大掺量粉煤灰蒸压加气混凝土的制备试验研究

摘要：粉煤灰是煤炭燃烧后产生的固体废弃物，若采用填埋处理，则会对环境造成很大危害。试验以粉煤灰为主要基体材料，将双氧水作为发气剂，从影响双氧水的发气条件入手，复掺生石灰和水泥作为胶凝材料，添加石膏作为缓凝剂，另加少量激发剂和稳泡剂，制备蒸压加气混凝土砌块，从而有效实现粉煤灰大掺量利用。检测结果显示，在最佳的反应时间、双氧水浓度、催化剂添加量、溶液pH、水浴温度和双氧水添加量等发气条件下，蒸压加气混凝土砌块的抗压强度为5.2 MPa，干密度为579 kg/m3，符合强度等级A5.0、密度等级B06的产品质量要求。

关键词：粉煤灰；蒸压加气混凝土；砌块；制备；大掺量；双氧水；发气剂

中图分类号：TU522.3 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）08-000-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.08.002

Experimental study on the preparation of high-volume fly ash autoclaved aerated concrete

——Taking hydrogen peroxide as the gas generator

WANG Zheng， HU Rongjian， YANG Chaogang， LIU Huijun， ZHAO Tianxiang， ZHANG Meixia， ZHANG Huiyue

（Baowu Huanke Shanxi Resource Recycling Co.， Ltd.， Taiyuan 030003， China）

Abstract： Fly ash is a solid waste generated after coal combustion， if it is disposed of by landfill， it will cause great harm to the environment. In this experiment， the fly ash is used as the main matrix material and hydrogen peroxide is used as the gas generator， starting from the conditions that affect the gas generation of hydrogen peroxide， quicklime and cement are mixed as cementitious materials， gypsum is added as a retarder， and a small amount of activator and foam stabilizer are added to prepare autoclaved aerated concrete blocks， thus effectively achieving the high-volume utilization of fly ash. The test results show that under the optimal gasification conditions such as reaction time， hydrogen peroxide concentration， catalyst addition amount， solution pH， water bath temperature， and hydrogen peroxide addition amount， the compressive strength of autoclaved aerated concrete blocks is 5.2 MPa， and the dry density is 579 kg/m3， which meets the product quality requirements of strength grade A5.0 and density grade B06.

Keywords： fly ash; autoclaved aerated concrete; blocks; preparation; high-volume; hydrogen peroxide; gas generator

山西省既是产煤大省，又是燃煤发电大省，煤炭燃烧后产生大量粉煤灰。粉煤灰堆存量巨大，占用宝贵的土地资源，给环境带来安全隐患。经过风化及雨淋作用，粉煤灰堆场中的有毒有害重金属离子会渗到土壤中，污染土壤及地下水，危害人类的生命健康，处理不当又会产生扬尘，污染大气[1-5]。开发大掺量的粉煤灰利用方式是缓解当下粉煤灰堆存环境压力的有效途径。

目前，蒸压加气混凝土行业主要使用铝粉作为发气剂，该材料发气率低，在空气中较易氧化，不易保存。铝粉不溶于水，使用过程中加入料浆后分散性差，造成发气不均匀，而且反应产生的氢气在生产过程中存在较大的安全隐患[6-8]。同时，电解铝为粗放型行业，生产过程中消耗大量能量，而且铝粉价格不稳定，随上游矿石价格波动较大。双氧水是过氧化氢（H2O2）的水溶液，H2O2易溶于水，在浆料中能均匀分散，添加极少量的外加剂即可激发反应，并实现双氧水发气速率可控。加气混凝土生产过程中养护室的高温和粉煤灰料浆的天然碱性环境都能促进双氧水的反应[9-10]，它是一种较为理想的发气剂。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

粉煤灰来源于太原钢铁（集团）有限公司，主要活性成分是SiO2和Al2O3，二者的总含量不小于45%，经筛孔长和宽均为0.045 mm的方孔筛筛选，筛余物占比为35%～45%，具体成分如表1所示。主要试剂有双氧水（工业级，浓度30%）、二氧化锰（工业级，有效成分含量85%）和硬脂酸钙（工业级，纯度99%）。同时，以谷氨酸和水玻璃减水剂为原料，配制稳泡剂备用。主要试验仪器有铝粉膏发气量测定仪、水泥胶砂搅拌机、微机控制加气混凝土压力试验机、标准恒温恒湿养护箱和X射线衍射仪，基本参数如表2所示。

1.2 试验方法

双氧水发气条件试验在烧瓶中进行，不同反应条件下的发气量通过铝粉膏发气量测定仪测量。先将粉煤灰（掺量72.86%）与适量水倒入砂浆搅拌机混合，加入脱硫石膏（掺量4.37%）、稳泡剂，然后加入二氧化锰，慢速搅拌600 s；加入生石灰（掺量12.91%）和水泥（掺量5.22%），快速搅拌140 s；加入双氧水（掺量4.64%），快速搅拌10 s；将混合料浇注入模（三联试模），薄膜覆盖。其中，三联试模的规格为100 mm×100 mm×100 mm（长×宽×高）。

