颗粒状炉渣掺量对加气混凝土砌块性能的影响

吴世康，季韬，张彬彬，王钊，张文

（福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108）

0 引言

随着墙体材料改革的推行和绿色建筑概念的提出，我国对建筑节能提出了更高的要求[1-2]。蒸压加气混凝土砌块（PT砌块）作为一种墙体填充材料，具有质量轻、保温隔热、耐高温等优异性能[3-8]，广泛应用于房屋建筑中。然而，随着建筑工程对加气混凝土需求的大量增加，砂作为传统PT砌块主要原材料也逐渐出现供应不足的情况[9]。目前，焚烧生活垃圾产生的大量焚烧炉渣，不仅占用耕地，而且污染环境。生活垃圾焚烧炉渣分为颗粒状炉渣和粉状炉渣，将颗粒状炉渣作为细骨料代替砂子应用到PT砌块中，不但可以降低材料成本，而且能够消耗固废、保护环境。因此，研究生活垃圾焚烧炉渣对PT砌块性能的影响具有重要意义。

生活垃圾焚烧炉渣属于焚烧残渣，是生活垃圾焚烧发电厂发电炉中剩余的残留物。生活垃圾焚烧炉渣包括颗粒状炉渣和粉状炉渣，颗粒状炉渣为生活垃圾焚烧炉渣水洗过筛后所剩的粒径较大的颗粒，粒径在0.15～4.95 mm之间[10-12]。目前，关于颗粒炉渣的应用研究大多集中在环保水泥砖上。王山山等[13]研究了不同颗粒状炉渣取代率对环保免烧砖基本力学性能的影响，研究表明，当颗粒状炉渣取代45%的粗集料后，其制备的免烧砖抗压强度可以达到22.7 MPa。Roslidawati等[14]将炉渣作为粗骨料制备环保免烧水泥砖，其强度等级满足MU20技术要求。陈新疆等[15]将焚烧炉渣和石英尾矿作为硅质原材料进行互掺，研究其对加气混凝土板材强度的影响。针对颗粒状炉渣替代不同比例河砂对PT砌块性能的影响研究未见报道。

本文利用颗粒状炉渣取代砌块中的河砂，研究颗粒状炉渣不同掺量（0、10%、20%、30%、40%和50%）对PT砌块基本性能（浆体扩散度、出釜干密度、抗压强度）的影响。并结合XRD、SEM和孔结构分析方法进行机理分析。研究成果对生活垃圾焚烧炉渣的回收利用及PT砌块的推广应用具有重要意义。

1 试 验

1.1 原材料

所用基本原材料（水泥、生石灰、砂、石膏、铝粉）均为福建同利建材科技有限公司厂区实际生产PT砌块的材料。水泥：福建海螺牌P·O42.5R水泥，其各项性能指标见表1。生石灰：有效CaO≥80%。砂：磨细后的闽江河砂，比表面积为320.8 m2/kg。石膏：脱硫石膏，CaSO4·2H2O含量≥92%。铝粉：PT砌块的主要发气材料，为水剂型铝粉膏，基本性能满足JC/T 407—2008《加气混凝土用铝粉膏标准》。

表1 水泥各项性能指标

原状炉渣取自福州红庙岭垃圾综合处理中心，是生活垃圾焚烧炉渣经过水洗过筛后所剩的较大颗粒，粒径为0.15～4.75 mm，见图1。颗粒状炉渣是原状炉渣经试验室烘干后，再使用试验室QM-500型小型球磨机粉磨30 min得到，粉磨细度为25%～30%（0.080 mm方孔筛筛余量），颗粒状炉渣见图1，化学成分见表2。

图1 炉渣

表2 颗粒状炉渣的主要化学成分 %

1.2 试验配合比及方法

1.2.1 配合比

所用的基准配合比为福建同利建材科技有限公司实际投产的PT砌块配方。用颗粒状炉渣分别取代河砂的0、10%、20%、30%、40%和50%，即为颗粒状炉渣的掺量，分别表示为PT00、PT10、PT20、PT30、PT40和PT50。具体干料配合比（除铝粉和水外的所有原材料）见表3，其中水料比（外加水与所有干料的质量比）为0.52，铝粉用量为水泥的1%。

