鐵板砂、花崗巖免燒磚的研制

陳連發(fā)，田淑梅，鄭海強(qiáng)，劉迪（.吉林化工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 吉林　0；.大慶石化公司信息技術(shù)中心，黑龍江　大慶　67；.內(nèi)蒙古大唐多倫煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 多倫　0700；.遼寧盤錦長(zhǎng)連化工有限公司，遼寧 盤錦?。?/p>

鐵板砂、花崗巖免燒磚的研制

陳連發(fā)1，田淑梅2，鄭海強(qiáng)3，劉迪4
（1.吉林化工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 吉林132022；2.大慶石化公司信息技術(shù)中心，黑龍江大慶163714；3.內(nèi)蒙古大唐多倫煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 多倫027300；4.遼寧盤錦長(zhǎng)連化工有限公司，遼寧 盤錦124221）

利用建筑垃圾鐵板砂、花崗巖邊角廢料和粉煤灰等制備免燒磚，研究各原料對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響規(guī)律。確定了制備免燒磚各原料的最佳配合比：鐵板砂45%、花崗巖15%、粉煤灰10%、生石灰26%、石膏3%、水泥1%，按此配比可以制備出28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為25、10 MPa的免燒磚。

鐵板砂；粉煤灰；花崗巖邊角廢料；生石灰；免燒磚

吉林省長(zhǎng)白山地區(qū)有著豐富的花崗巖、鐵板砂礦物資源［1］。而吉林市周邊有很多加工、生產(chǎn)花崗巖石板材的企業(yè)，花崗巖加工后遺棄的邊角廢料數(shù)量龐大、堆積如山，造成了新的污染源。鐵板砂是一種風(fēng)化的巖石礦物，因產(chǎn)區(qū)的不同，該礦物的外表顏色略有差異，但巖石的組成大致相同，都存儲(chǔ)在地表土以下（20～30 cm厚度），并且儲(chǔ)量巨大［2］。建筑公司總是把這種天然的寶貴資源當(dāng)做垃圾一樣廢棄掉［3］?；◢弾r邊角廢料可以進(jìn)一步破碎成小碎石，是配制混凝土、水泥制品的優(yōu)良粗集料，此外，其化學(xué)及礦物組成使其更適合制作成磚一類的制品。而鐵板砂的化學(xué)成分、礦物組成、易磨性等優(yōu)點(diǎn)也使得它凸顯出更適合配制高強(qiáng)度混凝土及制作免燒磚。本試驗(yàn)利用花崗巖邊角廢料和鐵板砂為主要原料，確定制備免燒磚合理的配合比，探討摻量對(duì)免燒磚的影響規(guī)律，同時(shí)闡述各組分含量與強(qiáng)度之間的最佳契合點(diǎn)以及制備技術(shù)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

鐵板砂：吉林市江北的一處建筑工地的建筑垃圾，破碎處理后取粒徑0.5 mm以下的使用。

粉煤灰：吉化熱電廠的Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度（45 μm篩篩余）為8.2%。

生石灰：大連拉樹房白云灰廠生產(chǎn)的犬王牌一級(jí)生石灰。

天然粗骨料：吉林市天崗花崗巖石材加工廠的邊角廢料加工制成，粒徑在10 mm以下。

石膏：吉林亞泰龍?zhí)端嘤邢薰镜纳唷?/p>

水泥：亞泰集團(tuán)吉林分公司生產(chǎn)的鼎鹿牌P·O52.5水泥。

外加劑：采用復(fù)合外加劑，其中包括早強(qiáng)劑三乙醇胺和聚羧酸減水劑，兩者采用物理混合方式，其中混合比例為：m（早強(qiáng)劑）∶m（減水劑）=3∶7。

原材料的主要性能指標(biāo)見表1。

表1　原材料的主要性能指標(biāo)

