工業(yè)廢渣制備環(huán)保型廣場磚研究

華小虎，劉文剛，吳晨，郝海寧，王楨妹，王樂，張璐瑤

（西安科技大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710054）

工業(yè)廢渣制備環(huán)保型廣場磚研究

華小虎，劉文剛，吳晨，郝海寧，王楨妹，王樂，張璐瑤

（西安科技大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710054）

通過在脫硫石膏-粉煤灰膠凝體系中添加不同作用的外加劑，制備出環(huán)保型廣場磚，并對其力學性能進行了測試。結果表明，當半水脫硫石膏與粉煤灰的質量比為45：35，添加10%水泥、5%SiC廢渣顆粒、2%生石灰、0.8%FDN減水劑、2%Na2SiO3、0.2%CMC粉，在水膠比為0.3時，所制備的廣場磚性能符合GB/T 23458—2009《廣場用陶瓷磚》標準要求。

廣場磚；環(huán)保；脫硫石膏-粉煤灰膠凝體系；水化

0 引言

我國是煤炭的生產(chǎn)和消費大國，由燃煤排放的粉煤灰及大量二氧化硫成為惡性污染物質，這些工業(yè)廢料的堆積擠占土地，影響當?shù)乜諝庵械姆蹓m含量。將這些廢料應用于環(huán)保磚生產(chǎn)中，不僅可以使污染物得到合理利用，還能有效地提高路面的生態(tài)循環(huán)功能。目前，國內(nèi)外對環(huán)保磚的研究和應用范圍雖然廣，但市售的環(huán)保磚仍然種類較為單一，真正達到環(huán)保標準的環(huán)保磚也是少之又少，只是在原料上做到環(huán)保并不能完全解決環(huán)境及使用過程中出現(xiàn)的問題。原料環(huán)保廉價，同時磚體結構能起到改善生態(tài)環(huán)境作用的環(huán)保磚已經(jīng)成為國際上環(huán)保磚的重要研究方向和生產(chǎn)目標。環(huán)保磚在國際上已有70年左右的歷史。前蘇聯(lián)定全蘇標準379-53時[1]，就已對粉煤灰磚的物理力學性能和使用范圍等作出了明確規(guī)定。1958年我國就成功研制了蒸壓和非蒸壓粉煤灰渣磚，1965年開始生產(chǎn)粉煤灰燒結磚[2]，國內(nèi)目前生產(chǎn)的粉煤灰磚主要有蒸壓粉煤灰磚和燒結粉煤灰磚，產(chǎn)品用灰量大，可節(jié)約大量黏土，且性能與黏土磚相差不大。由于國內(nèi)脫硫石膏產(chǎn)生的歷史較短[3]，綜合利用也是剛剛起步，現(xiàn)階段對脫硫石膏等工業(yè)廢料只在少數(shù)領域中得到應用，對于環(huán)保磚的研究和應用技術也并不成熟，并且尚未形成工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。隨著社會經(jīng)濟及工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)廢料急劇增多，它們對城市環(huán)境造成巨大壓力，限制了經(jīng)濟與工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。脫硫石膏和粉煤灰也是主要的固體廢棄污染源。因此，若能有效利用脫硫石膏和粉煤灰制成路面環(huán)保磚[4]，不僅響應了國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，減輕這些廢棄物對環(huán)境的污染，而且能有效避免“二次污染”，實現(xiàn)國家變廢為寶的倡導。同時，以這些原料制成的環(huán)保磚在能夠達到產(chǎn)品標準的同時，極大地降低了成本。

1 實 驗

1.1 原材料和主要儀器設備

脫硫石膏：呈中性或略偏堿性，灞橋電廠；粉煤灰：富含大量活性SiO2及Al2O3，灞橋電廠；激發(fā)劑：生石灰CaO；早強型水泥：32.5R；SiC廢渣顆粒：SiC含量45%～52%，碳化硅廠廢料；萘系減水劑（FDN）：減水率≥14%；早強劑：Na2SiO3；粘結劑：羧甲基纖維素鈉（CMC）。

自制磚體模具，YJ-40壓力成型機，烘箱，養(yǎng)護箱，抗壓強度測試儀，耐磨性測試儀，導熱系數(shù)測試儀，天平等。

環(huán)保型廣場磚：尺寸250 mm×250 mm×50 mm，磚內(nèi)分布有如圖1所示的15個倒杯狀儲水孔，儲水量達260 ml。此磚不但具有原料環(huán)保、耗能低（免蒸、免燒）、強度高、防滑、耐磨等特點，還具有儲水、釋放水汽、除塵的功能。

