蒸壓粉煤灰磚力學(xué)性能試驗研究

段德濤 鄭建波 李銳吉 王新杰 邵 磊

（濱州學(xué)院建筑工程學(xué)院，山東 濱州 256600）

因為中國土地資源人均不足，國家從而提倡保護(hù)耕地，節(jié)約資源，愛護(hù)環(huán)境的生活生產(chǎn)方式。蒸壓粉煤灰磚是以粉煤灰、石灰、骨料以及水按一定配比，通過反復(fù)攪拌，使混合，用模具壓制成型，再經(jīng)過蒸壓釜進(jìn)行高溫、高壓下蒸養(yǎng)制成。粉煤灰磚在高溫蒸壓條件下，內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)具有強度，可用于替代傳統(tǒng)黏土磚［1］。其中原材料粉煤灰，源于工業(yè)廢料。既節(jié)省了廠商對工業(yè)廢料的處理費用，又節(jié)約了資源，符合國家所提倡的循環(huán)經(jīng)濟(jì)，綠色經(jīng)濟(jì)［2］。

不同配比情況下的蒸壓粉煤灰磚強度相差較大，甚至可能無法產(chǎn)生有效強度，所以針對這種現(xiàn)象，本試驗設(shè)計了多組變量，測定不同配合比情況下的抗折抗壓強度，分析受力和破壞原因，探求其影響蒸壓粉煤灰磚力學(xué)性能的要素。

1 試驗材料

粉煤灰——濱州發(fā)電廠工業(yè)廢料，主要成分含量見表1。

表1粉煤灰主要化學(xué)成分 （%）

石灰——濱州化工廠提供，Ca（OH）2含量92%。

骨料——屬于石子，粒徑在5～40mm之間。

水——采用普通自來水。

2 試件制備與養(yǎng)護(hù)

本試驗采用規(guī)格為240mm×115mm×53mm的鋼制摸具，運用萬能壓力機(jī)升壓到170KN左右壓制成型，將磚胚放入蒸壓釜進(jìn)行高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為170-180℃，1.2MPa，升溫時長2小時，恒溫持續(xù)時長8小時，降溫時長4小時，隨后取出放置降溫至室溫。

3 力學(xué)試驗方法

3.1 試驗步驟

詳細(xì)依照國家標(biāo)準(zhǔn) 《砌墻磚試驗方法》 （GB/T2542-2003），對每個試件進(jìn)行獨立的各項力學(xué)性能試驗，測定并記錄每個試件的寬、高尺寸，其中記錄精度為1mm，先進(jìn)行抗折試驗，記錄抗折峰值，再將每塊磚從中間沿抗折后斷裂縫截斷，每個斷磚的長度尺寸不小于100mm，而后用電子游標(biāo)卡尺量取長度為100mm，以斷口相反方向疊放，放入壓力機(jī)正中間進(jìn)行抗壓試驗，記錄抗壓數(shù)據(jù)。

3.2 蒸壓粉煤灰磚力學(xué)測試

1）磚的配比，控制粉煤灰、石灰和骨料的配合比摻量，共進(jìn)行了八種不同的配合比試驗，每種試驗分別制作10塊相同配比的磚，進(jìn)行力學(xué)性能的探究，依據(jù)粉煤灰或骨料恒定比，總體分L1組和L2組進(jìn)行力學(xué)試驗［3］，試驗水摻量控制在18%。粉煤灰磚模具采用螺栓緊固的可自由拆裝的鋼板模具。

表2 磚配合比參數(shù)設(shè)計

2）抗折性能測試，將試件按試驗規(guī)范放入抗折試驗機(jī)中，加荷速度設(shè)置為50N/s（如圖1），勻速加載，直到試件受折被毀壞為止，記錄抗折所能承受得最大荷載值 （精確至0.01N）。

圖1 抗折試驗

圖2 抗壓試驗

3）抗壓性能測試，沿抗折后斷裂縫掰斷，每個斷磚的長度尺寸不小于100mm，否則作廢，然后以斷口相反方向疊放，上下兩塊磚接觸面應(yīng)平整穩(wěn)定，無較大瑕疵，量取長度為100mm，并對齊，放入壓力機(jī)正中間進(jìn)行抗壓試驗，加荷速度設(shè)置為5kN/s，勻速加載，直至試件受壓被毀壞為止（如圖 2），記錄抗壓所能承受得最大荷載值 （精確至0.01kN）。