1.2免燒磚的制備過(guò)程

將鐵板砂、粉煤灰、生石灰和石膏按配方稱取后放入小磨粉磨，出磨后再加入花崗巖、水泥、外加劑和水一同進(jìn)入輪碾混砂機(jī)中進(jìn)行輪碾，輪碾結(jié)束后進(jìn)行成型及養(yǎng)護(hù)操作。具體工藝參數(shù)為：（1）成型壓力不小于30 MPa；（2）成型時(shí)原料含水率10%～20%；（3）料混好后，堆放陳化20 h左右；（4）采用自然養(yǎng)護(hù)，成型后3 d淋水，養(yǎng)護(hù)溫度不低于0℃，養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

SMΦ500 mm×500 mm水泥實(shí)驗(yàn)小磨；SHQ-30型輪碾式混砂機(jī)；DKZ-5000型電動(dòng)抗折實(shí)驗(yàn)機(jī)；JYE-2000型壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)；自制標(biāo)磚模具，尺寸240 mm×113 mm×50 mm。

1.4鐵板砂、花崗巖免燒磚設(shè)計(jì)思路

鐵板砂和花崗巖都是富含SiO2、Al2O3的酸性、活性材料，無(wú)論是化學(xué)組成還是礦物結(jié)構(gòu)都有別于其它廢棄材料［4-5］。此2種物質(zhì)是制作水泥和混凝土混合材以及磚一類的有益礦物材料。本研究利用花崗巖石材加工企業(yè)廢棄的邊角廢料，經(jīng)二次加工破碎成小于10 mm的碎石（10 mm以上的碎石用于制作透水磚），作為免燒磚的粗骨料，同時(shí)利用建筑垃圾鐵板砂替代山砂作為細(xì)骨料，利用石灰、石膏和水泥等混合膠凝材料作為花崗巖和鐵板砂的堿性激發(fā)劑?？紤]花崗巖的剛硬性、活性及鐵板砂與堿性物質(zhì)反應(yīng)的活性等因素，預(yù)測(cè)了制備的免燒磚強(qiáng)度等級(jí)符合JC/T 422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》中MU20強(qiáng)度等級(jí)的質(zhì)量要求。同時(shí)，在保證免燒磚強(qiáng)度的條件下，考慮成本和效益等經(jīng)濟(jì)因素，最大限度地減少水泥、石灰和石膏等膠凝材料的用量。

1.5鐵板砂、花崗巖免燒磚配方的確定

為確定鐵板砂、花崗巖免燒磚制備中各原料的配方，對(duì)原料不同加入量進(jìn)行試驗(yàn)，配方見表2。所有的配比均為各物料的干料比例。試驗(yàn)過(guò)程中，采用半標(biāo)磚模具。

表2　鐵板砂、花崗巖免燒磚的配合比

2　結(jié)果與討論

2.1鐵板砂與粉煤灰摻量變化對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

由于粉煤灰資源的廣泛利用，粉煤灰的市場(chǎng)價(jià)格也呈逐年上漲的趨勢(shì)。而鐵板砂作為建筑垃圾并且儲(chǔ)量豐富，與粉煤灰的價(jià)格相比，鐵板砂的價(jià)格要低廉得多。為了最大限度地利用鐵板砂降低制磚成本，鐵板砂、花崗巖免燒磚的制備中，盡可能多的利用鐵板砂。保持鐵板砂和粉煤灰總量不變，鐵板砂和粉煤灰摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響見圖1。

圖1　鐵板砂和粉煤灰摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

由圖1（a）可見，隨著鐵板砂摻量的增加，粉煤灰摻量減小，免燒磚的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度先逐漸提高，在鐵板砂摻量為40%左右達(dá)到最大值后又隨著鐵板砂摻量的繼續(xù)增加粉煤灰摻量進(jìn)一步減小，強(qiáng)度迅速降低；鐵板砂摻量由10%增加到28%時(shí)，磚的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度增加迅速，其后隨著鐵板砂摻量的增加，28 d強(qiáng)度增幅變緩。鐵板砂摻量為40%左右時(shí)免燒磚的抗壓、抗折強(qiáng)度較理想。