圖1 環(huán)保廣場磚示意

1.2 實驗配方設計及確定

按照主要原料脫硫石膏、粉煤灰和碳化硅廢渣用量（按占膠凝材料總量計）對磚體的影響，設計了如表1所示的正交實驗配方。正交實驗得出5#配方所制備的磚28 d抗壓強度最高。確定環(huán)保廣場型多孔地板磚的理論最佳配方為：m（脫硫石膏）：m（粉煤灰）：m（水泥）：m（SiC廢渣）：m（石灰）=45：35：10：5：5。

表1 正交實驗設計與結果

1.3 工藝流程

原料稱取→干料混合→球磨→加骨料→加水（外加劑）攪拌→濕料入?！鷫毫Τ尚汀撃！B(yǎng)護→成品檢測。

1.4 測試與表征

根據(jù)GB 23458—2009《廣場用陶瓷磚》要求，本次設計的廣場環(huán)保型多孔地板磚應符合：抗折強度>3.2 MPa；抗壓強度>16 MPa；干縮比不高于0.5%；軟化系數(shù)>0.75；導熱系數(shù)＜0.026W/（m·K）；抗凍性不低于D15。外觀質量按GB 23458—2009判斷，其承壓面的不平度≤0.05 mm/100 mm，承壓面與相鄰面的不垂直度≤±1°。

2 結果與討論

2.1 脫硫石膏與粉煤灰質量比對廣場磚性能的影響

環(huán)保磚強度主要取決于生成的脫硫石膏-粉煤灰膠凝材料的強度。實驗中分別取脫硫石膏與粉煤灰質量比為15：65、25：55、35：45、45：35、55：25和65：15，水膠比為0.3，加入外加劑及水拌合均勻后，采用壓制成型后直接脫模，在空氣中分別養(yǎng)護2 d和3 d后測試每組試件的抗壓強度，結果如表2所示。

表2 脫硫石膏與粉煤灰質量比對廣場磚抗壓強度的影響

由表2可以看出，隨著脫硫石膏用量的增加，廣場磚的抗壓強度不斷提高。這是由于水化產(chǎn)物的增加，材料內(nèi)部網(wǎng)狀結晶體更多[5]，晶體之間的搭接、密實程度明顯增加，結晶接觸點也增多，硬化體的孔粒徑得到細化；另外，在水化過程會消耗澆注材料內(nèi)部的一部分水，但是半水脫硫石膏水化成二水脫硫石膏一定程度上引起體積增加，增加的體積將消耗水分后留下的空隙填充，使膠結材更為致密，強度提高。

但是當脫硫石膏比例超過45:35時，抗壓強度增長率開始下降，整體強度反而有降低趨勢。過多的半水石膏得不到充分水化，滯留在膠結材中，影響晶體網(wǎng)之間的相互連接，影響晶粒的生長，同時由于缺乏水分，膠結材內(nèi)部形成一部分空隙，引起體系強度降低。

2.2 減水劑摻量對脫硫石膏-粉煤灰膠體膠凝體系性能的影響

減水劑可以使脫硫石膏拌合物在保持良好工作性的條件下明顯減小水灰比，從而降低石膏硬化體內(nèi)的孔隙率，有利于提高其強度和耐水性。FDN萘系減水劑不影響膠凝體系的凝結時間，引氣量低，能大幅度降低膠凝體系的水灰比。當m（脫硫石膏）：m（粉煤灰）：m（水泥）：m（SiC廢渣）：m（石灰）=45：35：10：5：5時，減水劑摻量對脫硫石膏-粉煤灰膠體膠凝體系性能的影響見表3。

表3 減水劑摻量對脫硫石膏-粉煤灰膠體膠凝體系性能的影響

從表3可以看出，隨著FDN摻量的增加，脫硫石膏-粉煤灰膠體膠凝體系的標準稠度用水量降低，凝結時間延長，為了保證正常凝結并從經(jīng)濟方面考慮，F(xiàn)DN的適宜摻量確定為0.8%，以下試驗中FDN摻量均為0.8%。

2.3 生石灰摻量對廣場磚性能的影響

生石灰水化后，OH-能打破粉煤灰的玻璃體結構，激發(fā)粉煤灰的活性，生成更多的水化產(chǎn)物，從而提高體系的強度。當m（脫硫石膏）：m（粉煤灰）：m（水泥）：m（SiC廢渣）=45：35：10：5時，生石灰摻量對廣場磚14 d強度的影響如圖2所示。

