粉煤灰压制成型免烧免蒸压砖试验研究

杨 永

(四川省建筑科学研究院有限公司，四川 成都 610081)

0 前 言

粉煤灰作为燃煤发电厂排放的固体废弃物，排放量逐年增加，我国对粉煤灰的研究和利用也不断深入，综合应用范围越来越广[1]。目前国内的粉煤灰研究主要集中在建材制品、建设工程、道路工程、农业应用、从粉煤灰中提取矿物和高值利用、环境治理和保护、催化反应中的应用等各个方面[2]。主要应用在水泥混合材、混凝土掺合料、加气混凝土或轻质保温材料、墙体材料等方面[3-6]。将粉煤灰用作主要原材料制砖是当前研究热点之一[7-8]，研究主要集中在采用蒸压养护工艺使粉煤灰砖早期强度快速增长，但蒸压养护需要使用特定蒸压设备，工艺较为复杂且能耗较高。近年来，免烧免蒸压粉煤灰砖逐渐代替蒸压砖成为研究热点之一，不仅如此，研制生产粉煤灰砖逐步代替实心传统黏土砖成为近几年发展的一种趋势。

因此，研究以粉煤灰为主要原材料，加入生水灰、石膏、水泥和骨料等，压制成型制备粉煤灰砖，并研究养护方式对其力学性能的影响，通过正交试验确定粉煤灰-骨料砖的最优配比，制备满足标准要求的粉煤灰砖，为研制免烧免蒸压砖提供实用参考价值。

1 试验原材料及制备

粉煤灰采用重庆九龙坡珞璜电厂的二级粉煤灰，其化学成分见表1。生石灰粉(CaO)采用湖北益阳的益佳欣石灰厂，CaO含量90%，0.08 mm方孔筛余低于20%。石膏采用氟石膏，主要成分为无水硫酸钙。水泥采用普通硅酸盐水泥P·O 42.5级。骨料选用粒径5～10 mm的石灰石碎石，采用连续级配；砂选用机制砂中砂。外加剂选用无水硫酸钠(Na2SO4)。

表1 粉煤灰的化学成分 wt.%

根据试验要求，设置无骨料粉煤灰砖配比(见表2)，水胶比为0.18。粉煤灰-骨料砖采用正交试验，粉煤灰、生石灰和骨料为3个主要因素，共设置9组试验，详细配比见表3，其中，骨料里碎石∶中砂=3∶2，水胶比0.18，无水硫酸钠掺量0.2%。

表2 无骨料粉煤灰制砖配比 wt.%

表3 含骨料粉煤灰制砖配比 wt.%

2 试验方法

免烧粉煤灰-骨料砖研制过程主要为：生石灰熟化-加入粉煤灰和石膏混合均匀-加入水泥、骨料、外加剂和水等搅拌均匀-压制成型-静停2 h-养护-成品性能测试。

研制的粉煤灰砖尺寸为240 mm×115 mm×53 mm，采用压力机压制成型，成型压力为10 MPa，定荷60 s。砖抗压强度、抗折强度、吸水率性能依照《砌墙砖试验方法》(GB/T 2542—2012)进行试验。

3 结果及讨论

3.1 养护方式对粉煤灰砖性能的影响

采用蒸汽(90℃)养护和标准养护(20±2℃，RH≥95%)两种方式对砖进行养护，分别测量其3 d、7 d、28 d抗压强度。其中，蒸汽养护时，所有试件在蒸汽养护箱中养护3 d后放进标准养护室继续养护至相应龄期。养护方式对粉煤灰砖抗压强度及吸水率的影响结果见表4。

