粉煤灰磚生產(chǎn)工藝技術(shù)綜述

季曉檬 李正昊（江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

粉煤灰磚以粉煤灰為主要原材料，以礦渣等硅質(zhì)材料及石灰、水泥等膠質(zhì)材料為輔助原材料,按所需配比經(jīng)原料處理、混合、輪碾、壓制成型、養(yǎng)護等工序而制成,其在我國已有近半個世紀的生產(chǎn)應(yīng)用歷史。根據(jù)國家近年來關(guān)于取消實心粘土磚生產(chǎn)的方針,用粉煤灰磚取代粘土磚是較為合理有效的辦法，也是切實可行的方法。作為一種新型的利廢環(huán)保節(jié)能墻體材料,粉煤灰磚的優(yōu)良特性顯得尤為突出。粉煤灰磚具有很多優(yōu)點，如質(zhì)量較輕、導(dǎo)熱系數(shù)較小、生產(chǎn)工藝布置緊湊等，同時，粉煤灰的生產(chǎn)有助于節(jié)約土地資源，節(jié)省能源消耗，保護環(huán)境等。

1 粉煤灰磚的生產(chǎn)工藝技術(shù)

粉煤灰磚在工程應(yīng)用過程中出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量問題，其中，墻體裂紋及局部墻體耐久性的問題尤為突出。究其原因，是多方面的，其中最主要的原因是粉煤灰磚自身的產(chǎn)品質(zhì)量問題，如果該問題得不到很好的解決，將會在很大程度上影響粉煤灰磚在工程實際中的應(yīng)用[1]。為了使粉煤灰磚的產(chǎn)品質(zhì)量滿足工程應(yīng)用的要求，下面就粉煤灰磚的原材料，合理配合比的選擇，以及生產(chǎn)工藝技術(shù)的基本要求進行討論和研究。

1.1 原料及其主要性能

粉煤灰磚以粉煤灰為主要原材料，以礦渣等硅質(zhì)材料，石灰、淤泥等膠質(zhì)材料及細骨料為輔助材料。為了滿足產(chǎn)品自身的質(zhì)量要求，各種原材料都應(yīng)該滿足相應(yīng)的技術(shù)要求，并且滿足各類國家規(guī)范。

1.1.1 粉煤灰

粉煤灰是煤灰在1500℃～1600℃高溫燃燒形成的飛灰以無定形玻璃為主，且含有少量石英，莫來石，赤鐵礦等結(jié)晶相和未燃盡的碳顆粒[2]。粉煤灰中含有的大量活性SiO2和Al2O3與石灰、石膏混合后，在水熱介質(zhì)條件下，生成穩(wěn)定的以水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、塑水化硫鋁酸鹽等為主的膠凝材料。其主要物理性質(zhì)有：密度：1200～1700（kg/m3），堆積密度：550 ～100（kg/m3），密實度：0.5 ～0.8，比表面積：1600 ～3500（c ㎡/g），含水量：5%～7%。

1.1.2 淤泥（主要是湖泊河道淤泥）

淤泥：淤泥屬易熔粘土，是各種礦物巖石碎屑的混合物。淤泥具有下列理化性質(zhì)：

(1) 含 砂 量 為15% ～20%， 耐 火 度 在1350℃以下，粉煤灰磚坯經(jīng)焙燒后呈淡紅色或桃紅色.

表1 用于制磚的粉煤灰的化學(xué)組成(%)[2]

(2)顆粒組成：淤泥是運積粘土礦，其顆粒粒徑小于0.005mm，塑性高，收縮率較大，具吸附性和膨脹性能，易干燥。

(3)含水率：絕對含水率較高，含水率為10%～20%。因此，淤泥采挖入原料場后，應(yīng)經(jīng)風(fēng)化、困泥、陳腐熟化后投入生產(chǎn)為宜。

(4)可塑性：塑性指數(shù)大于15，是高可塑性原料。經(jīng)直觀試驗，將淤泥搓成細條拉長至斷裂，其斷裂處形狀長而細尖，表面張力和粘度大，結(jié)合力強，適于生產(chǎn)粉煤灰空心磚。

(5)收縮率：淤泥粉煤灰磚坯會產(chǎn)生干燥收縮和燒成收縮，一般干燥收縮率為5%～8%，燒成收縮率為3%～5%。

(6)淤泥的化學(xué)成分:淤泥中含SiO2小于60%、Al2O315%左右、Fe2O38%左右、CaO 和MgO 不足1%、有機質(zhì)及化合水5%左右[3]。

