制備免燒結(jié)高性能蒸壓粉煤灰磚機理研究

侯喜鋒，王 東，孫堅強

（1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；2.安徽建鑫新型墻體材料科技有限公司，安徽 銅陵 244100）

我國作為世界主要產(chǎn)煤和耗煤大國，煤炭在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)仍為各能源行業(yè)的主要需求，在一次能源中已探明煤炭資源占總資源量的90%。盡管我國一直在致力于深入發(fā)展水電、核電、風(fēng)電等清潔能源，但是火力發(fā)電作為傳統(tǒng)模式仍占主導(dǎo)地位。粉煤灰作為工業(yè)發(fā)電廠的廢渣，其排放量逐年遞增。據(jù)統(tǒng)計，2009年全國粉煤灰排放量近4億t，累計堆存的粉煤灰超過50億t，然而我國每年利用在建筑材料上的粉煤灰約占20%[1]。粉煤灰的大量排放和堆積不僅占用大量耕地，也給自然環(huán)境帶來巨大的危害，直接影響到自然生態(tài)環(huán)境和人類的生活質(zhì)量，甚至給人類的生命、財產(chǎn)安全埋下一定程度的隱患。解決這一問題需花費大量資金去實施安全管理和維護。為此，如何大量消耗掉粉煤灰，使其變廢為寶，成為環(huán)境友好型、能源節(jié)約型的新型建筑材料是國家亟需完成的重大課題，并以此形成示范效應(yīng)，為尾礦等其他大宗固體廢棄物樹立良好的應(yīng)用示范線。目前，國內(nèi)外對粉煤灰的研究有很多，涉及合成多孔材料[1-2]、耐火材料[3-4]、高溫陶瓷[5]、礦物肥料[6]等。

蒸壓粉煤灰磚是我國已經(jīng)使用并仍在大力發(fā)展的一種多功能環(huán)保型建筑材料，相比傳統(tǒng)粘土磚具有輕質(zhì)、保溫、隔熱、抗震防火、施工便捷等工藝優(yōu)勢，也是一種利費、節(jié)土的環(huán)境友好型、能源節(jié)約型的新型墻體材料。

本文以粉煤灰為研究對象，探討了不同比例的粉煤灰對蒸壓粉煤灰磚物理性能的影響，并結(jié)合年產(chǎn)2億塊標(biāo)磚的生產(chǎn)線實際，以高效綜合利用粉煤灰等大宗固體廢棄物資源為導(dǎo)向，大量生產(chǎn)建筑民用高性能蒸壓粉煤灰磚為目標(biāo)，拓寬其市場應(yīng)用范圍，為尾礦的綜合高效開發(fā)利用樹立典范。

1 原料

粉煤灰來自安徽銅陵市某發(fā)電廠；磷石膏來自安徽銅陵市某鈦白粉廠；325型號普通硅酸鹽水泥來自安徽銅陵市綠林水泥廠；木質(zhì)素磺酸鈣來自天津市。采用粉煤灰15%～25%，爐渣20%～40%，淤沙20%～40%，石粉5%～10%；激發(fā)劑水泥6%～15%，緩凝劑磷石膏2%～5%，分散劑木質(zhì)素磺酸鈣0.1%～0.3%作為基礎(chǔ)原料。粉煤灰及爐渣原料所含元素見表1。

表1 粉煤灰及爐渣原料全元素分析(%)

如表1所示，粉煤灰與爐渣中的SiO2的含量均超過55%，并在原料中添加淤沙、石粉作為骨料提供硅源和鈣源，為此滿足蒸壓粉煤灰磚的硅鈣比，該工藝可以消耗大量的固體廢棄物。此外，原料中添加了水泥起到了預(yù)先水化促使磚坯體具有一定的強度；磷石膏起到緩凝的作用，防止水泥在自動化設(shè)備中快速凝結(jié)，導(dǎo)致塞堵設(shè)備；分散劑木質(zhì)素磺酸鈣一方面提供鈣源，一方面作為表面活性劑有利于原料的分散，提高水泥水化后物相的強度，與此同時其纖維狀結(jié)構(gòu)對蒸壓粉煤灰磚的整體強度具有極大地強化作用。