表4 蒸汽养护和标准养护对砖的抗压强度及吸水率的影响实验结果

从表4中可以发现，同种养护条件下，抗压强度随吸水率的增加而降低，蒸汽养护的粉煤灰砖吸水率低于标准养护，这主要是因为蒸汽养护加速了水化反应，生成了更多的水化产物，在一定程度上改善了孔结构，使砖内联通孔减少，封闭孔增加，使吸水率降低。值得注意的是，养护方式对砖抗压强度影响十分明显，蒸汽养护可以使砖强度快速增加，W1和W2组的28 d抗压强度均超过15 MPa，达到MU15砖的强度要求；而同龄期的标准养护的抗压强度约为蒸汽养护的1/3，且标准养护28 d抗压强度仅有5.8 MPa，没有达到MU10的标准。需注意的是，粉煤灰砖经过标准养护7 d和28 d的抗压强度相对于3 d强度仅增长了不到3 MPa，说明标准养护不能快速有效提高砖的强度，这主要是由于在湿热环境中，特别是温度较高时，粉煤灰中活性成分(SiO2和Al2O3)与石灰中的Ca(OH)2反应速率加快，促进了水化硅酸钙等水化产物的生成，且高温还有利于水化硅酸钙结晶，也在一定程度上提高了强度。因此，粉煤灰砖采用蒸汽养护更利于工厂进行规模化生产。

3.2 蒸汽养护时间对砖抗压强度和吸水率的影响

为确定蒸汽养护(90℃)时间对粉煤灰砖抗压强度的影响，实验设置了蒸汽养护时间分别为8 h、12 h、24 h、36 h、48 h、72 h、144 h，实验结果见图1。由图1柱状图可以发现，随着蒸汽养护时间的延长，粉煤灰砖的抗压强度不断增加，养护24 h时强度可超过10 MPa，48 h后可超过15 MPa，主要是因为砖内生成的水化产物不断增加，延长养护时间可以在一定程度上加速强度的发展[9]。另外，随着养护时间的延长，砖的吸水率呈下降趋势，但在48 h后，吸水率不再下降，这可能是由于随着蒸汽养护时间的增加，砖内孔结构不断改善，但在48 h后孔结构逐渐趋于稳定。因此，考虑砖的强度增长速率及蒸汽养护成本，分析认为对粉煤灰砖合理进行蒸汽养护的养护时间是48 h。

图1 蒸汽养护时间对粉煤灰砖抗压强度和吸水率的影响

3.3 粉煤灰-骨料砖配比优化

在粉煤灰砖中加入骨料可有效降低成本，有利于推广应用，但对强度影响较大。表5汇总了考虑粉煤灰、生石灰和骨料3个主要因素对抗压强度和抗折强度的影响结果，其中，砖养护过程为蒸汽养护48 h后标准养护至规定龄期。从结果可知，粉煤灰-骨料砖28 d抗压强度均大于10 MPa、抗折强度均大于2.5 MPa，可达到《蒸压粉煤灰砖》(JC/T 239—2014)MU10强度要求。

以28 d抗压强度为目标进行正交试验分析，结果表明3个因素对强度的影响显著性为：粉煤灰>骨料>生石灰。增加或减少粉煤灰、生石灰和骨料用量，抗压强度也相应变化。因此，综合分析认为粉煤灰砖最佳配比为粉煤灰∶生石灰∶骨料∶水泥∶石膏=61∶11∶19∶5∶4。

表5 正交实验结果

4 结 论

1)标准养护条件下，粉煤灰砖抗压强度发展缓慢，28 d强度不足10 MPa；与标准养护相比，蒸汽养护可使砖的早期强度快速增长，在24～72 h内可获得较高的抗压强度。

2)粉煤灰砖在蒸汽养护8～72 h时间内，其抗压强度不断增加，在48 h之后，强度增长缓慢，吸水率趋于稳定，在90℃的蒸汽养护条件下，合理的蒸汽养护时间为48 h。

3)掺骨料粉煤灰砖最佳配比为粉煤灰∶生石灰∶骨料∶水泥∶石膏=61∶11∶19∶5∶4，28 d抗压强度均大于10 MPa，抗折强度均大于2.5 MPa，可达到MU10强度要求。

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