1.1.3 生石灰

生石灰：純生石灰的顏色為白色，因其含鐵量不同，隨著含鐵量的增高呈現(xiàn)出黃色至紅色；過火生石灰顏色大多為暗灰色；欠火生石灰顏色大多為淡黃色，且表面多呈現(xiàn)粉砂狀。CaO 是生石灰的主要化學(xué)成分，其含量一般為65%～95%；MgO 是第二主要化學(xué)成分，其含量一般為0.5%～8.5%；除此之外，生石灰中還有少量Al2O3、Fe2O3等。生石灰質(zhì)量的好壞直接影響著粉煤灰磚的生產(chǎn)成本和質(zhì)量，因此選用生石灰時，應(yīng)該關(guān)注活性CaO 含量高、MgO 含量低、消解速度快等特點[2]。

1.1.4 石膏

石膏的物理性質(zhì)：顏色通常為白色或無色，無色透明晶體稱為透石膏，有時因含雜質(zhì)而成灰、淺黃、淺褐等色。凝結(jié)硬化快，但硬化時體積微膨脹。當石灰和水泥等膠凝材料硬化時往往產(chǎn)生收縮，硬化后增加磚的孔隙率，表觀密度和強度較低。在使用中其降低了粉煤灰磚的耐水性和抗凍性，但可以提高粉煤灰磚的強度。實驗結(jié)果表明：粉煤灰中Al2O3的含量為34.6%左右時，加入5%的石膏，可使磚的抗壓強度提高2%～3%；粉煤灰中Al2O3的含量為25.6%左右時，加入3%的石膏，可使磚的抗壓強度提高1.0%～1.5%。而且，摻入石膏同時可加速水化物的生成速度，增加水化物的結(jié)晶度，從而提高磚的早期抗折強度。同時，石膏有助抑制石灰的消化作用。在石灰中加入石膏，能使石灰的消解溫度降低，并且延長消化時間，還能在石灰消化的過程中起到限制體積膨脹的作用。同時，混合料中的這種影響隨石灰用量的增大而越發(fā)顯著[2]。

1.1.5 礦渣

礦渣是指高爐煉鐵熔融的礦渣在驟冷時，來不及結(jié)晶而形成的玻璃態(tài)物質(zhì)。呈細粒狀。礦渣經(jīng)磨細后，是水泥的活性混合材料。含SiO2多的礦渣為酸性礦渣，含Al2O3和CaO 多的為堿性礦渣。堿性礦渣的活性比酸性礦渣高。礦渣由于具有一定的自身水硬性，不宜長期存放。目前，國內(nèi)，使用礦渣作為輔料生產(chǎn)粉煤灰磚的工藝還不成熟，礦渣粉煤灰磚也沒有得到工程中的廣泛運用，主要原因是其反應(yīng)機理還不是很清楚，有待進一步研究，另一原因是由于礦渣本身的價格不易于投入工程生產(chǎn)中。

1.1.6 細集料

粉煤灰磚應(yīng)采用細集料作為其骨料，其粒徑大于5mm ～10mm 的顆粒應(yīng)不大于15%?？梢圆捎锰烊患毤仙埃约叭斯ぜ毤纤槭?，同時，也可以采用工業(yè)廢渣（例如煤渣等）。在粉煤灰磚中，集料是作為調(diào)整顆粒級配的組成，要求顆粒級配合理，粉料少，顆粒強度應(yīng)高于設(shè)計制品強度，應(yīng)使用干堆積密度大于750kg/m3的多種粒徑組成的集料，按照顆粒緊密堆積的原則進行粒徑的選擇，避免使用層理大顆粒比表面積小，物理化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的集料[1]。

1.2 不同種類粉煤灰磚的生產(chǎn)工藝

1.2.1 燒結(jié)粉煤灰磚

燒結(jié)粉煤灰磚的生產(chǎn)工藝流程為：原料選擇→陳化→摻配→處理→成型→干燥→燒結(jié)。

粉煤灰生產(chǎn)燒結(jié)磚已有半個世紀的歷史，其使用范圍僅作“內(nèi)燃料”摻配于黏土中，一般摻配量為20%～30%。燒結(jié)粉煤灰磚坯比黏土磚坯脫水快。粉煤灰在坯體中起骨架作用有利于坯體水分蒸發(fā)，從而縮短干燥周期，減小干燥收縮率，防止裂紋。粉煤灰發(fā)熱量在磚坯體內(nèi)燃燒，能加快火行速度，縮短焙燒時間，加速輪窯周轉(zhuǎn)，提高成品產(chǎn)量[4]。

