粉煤灰蒸压加气混凝土砌块强度影响因素及控制

（1.四川大学制造科学与工程学院， 四川 成都 610065；2.四川大学分析测试中心， 四川 成都 610065）（3.四川（成都）两院院士咨询服务中心， 四川 成都 610000；4.泸州蓝安建材有限公司， 四川 泸州 646000）

0 前言

粉煤灰又称“飞灰”（fly ash），是燃煤电厂排出的一种工业“废渣”，被大范围用于混凝土砌块中。粉煤灰蒸压加气混凝土砌块是以粉煤灰、水泥、石灰、发气剂、气泡稳定剂、调节剂等为原料，经细磨、计量配料、搅拌浇注、发气膨胀、静停、切割、蒸压养护、成品加工等工序制成的多孔硅酸盐制品0。同传统黏土砖相比，其具有质轻高强、保温、隔热、隔音、耐火性能好等特点。该材料虽主要用于框架结构、现浇混凝土砌块结构建筑的外墙填充、内墙隔断，但在抗震圈梁构造多层建筑的外墙、保温隔热复合墙体等方面也有广阔的应用前景0。

在粉煤灰蒸压加气混凝土砌块的生产应用过程中，砖块强度一直作为质量的重要考核目标。本文通过对粉煤灰蒸压加气混凝土砌块的原材料、生产流程及蒸养制度等方面的综合分析，阐述了影响粉煤灰蒸压加气混凝土砌块强度的因素及控制要点，并介绍了一些新型的强度改善措施。

1 蒸压加气混凝土砌块生产流程及结构

1.1 生产流程

粉煤灰蒸压加气混凝土砌块生产流程主要包括两个部分，即添料混合和蒸养阶段，其中蒸养阶段又过程主要包括静停、升温、恒温和降温四个部分。整个生产过程大致如下：（1）将废料浆和粉煤灰加水混合并进行湿磨；（2）加入磨细的生石灰，之后依次添加水泥、石膏等原料并混合均匀；（3）将准备好的原料转移到浇注车后浇注到事先准备好的模具内，静停一段时间后进行切割；（4）将切割好后的混凝土砌块原胚转入蒸养室内进行蒸养，蒸养结束后拆模并摆放好成品，其流程如图1[3]所示：

图1 蒸压加气混凝土砌块生产流程图

1.2 蒸压加气混凝土砌块结构及性能

粉煤灰蒸压加气混凝土砌块是一种以硅钙材料为主，掺发气剂，通过特殊工艺流程制备的内部匀质、轻质的多孔硅酸盐墙材制品，合格的孔应是类似圆形的封闭孔，在混凝土砌块中占比达 70%~85%，对砖块强度有着极大的影响0。按孔径大小可粗略分为宏观孔和微观孔两类。宏观孔是在制作时产生的气体与料浆冲撞而成，孔径最大在毫米级。在宏观气孔内部，存在由各种水化物凝聚或由于水蒸气和多孔材料的毛细孔而形成的微观孔，孔径小于宏观孔的十分之一。

气孔的形成过程是发气剂（常为铝粉）在碱性料浆环境下反应放出气体，气体在料浆内部经吸附、聚集、长大等过程，最后在静停及蒸养阶段，随着硅钙铝的水化产物形成和结晶的完成使料浆稠化，产生一定的强度将气泡固定，形成稳定的气孔0。

蒸压加气混凝土砌块按干密度大小可分为 B04、B05、B06、B07级等品种，其体积密度通常在 400～700 kg/m3之间，导热系数通常为 0.09W/(m·K)～0.17W/(m·K)，其密度等同于实心黏土砖 1/3，普通混凝土砌块的 1/5，也低于一般轻骨料混凝土砌块及空心砌块等制品，具有质轻、保温隔热、隔音、耐火性能好、吸水缓慢、耐久性好、可锯可刨等优点0-。

2 强度影响因素及改善措施

2.1 蒸养流程控制

粉煤灰蒸压加气混凝土砌块反应体系属CaO-SiO2-Al2O3-H2O 体系，其强度主要取决于在反应过程中生成的水化铝酸钙和水化硅酸钙的含量及分布。蒸养阶段是水化铝酸钙和水化硅酸钙凝胶生成主要时期，不仅关系到制品性能好坏，也与生产效率和能耗有关。根据结构的不同，凝胶可以分为两类，一类是结构和托贝莫来石相似的 CSH(Ⅰ)，另一类是结构和羟基硅灰石相似的 CSH(Ⅱ)0。因托勃莫来石等产物的大量形成需外界温度在174.5℃以上且保持一定时间，并要求一定压力条件0。故蒸养制度应根据所用原材料质量、蒸气压力大小、产品所需强度的大小来确定处理工艺，根据蒸气压力不同，蒸养时间一般控制在6h～12h。