表3 PT砌块干料配合比 质量份

1.2.2 试验方法

（1）成型及养护

对所有材料进行称量，然后将除铝粉外所有干料和水倒入搅拌锅搅拌90 s，加入铝粉后再搅拌30 s，迅速倒入三联钢模（100 mm×100 mm×100 mm）内至预先标记的刻度线（高度为6 cm）。

在静停养护室（50℃）待浆体发气完成且产生初始强度之后（3 h），将其放入蒸压釜进行蒸压养护。蒸压养护后放入标准养护室养护至28 d龄期。蒸压养护制度为：抽真空0.5 h，升温升压1 h，恒温恒压6 h，恒温温度为190～200℃，恒压压力为1.2 MPa，降压2 h。

（2）扩散度

浆体扩散度为表征胶凝材料流动性的一个重要参数，将内径50 mm，高度100 mm的圆筒模置于水平放置的洁净玻璃板中心，注满浆液后，匀速垂直提起圆筒模，待浆液稳定后，测量浆液2个互相垂直方向的扩展直径，取其平均值作为浆体扩散度。

（3）出釜干密度

出釜干密度按照GB/T 11969—2020《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行测试。按式（1）计算：

式中：ρ——出釜干密度，kg/m3；

M——试件出釜后的质量，g；

V——试件体积，mm3。

（4）微观试验

XRD采用福州大学化肥催化剂国家工程研究中心提供的X/Pert Pro MPD型X射线粉末衍射仪（XRD）。采用Nova NanoSEM 230型场发射扫描电镜对试验组进行观察分析。体式显微镜（Stemi 508）用于观察PT砌块切割面的孔结构形态，并对视野范围内的切割面进行拍照。通过Image-Pro Plus金相分析测试软件对图像进行处理，得到PT砌块气孔分布、气孔平均孔径和气孔孔隙率。

（5）抗压强度

采用北京中科路建仪器设备有限公司生产的DYE-2000型电液式压力试验机，强度测试方法按照GB/T 11969—2020规定进行。测试龄期为出釜后放入标准养护室内养护至28 d。

2 试验结果及分析

2.1 扩散度

不同颗粒状炉渣掺量对PT砌块浆体扩散度产生影响如表4所示。

表4 不同颗粒状炉渣掺量对PT砌块浆体扩散度的影响

由表4可知，随着颗粒状炉渣掺量的增大，PT砌块的浆体扩散度增大，PT50为最大，可达到34.6 cm。由于颗粒状炉渣的比表面积为290.5 m2/kg，相较于磨细河砂的320.8 m2/kg更低，而且颗粒状炉渣中不可避免的存在一些玻璃、陶瓷，这些材料在生活垃圾进行焚烧发电的过程中没有被分解，维持原状，并且生成较多熔渣。正是由于颗粒状炉渣的比表面积相较于河砂更小，且含有玻璃、陶瓷和熔渣等“憎水性”材料，才导致PT砌块浆体扩散度增大。

2.2 出釜干密度

不同颗粒状炉渣掺量对PT砌块干密度的影响如表5所示。

表5 不同颗粒状炉渣掺量对PT砌块干密度的影响

由表5可知，随着颗粒状炉渣掺量的增大，PT砌块的出釜干密度呈现先降低后增大的趋势，当掺量为20%时，干密度最低为605 kg/m3。这主要是由于颗粒状炉渣含有较强的“憎水性”材料，导致浆体扩散度增大，进而导致浆体的体积膨胀率增大，故干密度降低。但是当掺量大于20%时，过大的浆体扩散度会导致浆体的稠化速度小于发气速度，浆体表面大量冒泡，发气剂在碱性环境中产生的氢气通过冒泡的形式流失，致使出现较为严重的浆体沉缩现象，所以干密度增大。

2.3 XRD图谱

图2为PT00和PT20在28 d龄期的XRD图谱。

图2 PT00和PT20在28 d龄期的XRD图谱

由图2可知，PT00和PT20水化产物主要是石英、AFm、水化硅酸钙凝胶（C-S-H）和托勃莫来石。与PT00相比，C-SH和托勃来石的衍射峰更高更尖锐。当水泥量不变，随着颗粒状炉渣的掺入，颗粒状炉渣起到“晶核作用”，扩大水泥水化空间，使水化更为充分；且活性SiO2和Al2O3与水泥水化产生的Ca（OH）2发生二次水化反应，产生了更多的C-S-H[16]，在高温高压的反应条件下，低碱性结晶度较差的C-S-H转化成较多的托勃莫来石。C-S-H和托贝莫来石产物的增加对PT砌块的抗压强度起有利作用[17]。