生產(chǎn)實踐中得知，由于原料顆粒越細，塑性越高，產(chǎn)出率越高，質(zhì)量越好。因而在原料選擇中應(yīng)選用的細粒粉煤灰和塑性較高的黏結(jié)材料，來提高混合料黏結(jié)性能。在此生產(chǎn)工藝中陳化是一關(guān)鍵性步驟，陳化過程的混合料在堆積中可借助于毛細管和蒸氣壓的作用，促使原料內(nèi)水分均勻分布。從而加速顆粒充分水化和離子交換，促使混合料發(fā)生氧化與還原反應(yīng)，使原料均勻松軟。從而提高原料塑性、黏結(jié)性和成型性能，增強坯體密實度，使磚坯表面光滑平整[4]。

從原料角度保證磚質(zhì)量的同時，生產(chǎn)流程中的燒結(jié)也極為關(guān)鍵，直接影響到成品磚質(zhì)量的優(yōu)劣。為保證燒結(jié)質(zhì)量，在低溫階段應(yīng)考慮熱的沖擊。為此，升溫速率應(yīng)適當放慢，一般以70 ～90℃/h 為宜；在中溫階段，磚體內(nèi)的粉煤灰已開始均勻燃燒，升溫速度可提高到100℃/h 上，但不能超過120℃/h，升溫速度過快，可能造成磚體表面開裂或磚體內(nèi)部燃燒不完全,產(chǎn)生黑心,影響外觀質(zhì)量或?qū)Υu強度也產(chǎn)生不利影響[5]；在達到最高燒結(jié)溫度1100 ～1250℃時，恒溫時間約定在2.5 ～3.5h，能達到較好的效果，然后緩慢降溫，整個燒結(jié)過程保持在此30 ～35h 為宜。在燒結(jié)過程中，要盡量使窯體邊部和中部的溫度保持平衡，以保證燒成質(zhì)量。

1.2.2 蒸壓粉煤灰磚

蒸壓粉煤灰磚的生產(chǎn)工藝流程為：原料加工→攪拌→消解→輪碾→壓制成型→靜停養(yǎng)護→高壓蒸養(yǎng)[2]。

原料加工過程的關(guān)鍵是粉煤灰的脫水。一般采用濃縮-真空過濾法進行脫水處理。而輔料的破碎和磨細也對磚的質(zhì)量起重要作用，例如，生石灰的顆粒越細，于粉煤灰顆粒之間的反應(yīng)越快，水化產(chǎn)物越多，產(chǎn)品質(zhì)量越好[6]。此工藝中，消解過程的好壞會影響到磚的質(zhì)量。消解作用一是使生石灰充分消解，以便各原料之間進行反應(yīng)，二是提高混合料的可塑性，便于成型。消解方式分為兩種：料倉消解（1.5 ～4h）和地面消解（8～16h）[1]。輪碾的主要作用是對拌和料進行壓實、均化和增塑，并使磚坯成型時的強度得到提高，同時，輪碾又激發(fā)了粉煤灰在堿性介質(zhì)中的活性。靜停養(yǎng)護的目的是使磚坯在蒸壓養(yǎng)護之前達到一定的強度，以便在高壓蒸養(yǎng)時能夠抵御因溫度和水分遷移產(chǎn)生的應(yīng)力，防止磚坯裂縫[2]。靜停養(yǎng)護分為自然靜停、濕熱靜停和干熱靜停。高壓蒸養(yǎng)既要提供激發(fā)活性所需要的溫度，又要提供反應(yīng)所必需的濕度和壓力，促進磚坯中硅鋁組分和石灰中的水化和水熱合成反應(yīng)，生成具有強度的水化產(chǎn)物，增加產(chǎn)品的結(jié)晶度，提高產(chǎn)品的性能[1]。在產(chǎn)品檢測和工程實際應(yīng)用中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)粉煤灰磚強度不夠，開縫脆斷的情況，究其原因，蒸壓粉煤灰磚在水化過程中真正用于水化反應(yīng)的水量僅占膠結(jié)料的5%左右,大量的拌合水被包裹在粉煤灰的的顆粒中,多余的水便影響粉煤灰產(chǎn)品質(zhì)量。因而在生產(chǎn)中加入早強減水劑，其作用機理是防止水分子滲入粉煤灰顆粒內(nèi)部,使混合料拌合用水量降低,達到減水早強的效果，從而全面提升了粉煤灰磚的質(zhì)量[7]。

