，适宜的蒸压养护恒温时间为4 h。上述研究表明，在保证试块密度600 kg/m3的情况下，砌块抗压强度可达3.5 MPa以上，能符合JC/T 1062—2007中A3.5、B06级合格品的要求。

3 增强材料调控与性能优化

考虑到原料和养护制度可能发生波动，高质量产品是建筑墙体材料的发展趋势。为此，通过开发一种增强材料对原料配方进行优化，进一步提高产品性能。在基础配方的基础上，利用增强材料固化剂部分或全部代替水泥（固化剂与水泥掺量占总物料的10%），在“升温4 h-180℃恒温4 h-自然冷却”的蒸压养护制度下进行蒸压养护，固化剂掺量对砌块性能的影响如图5所示。

图5 固化剂掺量对砌块性能的影响

从图5可以看出，掺加固化剂能进一步提高产品的抗压强度。随着固化剂掺量的增加，砌块强度逐渐提高。当固化剂完全代替水泥（掺量为10%）时，砌块的抗压强度达到4.8MPa，接近JC/T 1062—2007规定的优等品性能指标。制品在预养护阶段，掺有固化剂物料中的活性Al2O3与体系中的反应生成大量的AFt，有助于提高砌块的初始强度，降低废料的产生量。固化剂中超细矿渣的活性组分为试块的强度提供了保障。CF激发剂中的硫酸钠组分充分激发了粉煤灰的活性，活性SiO2极易与电石渣中的Ca（OH）2发生反应，为水化产物的生成提供“晶核”，强化了水化凝结过程，使得砌块的结构密实高强。因此，用固化剂代替水泥可以有效提高试块的强度。

基于上述试验，得到的优化物料配比为：m（粉煤灰）∶m（电石渣）∶m（矿渣）∶m（固化剂）∶m（脱硫石膏）∶m（发泡剂）=58.5∶20∶10∶10∶1.5∶0.1。适宜的养护制度为：“升温 4 h-180 ℃恒温 4 h-自然冷却”。按此工艺参数制备的轻质砌块，各项性能优于JC/T1062—2007中A3.5、B06级的合格品要求（见表2）。

表2 轻质砌块的性能测试结果

由表2可知，当密度为617.5 kg/m3时，可制得强度为4.84 MPa，导热系数为0.0672 W/（m·K），干收缩率为0.487 mm/m的砌块。与普通蒸压加气混凝土相比，导热系数显著降低[后者的导热系数一般为0.11～0.18 W/（m·K）]，干燥收缩率也完全符合标准要求，表明物料配方经优化后的蒸压轻质砌块具有一定的应用价值。

4 水化产物分析

按照基础配比与优化配合比，在“升温4 h-180℃恒温4 h-自然冷却”的蒸压养护制度下制备轻质砌块，优化组与对照组试块的XRD对比分析结果如图6所示。

图6 砌块的XRD图谱

由图6可知，试块经蒸压后的主要水化产物有CSH（I）、托贝莫来石、水石榴石以及未参与反应的石英、硬石膏。优化组样品中水化产物CSH（I）、托贝莫来石、水石榴石的峰值明显高于空白组，这表明固化剂的掺入对砌块水化产物的生成有积极的促进作用。在蒸压过程中，电石渣中的Ca（OH）2及固化剂组分充分激发了粉煤灰和矿渣的活性,破坏了玻璃体的表面结构。粉煤灰中含有大量活性二氧化硅，但钙含量较少，而矿渣中存在硅酸二钙，两者相互补充，在CF激发剂的作用下发挥协同组合作用。随着蒸压温度的上升，胶凝体系中的活性SiO2和Al2O3不断溶出，Si-O-Si、Al-O-Si键在碱金属Ca2+离子作用下发生水化、解聚，生成水化铝酸钙及大量的CSH（I）。随着蒸压恒温时间的不断延长，水化铝酸钙与溶出的SiO2反应生成水石榴石，水化硅酸钙的结晶度也不断提高，形成托贝莫来石，提高了轻质砌块的强度[14-15]。图谱中的石英主要来自于未反应完全的粉煤灰，可作为轻质砌块的骨料，对制品的强度起到一定的积极作用[16]。

5 结语

（1）以粉煤灰、电石渣代替石灰，固化剂代替水泥为原料，用物理发泡的方式经蒸压生产一种全固废蒸压轻质砌块。解决了电石渣用于加气混凝土生产过程中发泡性能不良和强度过低的问题，实现了废弃物的资源化利用。

（2）采用固化剂强化的粉煤灰-电石渣蒸压泡沫混凝土工艺，替代了水泥，实现了二氧化碳减排。适宜的物料配比为：粉煤灰58.5%，电石渣20%，矿渣10%，固化剂10%，脱硫石膏1.5%，发泡剂掺量0.1%。养护制度为：“升温4 h-180℃恒温4 h-自然冷却”。产品符合JC/T 1062—2007规定的A3.5、B06级合格品要求，主要指标接近优等品指标。保温效果和干收缩率远优于普通蒸压加气混凝土砌块。

（3）采用复合助剂改性矿渣技术，通过调控物料配比进一步强化了蒸压体系水化过程，发挥了粉煤灰与矿渣、电石渣的协同作用，优化了粉煤灰-电石渣蒸压水化产物组成，提高了蒸压制品的力学强度。通过XRD分析可知，砌块的主要水化产物有CSH（I）、托贝莫来石及水石榴石，是影响制品强度的关键水化产物。