圖2 生石灰摻量對廣場磚14 d強度的影響

從圖2可以看出，生石灰的加入對廣場磚14 d強度影響較大，當其摻量從0增大到2.0%時，廣場磚的14 d強度顯著提高，但當摻量繼續(xù)增大時，強度反而下降。因此，生石灰的適宜摻量為2.0%，此時環(huán)保型廣場磚的抗折、抗壓強度分別較未摻生石灰的樣品提高63.64%和154.4%。綜合考慮，本次設計中石灰的用量為2%。

2.4 水泥摻量對廣場磚性能的影響

水泥的加入能使脫硫石膏-粉煤灰膠體早期水化程度提高，水化產(chǎn)物大幅度增多，早期強度明顯提高。當m（脫硫石膏）：m（粉煤灰）：m（SiC廢渣）：m（石灰）=45：35：5：5，水泥摻量對廣場磚力學性能的影響見圖3。

由圖3可知，水泥摻量在0～12%內(nèi)增加時，廣場磚的抗壓強度提高，但水泥摻量超過10%時，抗壓強度和抗折強度下降，水泥摻量過高也不經(jīng)濟。綜合考慮，水泥的適宜摻量為10%，此時廣場磚的抗折、抗壓強度較未摻水泥時分別提高88.09%和124.77%。

圖3 水泥摻量對脫硫石膏-粉煤灰膠體力學性能的影響

2.5 最佳配比試驗

按脫硫石膏與粉煤灰的質量比為45：35，添加10%水泥、5%SiC廢渣顆粒、2%生石灰、0.8%FDN、2%Na2SiO3、0.2%CMC，在水膠比為0.3時，制備環(huán)保型廣場磚。測試了廣場磚的強度，結果表明，在最佳配比條件下制備的廣場磚2 d抗壓強度為6.9 MPa，3 d抗壓強度為10.7 MPa，28 d抗壓、抗折強度分別為23 MPa、4.8 MPa，符合GB 23458—2009標準要求。

4 結論

利用脫硫石膏和粉煤灰等工業(yè)廢料制備的多孔環(huán)保型廣場磚不僅原料環(huán)保、耗能低、強度高、耐腐蝕、耐磨，并且具有儲水和釋放水汽的功能。實驗證明，當脫硫石膏與粉煤灰的質量比為45：35，添加10%水泥、5%SiC廢渣顆粒、2%生石灰、0.8%FDN、2%Na2SiO3、0.2%CMC，在水膠比為0.3時，所制備的環(huán)保型廣場磚性能符合GB 23458—2009標準要求。

[1] 劉紅巖，施惠生.脫硫石膏的應用技術研究現(xiàn)狀和典型工藝[J].礦冶，2006，15（4）：56-60.

[2]周娜，柏玉婷，李國忠.脫硫石膏/粉煤灰復合膠結材性能研究[J].非金屬礦，2008，31（2）：49-50.

[3] 王方群，原永濤，齊立強.脫硫石膏性能及其綜合利用[J].粉煤灰綜合利用，2004（1）：41-44.

[4]王方群.粉煤灰-脫硫石膏固結特性的實驗研究[D].保定：華北電力大學，2003（2）：16-20.

[5] Jing Zhenzi，Norihisa Matsuka，Jin Fang Ming，et al.Hydrothermal solidification of inorganic wasters to building materials[J].Journal of Shaanxi University of Science and Technology，2004，22（5）：8-16.

Study on preparation of environmental-friendly plaza tile by industrial waste

HUA Xiaohu，LIU Wengang，WU Chen，HAO Haining，WANG Zhenmei，WANG Le，ZHANG Luyao
（School of Materials Science and Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，Shaanxi，China）

Environmental-friendly plaza tiles were prepared by adding different roles of additives into the FGD gypsum-fly ash cementitious system，and its mechanical properties were analyzed and tested.Experiments show that when the weight percentage of semi-hydrated gypsum and fly ash is 45：35，with 10%cement，5%SiC particles of slag，2%lime，0.8%FDN，2%Na2SiO3，0.2% CMC，and water cement ratio of 0.3，the tested performance indicators of the tile prepared are in line with the requirements as specified in GB 23458—2009"Plaza Tiles".

plaza tiles，environmental friendly，desulfurization gypsum-fly ash cementitious-system，hydration

TU522；TQ177.375

A

1001-702X（2015）04-0008-03

2014-10-14；

2015-03-12

華小虎，男，1978年生，陜西洋縣人，工程師，主要從事無機非金屬材料制備和開發(fā)。