由圖1（b）可見，粉煤灰摻量對(duì)鐵板砂花崗巖免燒磚的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度影響規(guī)律都是隨著粉煤灰的摻量的增加先迅速增加，在17%左右達(dá)到峰值，之后又逐漸下降；所以粉煤灰的摻量控制在17%左右較合適。上述試驗(yàn)結(jié)果可從化學(xué)反應(yīng)方面予以解釋：當(dāng)混合物料接觸后，在初期，物料中的氧化鈣、硅酸二鈣和硅酸三鈣等發(fā)生水化反應(yīng)，為磚的初期強(qiáng)度作出貢獻(xiàn)。而鐵板砂中含有較大量的活性二氧化硅和三氧化二鋁，在磚硬化和養(yǎng)護(hù)的初期，隨著鐵板砂摻量的增加，磚的強(qiáng)度不斷提高。在后期，物料中的物質(zhì)發(fā)生了更深入的化學(xué)反應(yīng)，生成了一些諸如C-A-H和C-S-H的網(wǎng)架狀物質(zhì)，再加上界面反應(yīng)的不斷深入，磚的強(qiáng)度會(huì)受到多方面的影響和制約，因此出現(xiàn)強(qiáng)度波折的現(xiàn)象［6-8］。因粉煤灰礦物中還含有很大一部分的莫來(lái)石，當(dāng)激發(fā)劑作用于莫來(lái)石中活性的氧化鋁和二氧化硅時(shí)，便可與氫氧化鈣反應(yīng)生成C-A-H和C-S-H等膠凝物質(zhì)，對(duì)磚的最終強(qiáng)度的形成作出大部分貢獻(xiàn)［9］。

2.2花崗巖粗骨料摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響（見圖2）

圖2　花崗巖粗骨料摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，隨著粗骨料摻量由5%增加到10%時(shí)免燒磚的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度呈直線上升趨勢(shì)，繼續(xù)增加粗骨料摻量，抗壓、抗折強(qiáng)度值緩慢下降；花崗巖骨料主要是起骨架作用，是承擔(dān)載荷的主體構(gòu)架和依托。此外，花崗巖骨料比膠凝材料更便宜，屬于廢物利用，可降低免燒磚的成本。為使免燒磚具有較高強(qiáng)度，花崗巖粗骨料的摻量控制在10%左右為宜。

2.3水泥摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

水泥在免燒磚制備過(guò)程中起到堿性激發(fā)劑和膠結(jié)劑的雙重作用。本研究從綜合性能和效益成本兩方面考慮，對(duì)水泥摻量進(jìn)行了相關(guān)的探討。水泥摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響見圖3。

圖3　水泥摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

從圖3可見，當(dāng)水泥的摻量由0增加到1%時(shí)，免燒磚的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度均有大幅度增大，之后隨著水泥摻量增加，磚的抗壓、抗折強(qiáng)度變化已不明顯。因水泥價(jià)格高，為了使生產(chǎn)免燒磚的成本降低，同時(shí)還要滿足免燒磚的強(qiáng)度等級(jí)要求，綜合考慮水泥的適宜摻量控制在1%左右。

2.4生石灰和石膏摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

生石灰和石膏作為膠凝材料和堿性激發(fā)劑對(duì)鐵板砂、花崗巖免燒磚的強(qiáng)度起到了至關(guān)重要的作用，二者的摻量也會(huì)對(duì)免燒磚的成本造成直接影響，因此在滿足免燒磚綜合性能的基礎(chǔ)之上，應(yīng)盡可量地減少二者的摻量，對(duì)此需通過(guò)試驗(yàn)來(lái)探討生石灰的最佳摻量問題。生石灰和石膏摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響分別見圖4和圖5。