2 工藝流程

將粉煤灰、爐渣、淤沙、石粉、激發(fā)劑、緩凝劑、分散劑，通過PLC系統(tǒng)混合、攪拌、研磨，制備成均勻的混合料，其粒度45μm為20%～25%，80μm為26%～30%，含水率為8%～10%；將預(yù)制均勻的混合料通過PLC系統(tǒng)輸送到蒸壓磚自動液壓機料斗，在20MPa的壓力下，壓制5～10s，壓磚速度64～128塊/min；將混合料靜態(tài)壓制成型，獲得磚坯體，采用碼垛機將磚坯體整齊地放置在進蒸壓釜的小車上，等待進入蒸壓釜進行蒸壓處理；此過程不需養(yǎng)護或靜養(yǎng)，通過擺渡車和輸送軌道直接輸送到蒸壓釜中；蒸壓溫度180℃，壓力0.8～1.2MPa，蒸壓釜中飽和蒸汽壓恒溫、恒壓8～12h，出釜。每批次1萬塊。

3 表征

采用日本日立電子顯微鏡公司的S-3500N掃描電子顯微鏡對蒸壓粉煤灰磚的微觀形貌進行了分析；采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的D/MAX2000型X射線粉末衍射儀對蒸壓粉煤灰磚進行了物相分析；采用日本島津制作所生產(chǎn)的XRF-1800型X射線熒光光譜儀對粉煤灰和爐渣進行了全元素分析；采用無錫市錫儀建材儀器廠生產(chǎn)的WAY-300型電液式壓力試壓機對蒸壓粉煤灰磚的抗壓和抗折性能進行了研究，按照J(rèn)C239-2001標(biāo)準(zhǔn)要求進行。

4 結(jié)果與討論

4.1 原料對蒸壓粉煤灰磚性能的影響

表2、表3分別為蒸壓粉煤灰的配方及物理性能，如表2所示，給出了4組蒸壓粉煤灰磚的配方，與之對應(yīng)的表3給出了每組配方所合成制品的物理性能。綜合分析，4組配方所制備的蒸壓粉煤灰磚的抗壓強度、抗折強度、凍后抗壓強度、凍后質(zhì)量損失均滿足JC239-2001粉煤灰磚[7]優(yōu)等品的要求。其中S2配方所合成的制品的各項物理性能均優(yōu)于S1、S3和S4，分析認(rèn)為，S2配方中的激發(fā)劑水泥和分散劑木質(zhì)素磺酸鈣含量相對較多，一方面兩種原料提供了鈣源，另一方面作為分散劑的木質(zhì)素磺酸鈣能夠有效的將物料分散均勻，并在反應(yīng)形成物相中提高水泥和蒸壓磚自身的強度；此外，木質(zhì)素磺酸鈣自身纖維狀的結(jié)構(gòu)也在磚結(jié)構(gòu)中起到了增韌作用，為此蒸壓粉煤灰磚的抗壓強度、抗折強度均得到了大大地提高。

表2 蒸壓粉煤灰磚的配方(%)

表3 蒸壓粉煤灰磚的物理性能

綜上分析，優(yōu)化的配方為S2配方。在實際生產(chǎn)中，每次配料約25t，每批次生產(chǎn)蒸壓粉煤灰磚1萬塊，以此驗證生產(chǎn)線中的可行性。

4.2 SEM與EDS分析

粉煤灰原料的微觀結(jié)構(gòu)見圖1。圖1(a)顯示了粉煤灰中存在大量的氧化硅球，大小不一，其中最大直徑約10μm，最小的直徑約2μm，為此粉煤灰原料中的氧化硅球不僅提供了優(yōu)質(zhì)的硅源，而且氧化硅球本身具有極高的化學(xué)反應(yīng)活性。如圖1(b)所示，此氧化硅球表面光滑，由此以其表面為基體，極容易生長晶體。圖1(c)為圖1(b)氧化硅球EDS能譜，發(fā)現(xiàn)有Si、Al、Fe、O等元素，其中Fe2O3的存在還將促進氧化硅球的快速反應(yīng)。