2.2 原材料控制

2.2.1 物料添加比例

水料比和硅钙比在生产过程中是两个重要的参数。水料比指生产中加入的水与干料之间的比例关系。从大量实践中得出，水料比会影响料浆对气体阻力，进而影响砖块反应及气孔结构。因此，水料比应稳定在较小的范围内，数值也需要根据具体生产取较低值0。

硅钙比是原料中元素硅与钙的比值，对于混凝土砌块所处的CaO-SiO2-Al2O3-H2O 体系，硅钙比是一个重要的参数。试验表明：钙硅比、水料比等因素都会对抗压强度产生影响，在钙硅比为0.75和水料比为0.6时得到的试块抗压强度最高0。

2.2.2 粉煤灰

粉煤灰是蒸压加气混凝土砌块的主要组分，其质量占比占整体60%~70%。根据其细度、需水量比、烧失量三个参数，粉煤灰可划分为Ⅰ粉煤灰、Ⅱ粉煤灰、Ⅲ粉煤灰0。

粉煤灰在混凝土砌块中是主要的SiO2和Al2O3的提供者，其具有集料和生成胶凝材料的双重作用。其反应能力主要取决于玻璃体含量、非晶态 SiO2和 Al2O3以及粉煤灰的粒度0、。玻璃体含量越高、粒度越细，物料化学反应活性也越高。可通过物理研磨、化学改性法及机械搅拌加化学改性的方法提高粉煤灰的活性，这是提高粉煤灰泡沫混凝土砌块早期强度最有效的措施0。

第二个维度是基于对“专业化的实施主体”的理解。Wilensky[7](1964)认为专业化过程有两个最重要的步骤，第一步是建立培训学校，提供专业培训；第二步是成立专业组织，建立规章制度、道德准则等各种结构性制度，划定清晰的职业道德法则。Abbott[8](1988)则提出了专家与顾客之间“专业知识的非对称性”关系，这一关系使得社会必须信任专业工作者，认可其专业地位。因此，专业化的实施主体有四个：政府、专业组织、大学与社会。政府颁布相关的法律法规规范专业发展，专业组织维护与巩固其专业地位，大学和培训机构提供专业的教育培训。此外，专业化还需要社会整体环境对其专业地位的认可[9]。

因玻璃体聚合度较高而使得粉煤灰中的 SiO2和 Al2O3表现出较强化学稳定性。Fraay等0通过选择不同浓度的碱溶液对粉煤灰进行侵蚀的实验表明，激发粉煤灰的反应活性，需要较强的碱性（＞13.4）。因此，为使砖块制品具有较好的强度，对粉煤灰的粒度、活性物质含量及环境酸碱度都有相应的要求。

2.2.3 生石灰

生石灰是蒸压加气混凝土砌块不可或缺的组分，其主要化学成分为 CaO，质量百分比占整体10~20%，其作用主要为铝粉提供发气条件（碱度及温度）以及后续反应所需CaO。生石灰中有效CaO是衡量石灰品质的重要指标，一般认为，石灰中有效CaO含量越高越好，含量应大于65%，同时因为石灰中的氧化镁（MgO）会影响后续石灰消化过程，故需将氧化镁（MgO）控制在5%以下0、。

生石灰在混合搅拌成型过程中，遇水消解放出大量热，并生成Ca(OH)2，可使坯体温度达80℃～90℃，使坯体在静停硬化过程中得到养护。但若释放出的热量过多，又会影响养护的效果，故需加入外加剂（如石膏）来调节石灰的水化放热速度0。

在生产过程中对生石灰粒度也有一定要求，生石灰粒度对水化产物形成、石灰消化过程体积膨胀等方面都有影响，但需注意过高石灰的细度会加速石灰消化，引起料浆的不稳定。一般认为生石灰最佳细度在 0.080 mm方孔筛筛余量不大于15%。

2.2.4 水泥

水泥是混凝土砌块中钙的一个重要来源，其质量占整体比重的10~15%，对混凝土砌块的稠化凝结成型、提升其强度等方面有极大影响。一般情况下，水泥成分中主要有大约60%的CaO，但是这其中大约只有20%的CaO发生水化反应。

水泥水化时，除了生成大量的水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化物促进料浆稠化和硬化，保证浇注的稳定性外，还会析出大量的Ca(OH)2。在蒸养条件下，这些游离的Ca(OH)2与含硅材料作用，通过水热反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，两种方式产生的水化矿物质同时提高制品强度。文献0指出，从提高粉煤灰蒸压加气混凝土砌块的强度效果来看，采用石灰-水泥混合钙质体系更为有利。