圖4　生石灰摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

由圖4可以看出，隨著生石灰摻量的增加，免燒磚28 d抗抗壓、抗折強(qiáng)度呈直線上升趨勢(shì)，在摻量為27%后呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，并且增長(zhǎng)變得已不明顯。可見生石灰的最佳摻量為27%左右。生石灰的作用有2種：首先，鐵板砂和花崗巖都是酸性物質(zhì)，會(huì)跟生石灰這種堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)原料間的粘結(jié)力，使制備的免燒磚強(qiáng)度增加。其次，加水的瞬間生石灰立即生成Ca（OH）2，Ca（OH）2又會(huì)立即與粉煤灰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加速膠凝材料的水化及其它原料間的硬化過(guò)程，從而提高磚體的早期強(qiáng)度。對(duì)強(qiáng)度的影響生石灰摻量存在一個(gè)最佳值，當(dāng)摻量小于最佳值時(shí)，生石灰摻量不足以使膠凝材料與其它原料間的膠結(jié)力達(dá)到最大值，而超過(guò)最佳值后，多余的生石灰不僅會(huì)對(duì)膠凝材料的水化、硬化產(chǎn)生不良影響，還會(huì)跟空氣中的CO2生成 CaCO3等降低強(qiáng)度的物質(zhì)，而導(dǎo)致強(qiáng)度的下降［10］。

圖5　石膏摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

由圖5可以看出，隨著石膏摻量的增加，免燒磚的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度均迅速增加，石膏摻量達(dá)到3%左右時(shí)抗壓、抗折強(qiáng)度到達(dá)最大，之后開始下降。石膏也是制備免燒磚的重要原料其一，由于它和生石灰共同產(chǎn)生的協(xié)作效應(yīng)發(fā)揮著加速劑的作用，對(duì)免燒磚的強(qiáng)度提高起到了著直接和間接的推動(dòng)作用。此外，石膏對(duì)生石灰的消解過(guò)程，還可以起到減少氫氧化鈣晶體的尺寸、增加分散度的作用，最終加速物料間的水化反應(yīng)［11-12］。因此，綜合考慮性能和成本兩因素，石膏的最佳摻量控制在3%左右為宜。

2.6鐵板砂、花崗巖免燒磚的最佳配合比及性能

鐵板砂、花崗巖免燒磚配合比確定原則：關(guān)鍵是協(xié)調(diào)不同混合材之間的物理、化學(xué)效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，保證改善磚的綜合性能，提高磚質(zhì)量，鐵板砂和花崗巖混合材之間的相互彌補(bǔ)，使免燒磚具有了較高的早、后期強(qiáng)度，同時(shí)水泥、生石灰和石膏的堿性與酸性的鐵板砂和花崗巖混合材的相互配合，有利于水化反應(yīng)及硬化的進(jìn)行。根據(jù)上述對(duì)免燒磚中各種重要影響因素的分析和討論，優(yōu)選鐵板砂、花崗巖免燒磚的最佳配合比為：鐵板砂45%、花崗巖粗骨料15%、粉煤灰10%、生石灰26%、石膏3%、水泥1%，成型方法為靜壓成型，靜壓壓力取值為30 MPa。

對(duì)上述最佳配方制備的免燒磚按照J(rèn)C/T 422—2007標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度等級(jí)要求以及GB/T 2542—2003《砌塊磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試分析，性能測(cè)試結(jié)果見表3。

表3　最佳配比制備鐵板砂、花崗巖免燒磚的性能

由表3可見，按最佳配比制備的鐵板砂、花崗巖免燒磚的體積密度較小。吸水率大大低于JC/T 422—2007所要求的不大于18%，原因是花崗巖和鐵板砂都是難以吸水的天然礦物質(zhì)。凍融前、后地抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了JC/T 422—2007中MU20等級(jí)要求，而且凍融損失率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于JC/T 422—2007所要求的2%，原因還是產(chǎn)于東北寒冷地區(qū)的鐵板砂和花崗巖這2種天然的礦物質(zhì)對(duì)凍融的反應(yīng)不敏感。最佳配比制備的免燒磚既無(wú)石灰爆裂現(xiàn)象發(fā)生也不產(chǎn)生泛霜，試驗(yàn)結(jié)果證明了鐵板砂和花崗巖骨料的配合使用，非常適合制備免燒磚。