1.2.3 免燒免蒸養(yǎng)粉煤灰磚

免燒免蒸養(yǎng)粉煤灰磚的生產(chǎn)工藝流程為：原料選擇及稱量→混磨→混拌→靜置陳化→壓制成型→養(yǎng)護[8]。

雙免磚對粉煤灰有一定要求，其碳含量應(yīng)在10%以下，對于大于10%的粉煤灰應(yīng)選碳處理，當生石灰的質(zhì)量較好，CaO 的含量較高的情況下粉煤灰的碳含量可以放寬到12%。同時，對于粉煤灰的含水量也有一定的要求，在含水量>30%時，應(yīng)采取蒸發(fā)、過濾等脫水處理。在雙免磚中還應(yīng)摻入少量的水泥，能夠提高磚的力學(xué)強度及耐久性。水泥在“雙免磚”制作中是作為粉煤灰活性的激發(fā)劑和固化劑。生產(chǎn)實踐表明水泥的摻量不宜超過7%[5]。

為了滿足強度要求，原料的摻配是很關(guān)鍵的，實驗中得知隨著粉煤灰量的增加，強度有降低的趨勢，因而需要控制粉煤灰的摻量，一般控制在55%～60%左右[9]。成型壓力對粉煤灰磚的強度也有一定的影響，成型壓力提高可以相應(yīng)的提高密實度，在生產(chǎn)中有兩種方法：一是采取合理級配， 加入骨料，強力攪拌和二道輪碾；二是采用低水份高壓成型。選用適當?shù)墓袒瘎┛梢蕴岣叽u的強度，水泥、生石灰或MgO 等可用作固化劑，在選擇固化劑的同時最好能將早強、減水、抗凍等同時考慮[5]。良好的養(yǎng)護能夠有效地提高雙免磚的強度，生產(chǎn)工程中一般有兩種養(yǎng)護方法：水中養(yǎng)護和自然養(yǎng)護。在水中養(yǎng)護的制品抗折強度和抗壓強度要低于其它養(yǎng)護制度,因而在生產(chǎn)中很少使用，作為填充材料磚時可以使用。自然養(yǎng)護時需提供適宜的溫度和濕度條件，實驗表明，當條件滿足時在28d,尤其在90d 時自然養(yǎng)護的粉煤灰磚完全有可能獲得比標養(yǎng)及蒸壓養(yǎng)護更高的強度，因此自然養(yǎng)護在實際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[10]。

2 粉煤灰磚的優(yōu)點及其環(huán)境效益

隨著環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，“綠色發(fā)展”已成為人類社會共同追求的目標，世界各國已將發(fā)展“綠色建材” 確定為重要的發(fā)展戰(zhàn)略。1992 年學(xué)術(shù)界明確定義：“綠色建材”是指在原材料采用、產(chǎn)品制造、使用或者再循環(huán)過程中以及廢料處理等環(huán)節(jié)中，對地球環(huán)境負荷最小和有利于人類健康的材料。粉煤灰磚的生產(chǎn)和使用均符合綠色建材的要求。目前，粉煤灰磚原材料來源廣泛，使用性能良好，能滿足各種建筑使用要求，成本與售價均低于普通實心粘土磚。粉煤灰磚隔熱保溫性能良好,對于節(jié)能減排、低碳環(huán)保具有重要意義，是真正意義上的“綠色建材”。粉煤灰磚在使用上能夠適應(yīng)各種強度等級承重及非承重墻體設(shè)計需要，并通過材性選擇、墻體構(gòu)造設(shè)計和已有配套材料來保證建筑體系的有效實施。粉煤灰磚取代原先的粘土磚,節(jié)約了粘土資源，既避免了由于粉煤灰的長期堆存大量占用土地,又減少了因燒制粘土磚取土而破壞耕地，徹底根除了由于粉煤灰長期堆存而造成的對大氣、地下水、土壤的污染。

3 結(jié)語

目前，粉煤灰磚的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，新型工藝也在不斷涌現(xiàn)，但是，粉煤灰磚仍然存在很多不足之處，如早期強度低, 吸水率高, 抗凍性能差, 以及產(chǎn)品收縮率大等。這些問題還有待解決。

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