2.2.5 发气剂

铝粉是目前加气混凝土砌块行业使用最普遍、最成熟的发气剂，铝粉因具有较大表面积在空气中就会在表面生成一层致密氧化物，在铝粉进入加气混凝土砌块料浆中时，由于水泥和石灰的作用使料浆呈比较强的碱性，水环境下会首先发生如下反应0：

其发气过程反应为：

反应放出氢气，产生气体在具有一定稠化程度的料浆中经吸附、聚集、长大等过程形成均匀细小的气泡，最终形成轻质的多孔结构。且大量封闭气孔的存在，极大降低了制品导热系数，使其具有很好的保温效果。在生产过程中，铝粉的添加方式、添加量、发气反应的控制等都应重视。在物料浇注前半分钟左右加入铝粉悬浮液和外加剂，然后浇注入模。

2.2.6 外加剂

生产过程中，为进一步提升蒸压加气混凝土砌块砖性能，添加的外加剂主要有：①分散剂：聚乙烯醇、六偏磷酸钠、聚丙烯酸钠等；②表面活性剂：焦磷酸钠、十二烷基硫酸钠、三聚磷酸钠等。分散剂使铝粉膏均匀分散在料浆中，形成相对稳定的分散或悬浮状态。表面活性剂协助铝粉膏形成复合型发泡，降低气－液界面的表面张力，从而显著改善制品的气孔结构0。

石膏，主要成分为CaSO4的水合物，作为一种必要的外加剂进行添加，其质量占整体比重在 1.6%~2.2%。石膏对于蒸压加气混凝土砌块的生产其主要作为调节剂，调节水泥凝结时间、石灰消化速度及料浆稳定性，提高坯体和加气混凝土砌块制品强度，降低收缩量，提高强度0。

2.3 新型提升强度方法

混凝土砌块制品服役环境要求的日益提高对其制品性能也提出了更高的要求。研究者在实验中通过加入一定量的添加物实现了混凝土砌块性能的大幅提升，这对优化粉煤灰蒸压加气混凝土砌块的性能也具有重要的参考价值。

ZühtüOnurPehlivanlı等0通过往混凝土砌块中添加聚丙烯、玻璃、陶瓷和碳纤维，实现了对混凝土砌块抗压强度性能的极大提升。王淑娟等0在混凝土砌块中添加碳纤维后，与普通混凝土砌块相比，其各种力学性能均有显著改善，通过分析得到碳纤维的体积率为0.2%，长度为15 mm时，提高混凝土砌块力学性能最佳。

Zhang R等0研究了纳米TiO2对水泥基材料的水化、抗压强度发展及干燥收缩三个过程的影响，结果表明：纳米 TiO2能够加速水泥水化过程和细化孔隙进而提高水泥砂浆的抗压强度；Baoguo M A等0通过研究纳米TiO2对20%和40%（重量）粉煤灰作为水泥部分取代的水泥基材料的物理力学性能的影响表明，加入纳米TiO2可加快水泥基材料初凝和终凝，降低流动性，而粉煤灰则相反，且纳米 TiO2的添加可显著增加早期强度，促进水化产物的生成及沉淀，在强度发展的过程中，能加速粉煤灰的早期反应。

Adamu M等0通过往混凝土砌块中添加纳米二氧化硅作为胶凝材料的添加剂，开发了一种可持续性好、抗压强度高的碾压混凝土砌块，结果表明，纳米二氧化硅在一定程度上加速了粉煤灰早期的反应，当含量达到1.22%时，对混凝土砌块的抗压强度、弹性模量及耐磨性等性能均有改善。

Shaikh F U A等0通过往混凝土砌块中添加1wt%~4wt%的CaCO3纳米颗粒，制备出了具有较高的抗压强度和较高的抗水渗透性和抗氯离子渗透性的混凝土砌块。分析表明，当纳米CaCO3颗粒的加入量为1 wt%时，混凝土砌块早期更加致密且孔隙率更低，结合额外形成的硅酸钙水合物凝胶，极大提升了高掺量粉煤灰混凝土砌块的早期抗压强度和耐久性能。

基于此，可往混凝土砌块中添加一定量的纤维及纳米氧化物颗粒以达到提升砖块的性能，通过调整相应的物料比例，生产出密度更低、强度更好且具有可持续性发展性能的制品，拓宽其使用范围。

3 展望

粉煤灰蒸压加气混凝土砌块砌块的生产和应用在我国已有多年历史，生产和应用技术已趋于成熟，为节约成本和提升产品的市场竞争力，生产轻质高强的粉煤灰蒸压加气混凝土砌块仍然是实验研究及实际生产的发展方向，开发新型、环保并具有可持续发展性的制备工艺是下一步的发展需求。利用纤维和纳米颗粒掺杂来提升砌块的性能的方法，为制品性能的优化提供了一个重要的研究方向。

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