将模具放入恒温恒湿养护箱，60 ℃温度下养护2～4 h。坯体具有一定强度后取出，用切割钢丝将溢模的坯体切除，拆模，取出坯体。将坯体置于蒸养釜中蒸压养护（温度180 ℃、压强1.0 MPa，恒温养护6 h），取出后，成品自然条件下存放5 d以上，测量性能指标。

2 试验结果与讨论

2.1 反应时间对发气效果的影响

将0.2 g二氧化锰加入2 g双氧水（浓度30%）中，反应时间对发气效果的影响如图1所示。在前3 min，

双氧水与二氧化锰粉末反应剧烈，产生大量氧气，反应3 min时，发气量达到44 mL，之后不再变化。因此，在此液固比下，双氧水的最佳反应时间为3 min。

2.2 双氧水浓度对发气效果的影响

将0.2 g二氧化锰加入2 g不同浓度的双氧水中，反应时间设定为3 min，双氧水浓度对发气效果的影响如图2所示。发气量随双氧水浓度的提高而不断增加，当双氧水浓度为30%（母液浓度）时，发气量最大，为44 mL。因此，双氧水的最佳浓度为30%。

2.3 催化剂添加量对发气效果的影响

将不同质量的二氧化锰粉末加入120 g浓度为0.5%的双氧水中，反应时间设定为3 min，催化剂添加量对发气效果的影响如图3所示。发气量随二氧化锰添加量的提高而不断增加，当二氧化锰添加量为10 g时，发气量最大，为57 mL。因此，作为催化剂，二氧化锰的最佳添加量为10 g。

2.4 溶液pH对发气效果的影响

将0.2 g二氧化锰粉末加入120 g浓度为0.5%的双氧水中，使用盐酸与氢氧化钠调节溶液pH，反应时间设定为3 min，溶液pH对发气效果的影响如图4所示。随着溶液pH的增加，发气量先降低后上升，当溶液pH为7时，发气量最小，为25 mL，pH为1时，发气量最大，为53 mL。试验发现，溶液pH为1时，随着反应的进行，溶液固体分含量不断减少，溶液开始澄清，推测二氧化锰已参加反应而被溶解。经分析，浓盐酸与二氧化锰反应可生成氯气，进而增加反应的发气量，而氯气为剧毒性气体。碱性环境下，双氧水的反应效果更好。

2.5 水浴温度对发气效果的影响

将盛有120 g双氧水（浓度0.5%）的烧瓶放入设定不同温度的水浴锅中，加入0.2 g二氧化锰粉末，反应时间设定为3 min，水浴温度对发气效果的影响如图5所示。发气量随水浴温度升高而不断增加，当水浴温度为90 ℃时，发气量最大，为70 mL，说明高温环境有利于双氧水的反应。

2.6 双氧水添加量对试块密度的影响

将不同双氧水添加量的混合料浇筑于三联试模中，考察不同双氧水添加量对试块密度的影响，结果如图6所示。随着双氧水添加量的增加，试块的密度逐渐降低。未加双氧水时，蒸养后的试块密度为1 286 kg/m3。加入40 mL双氧水后，蒸养后的试块密度降低到699 kg/m3。

2.7 X射线衍射分析

原状粉煤灰的X射线衍射图谱如图7所示，粉煤灰蒸压加气混凝土的X射线衍射图谱如图8所示。与原状粉煤灰成分相比，以粉煤灰为主要基体材料制成的蒸压加气混凝土蒸压养护过程中，粉煤灰中的无定型SiO2不断溶解到液相中，与生石灰溶解生成的Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙。随着温度升高到175 ℃以上，水化硅酸钙部分转化成托勃莫来石，结晶度较低的水化硅酸钙中穿插一些结晶良好的托勃莫来石，二者交联共生，共同赋予加气混凝土较好的力学性能，抗压强度得到显著提高。

3 结论

试验发现，加入二氧化锰后，双氧水反应剧烈，反应3 min后即达到平衡状态。偏碱性环境有利于双氧水反应的进行，温度越高，双氧水的分解速度越快。蒸压养护过程中，莫来石的生成赋予粉煤灰加气混凝土较好的力学性能。将双氧水（掺量4.64%）加入粉煤灰（掺量72.86%）、生石灰和稳泡剂等组成的混合体系中，经过蒸压养护，可以制得抗压强度为5.2 MPa、干密度为579 kg/m3的蒸压加气混凝土砌块。检测结果显示，蒸压加气混凝土砌块的抗压强度符合强度等级A5.0的要求，干密度满足密度等级B06的要求，产品质量合格。

参考文献

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