3.3 受力分析及破壞原因

做抗折試驗時，研究發(fā)現(xiàn)蒸壓粉煤灰磚發(fā)生脆性破壞的時候，都是磚底部中心位置開裂，發(fā)生脆性破壞時發(fā)出的聲音越響越脆，短而急促，其蒸壓粉煤灰磚的抗折性越好，。觀察分析抗折斷裂面，發(fā)現(xiàn)斷裂面處往往骨料較密集，在配比相同時，斷裂處骨料較少的時候，其磚的抗折強度往往都大于斷裂處骨料較多的磚。石灰與粉煤灰內(nèi)成分產(chǎn)生化學(xué)變化，從而形成得反應(yīng)物之間的相互結(jié)合力要大于其反應(yīng)物與骨料間的結(jié)合力，當(dāng)磚底部受拉大于磚內(nèi)材質(zhì)之間結(jié)合力的時候，磚發(fā)生斷裂，可見蒸壓粉煤灰磚抗折強度的大小取決于磚內(nèi)部不同材質(zhì)間的結(jié)合力。得出這個原理后，為驗證，我們嘗試做了一組添加0.2%的6mm玄武巖纖維 （主要化學(xué)成分SiO2）作為摻合料的試驗組，發(fā)現(xiàn)其抗折強度提升了10%～25%，原因主要是玄武巖纖維在高溫蒸養(yǎng)條件下與熟石灰發(fā)生了如公式 （3）的化學(xué)反應(yīng)，形成的CaSiO3密集且成絲帶狀，增加了蒸壓粉煤灰磚內(nèi)部物質(zhì)之間的分子結(jié)合力和接觸面積，從而大大增加了其抗折能力，而且對其抗壓性能也有一定提高，此摻合料可用于改進(jìn)蒸壓粉煤灰磚的力學(xué)性能。

做抗折試驗時，研究發(fā)現(xiàn)蒸壓粉煤灰磚在中部位置先出現(xiàn)裂痕，再向兩端擴(kuò)張加寬，直至崩裂破壞如圖3。觀察破碎塊，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部骨料許多已經(jīng)被碾碎壓壞，結(jié)構(gòu)物質(zhì)變得十分松散，但仍具有一定強度。其中磚中間部位破壞最嚴(yán)重［4］。因此可知抗壓試驗時，疊合磚的中部受力最大，骨料和粉煤灰與石灰的化學(xué)反應(yīng)物粘結(jié)形成骨架承受壓力，當(dāng)壓力不斷增加到骨架無法承受被碾碎破壞。破壞后，只有粉煤灰與石灰的化學(xué)反應(yīng)物 （如CaSiO3等）受力，很快就會完全破壞［5］，如圖 4。

圖3 試件出現(xiàn)裂縫

圖4 試件完全破壞

摻料的相對變化對蒸壓粉煤灰磚力學(xué)性能的影響

運用蒸壓粉煤灰磚抗壓強度計算公式 （1）和抗折強度強度計算公式 （2）得出各項應(yīng)力

在其他摻合料配比不變的情況下，石灰和骨料含量的相對變化對蒸壓粉煤灰磚抗壓、抗折性能影響如圖5，粉煤灰和石灰含量的相對變化對蒸壓粉煤灰磚抗壓、抗折性能影響如圖 6。

圖5 試驗組1應(yīng)力折線圖

圖6 試驗組2應(yīng)力折線圖

由圖5顯而易見，隨石灰摻比的增多，骨料摻比的減少，組1抗壓強度曲線顯著下滑，而抗折強度曲線先爬升后跌落。此時我們假設(shè)蒸壓粉煤灰磚的抗壓強度下降主要是由于石灰含量的變化，而石灰含量的增多直接影響著反應(yīng)時粉煤灰的消耗量和粉煤灰與石灰化學(xué)反應(yīng)物的增多，這就轉(zhuǎn)換為試驗組2所探究的內(nèi)容，根據(jù)圖6可知，粉煤灰與石灰含量相互變化時，抗折抗壓強度都變化，所以粉煤灰與石灰含量變化對其抗折抗壓都有顯著影響。

4 結(jié)語

改變粉煤灰和石灰的任意變量，蒸壓粉煤灰磚的力學(xué)性能隨之改變，且變化明顯，因此骨料含量在適當(dāng)范圍內(nèi)時，若使粉煤灰與石灰中可反應(yīng)物質(zhì)的含量達(dá)到化學(xué)反應(yīng)式上的平衡，且混合均勻，反應(yīng)充分，則此時產(chǎn)生的蒸壓粉煤灰磚所能承受的抗折強度和抗壓強度達(dá)到最佳，此時的配合比，即我們常說的最佳配合比，既可以節(jié)省材料，也不會造成材料性能的浪費，對生產(chǎn)有著積極意義。