2.4 SEM分析

图3和图4分别为PT00和PT20在28 d龄期的SEM照片。

图3 PT00的SEM照片

图4 PT20的SEM照片

由图3可以看出，PT00的主要水化产物为针状托勃莫来石结晶和絮状的C-S-H凝胶，它们相互交叉，形成较为致密的网状结构。图4（c）为放大8000倍的托勃莫来石的SEM照片，大量的托勃莫来石纵横交错，填充着微观孔隙，保证了PT砌块（PT00）的强度。

由图4可以看出，PT20的主要水化产物和PT00一样。但PT20由于颗粒状炉渣的掺入（取代河砂，水泥量不变），水化更加充分，生成了更多托勃莫来石和C-S-H，水化产物分布更加均匀致密，能够更好地改善加气块的孔结构，使其具有更高的强度。

2.5 孔结构

通过Stemi 508体式显微镜对PT砌块（28 d）的切割面进行拍照（放大6.3倍），然后采用Imaging-Pro Plus金相分析测试软件对照片进行处理，并标记，如图5和图6所示。再通过此软件得到孔结构相关数据，见表6。

表6 PT砌块孔结构数据

图5 Imaging-Pro Plus处理前后照片对比

图6 PT砌块孔结构

由图6可知，当掺量不大于20%时，气孔增大；当掺量超过20%时，气孔变小，是由于浆体扩散度太高，出现塌孔，导致浆体发生沉缩。由表6可知，随着颗粒状炉渣掺量的增加，PT砌块的平均孔径和气孔孔隙率先增大后减小，最大为PT20，平均孔径和气孔孔隙率分别为1.20 mm和58.6%。

2.6 抗压强度

颗粒状炉渣掺量对PT砌块抗压强度的影响如表7所示。

表7 不同颗粒状炉渣掺量对PT砌块抗压强度的影响

由表7可知，当颗粒状炉渣掺量不大于20%时，随着掺量的增加，水泥量不变，取代河砂，晶核作用，水化更充分，结晶度较好的托勃莫来石和C-S-H增加（见图2），水化产物分布更均匀致密（对比图3和图4），对强度起主导作用；平均孔径和孔隙率增大（见表6），但分布的更均匀（见图6），对强度影响较小。综合表现为当颗粒状炉渣掺量不大于20%时，随着掺量的增加，抗压强度增大。当颗粒状炉渣掺量为20%～30%时，较高的浆体扩散度，浆体的稠化速度小于发气速度，导致浆体表面冒泡，发气剂在碱性环境中产生的氢气通过冒泡的形式流失，均匀的孔结构遭到破坏[见图6（d）]，故抗压强度降低。但当掺量超过30%时，由于浆体扩散度过高（见表4），出现塌孔现象[见图6（e）、（f）]，导致浆体发生沉缩，平均孔径和孔隙率降低（见表6），干密度增大（见表5），抗压强度提高。当掺量为20%时，抗压强度最大，为5.61 MPa，干密度605 kg/m3，满足GB/T 11968—2020中A5.0、B06的要求，在工程中有较广阔的应用前景。

3 结论

（1）随着颗粒状炉渣掺量的增大，浆体扩散度增大，干密度先减小后增大。当掺量不大于20%时，浆体扩散度较大，导致浆体的体积膨胀率增大，干密度降低；当掺量大于20%时，浆体扩散度过大，浆体表面大量冒泡，出现较为严重的浆体沉缩现象，干密度增大。

（2）随着颗粒状炉渣掺量的增大，当掺量不大于20%时，托勃莫来石和C-S-H水化产物的增加对强度起主导作用，平均孔径和孔隙率的增大对强度影响较小。综合表现为当颗粒状炉渣掺量不大于20%时，随着掺量的增加，抗压强度增大。当掺量为20%～30%时，较高的浆体扩散度，浆体的稠化速度小于发气速度，浆体表面冒泡，均匀的孔结构遭到破坏，抗压强度降低。但当掺量超过30%时，由于浆体扩散度过高，出现塌孔现象，抗压强度提高。

（3）当颗粒状炉渣掺量为20%时，PT砌块的抗压强度为5.61 MPa，干密度605 kg/m3，既可以消耗大量固体废弃物，又符合GB/T 11968—2020中A5.0、B06的要求，在工程中有较广阔的应用前景。