3　結(jié)論

（1）利用微酸性的鐵板砂、花崗巖2種建筑廢渣和堿性的粉煤灰工業(yè)廢棄物，在生石灰、石膏、水泥等激發(fā)劑多重作用下，產(chǎn)生相互激發(fā)、相互活化的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用，制備免燒磚。由于鐵板砂、花崗巖自身硬度大，克服了免燒磚強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，同時(shí)充分利用了建筑和工業(yè)廢棄物，變廢為寶，同時(shí)也降低了免燒磚的生產(chǎn)成本。

（2）鐵板砂花崗巖免燒磚最佳配合比為：鐵板砂45%、花崗巖粗骨料15%、粉煤灰10%、生石灰26%、石膏3%、水泥1%。按照該配合比制備的免燒磚達(dá)到JC/T 422—2007中MU20強(qiáng)度等級(jí)要求。

［1］陳連發(fā)，綠色環(huán)保型鐵板砂透水磚的研制［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，32（4）：66-71.

［2］陳連發(fā).花崗巖透水磚的研制［J］.混凝土與水泥制品，2015，232 （8）：67-72.

［3］陳連發(fā)，鐵板砂作為水泥混合材對(duì)水泥強(qiáng)度的影響［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，32（1）：64-68.

［4］左富云.建筑垃圾在鐵板砂及城市道路上的應(yīng)用［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2008.

［5］霍亮.透水性混凝土路面材料的制備及性能研究［D］.南京：東南大學(xué)，2004.

［6］姜德民，徐三元，張友權(quán).彩色透水性混凝土路面磚的研制［J］.北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，16（3）：85-88.

［7］Shi C J，Day R L.Chemical activation of blended cement made with lime and natural pozzolans［J］.Cement and Concrete Research，1993，23（6）：1389-1396.

［8］ Medici F，Piga L，Rinaldi G.Behaviour of polyaminphenolic addi tives in the granulation of lime and fly-ash［J］.Waste Management，2000，20（7）：491-498.

［9］Freidin K，Erell E.Bricks made of coal fly-ash and slag，cured in the open air［J］.Cement&Concrete Composites，1995，17（4）：289-300.

［10］霍亮.透水性混凝土路面材料的制備及性能研究［D］.南京：東南大學(xué)，2004.

［11］閻振甲，何艷君.工業(yè)廢渣生產(chǎn)建筑材料實(shí)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［12］樸應(yīng)模，李珍淑，李康.PAE-水泥透水性混凝土的空隙率、透水系數(shù)及耐酸性能［J］.延邊大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，30（2）：118-123.

Development of iron plate sand and granite baking-free bricks

CHEN Lianfa1，TIAN Shumei2，ZHENG Haiqiang3，LIU Di4
（1.Material Science and Technology，Jilin University of Chemical Technology，Jilin 132022，China；2.Information Technology Cernter of Daqing Petrochemical Campany，Daqing 163714，China；3.Datang Inner Mongolia Duolun Coal Chemical Industry Co.Ltd.，Duolun 027300，China；4.Liao Ning Pan Jin Cang Lian Chemical Fertilizer Co.Ltd.，Panjin 124221，China）

Baking-free bricks was prepared by using the construction waste such as iron sand，granite and fly ash.The influence of every raw material to the strength of baking-free bricks was studied.The optimal mixing proportion of baking-free bricks' raw material was determined.The results show that this kind of baking-free bricks'optimum mix values：iron plate sand is 45%，granite content is 15%，fly ash is 10%，quicklime is 26%，gypsum is 3%，cement content is 1%.Baking-free bricks which have compressive strength 25 MPa and flexural strength 10 MPa can be fabricated at this rate.

iron plate sand，fly ash，the granite waste of horn&side，quicklime，baking-free bricks

TU528.38

A

1001-702X（2016）04-0072-04

2015-10-29

陳連發(fā)，男，1962年生，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，主要從事無(wú)機(jī)非金屬材料及應(yīng)用研究。地址：吉林省吉林市龍?zhí)秴^(qū)承德街45號(hào)，E-mail：1536175728@qq.com。