圖1 粉煤灰原料的微觀結(jié)構(gòu)

4組不同配方(S1、S2、S3和S4)合成的蒸壓粉煤灰磚的微觀結(jié)構(gòu)照片和EDS能譜照片見圖2。EDS能譜顯示，4組蒸壓粉煤灰磚中均含有Si、Al、Ca、O元素，為此有效的生成了礦物水化物，使蒸壓粉煤灰磚具有高強度。對比4組照片發(fā)現(xiàn)，S1制品為板片狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)排列相對緊密，并且徑厚比較大，因此使蒸壓粉煤灰磚具有抗壓強度25.0MPa，抗折強度5.0MPa，凍后抗壓強度20.0MPa，凍后質(zhì)量損失0.8%，吸水率8%的優(yōu)越性能；S2制品為纖維結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)均為針狀，發(fā)散狀，針尖的寬度約100nm，相當(dāng)于晶須一般，圖中發(fā)現(xiàn)晶須生長過程中有彎曲現(xiàn)象，由此說明針尖位置為晶須生長的驅(qū)動力發(fā)源地。晶須根部為氧化硅球，即氧化硅球提供晶須生長的營養(yǎng)來源。從S2制品的物理屬性判斷，其使用性能在4組中為最佳，其抗壓強度25.5MPa，抗折強度5.1MPa，凍后抗壓強度20.5MPa，凍后質(zhì)量損失0.8%，吸水率9%。分析認(rèn)為，晶須的大量生成，起到了一定的增韌效果，促使蒸壓粉煤灰磚的強度得到顯著提高。但因其針狀結(jié)構(gòu)，氣孔度提高，因此吸水率也升高，這與理論是相符的；S3制品中存在直徑約10μm的“大鐵球”，由橫七豎八的“鐵棍”“焊接”而成，表面附著著一些零散的圓形顆粒為氧化硅球。EDS分析認(rèn)為，F(xiàn)e元素在物料中起到了催化作用，因此形成了該獨特結(jié)構(gòu)，從而使S3制品也具有較高的物理強度；S4制品中，多個的氧化硅球聚集在一起，表面生長大量纖維狀物質(zhì)，與S3不同的是這些纖維狀物質(zhì)平鋪附著在氧化硅球表面，起不到一定的增韌作用，因此其物理性能受到一定的影響，其抗壓強度24.3MPa，抗折強度4.8MPa，凍后抗壓強度18.2MPa，凍后質(zhì)量損失0.9%，吸水率10%。

圖2 不同配方制品的SEM照片及其對應(yīng)的EDS能譜照片

5 結(jié)論

本文通過以煤灰、爐渣、淤沙、石粉、激發(fā)劑、緩凝劑、分散劑為原料，制備高性能蒸壓粉煤灰磚，探索了不同原料添加量對制品物理性能的影響，研究4組不同配方對制品性能的影響，優(yōu)化了工藝條件，并通過生產(chǎn)線分別進行了每批次1萬塊蒸壓粉煤灰磚的試生產(chǎn)。探討了反應(yīng)機理、反應(yīng)條件以及微觀結(jié)構(gòu)，得出以下結(jié)論：

(1)優(yōu)化的配方中，S2制品的抗壓強度為25.5 MPa，抗折強度為5.1MPa，容重1650～1700kg/m3，凍后抗壓強度20.5MPa，凍后質(zhì)量損失0.8%，吸水率9.0%，相當(dāng)于JC239-2001粉煤灰磚[7]標(biāo)準(zhǔn)中的優(yōu)等品。

(2)分散劑木質(zhì)素磺酸鈣的添加有效地增強了制品的相關(guān)物理性能。

(3)按照S2配方生產(chǎn)，大量的針狀、纖維狀水化物物相對蒸壓粉煤灰磚起到了增韌、強化的作用。

(4)從蒸壓粉煤灰磚的使用性能分析，因其較高的物理強度，使該磚不僅可以替代傳統(tǒng)粘土磚用于建筑，也可替代鋪馬路用的“面包磚”，效果更加顯著，成本更加低廉。

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