蒸壓粉煤灰磚凍融試驗后強度提高的原因及對策

段秉煜 青海省建筑建材科學(xué)研究院有限責(zé)任公司工程師

蒸壓粉煤灰磚是以粉煤灰、石灰、石膏等為原料，經(jīng)高壓、蒸汽、養(yǎng)護等工藝過程制成的實心磚，因可以使用燃煤發(fā)電廠排放的粉煤灰，所以是一種節(jié)能、利廢、環(huán)保的綠色墻體材料。其實早在20世紀(jì)70年代我國就將蒸壓粉煤灰磚應(yīng)用于建筑中，由于當(dāng)時的技術(shù)不夠完善以及缺乏相應(yīng)的配套設(shè)施，沒有得到大規(guī)模的推廣使用。近些年隨著國家制定了相應(yīng)技術(shù)規(guī)程并進(jìn)行了相關(guān)試驗論證，為這種蒸壓粉煤灰磚的實際應(yīng)用提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。其中抗凍性是衡量蒸壓粉煤灰磚的重要指標(biāo)，因為磚在吸水飽和后，外部環(huán)境溫度降低會使磚內(nèi)部的水分冷凍，產(chǎn)生一定的應(yīng)力，導(dǎo)致表面出現(xiàn)裂紋，外部環(huán)境溫度再次降低后，這種開裂現(xiàn)象又會消失。如此反復(fù)對于磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，所以研究蒸壓粉煤灰磚凍融試驗后強度提高的原因及相關(guān)對策具有非常重要的意義。

1 蒸壓粉煤灰磚凍融試驗

1.1 凍融試驗原理

首先，相關(guān)的操作人員要將試樣置于電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，然后于105℃±5℃條件下開始進(jìn)行干燥處理，一直達(dá)到恒重的效果。接著，操作人員再把試樣浸泡在10～20℃的水體內(nèi)，安置24小時后移出，擦拭掉表層攜帶的水分，大面?zhèn)认虬仓迷诮禍氐?15℃以下的低溫箱內(nèi)，注意間隔距離大致為20mm；如果低溫箱溫度接著再下降到-15℃之下，那么就可以開始計算時間，于-15℃～ -20℃的溫度條件下繼續(xù)冰凍5h。接著，相關(guān)的操作人員還需要將試樣取出安置在10℃至20℃的水內(nèi)融化， 持續(xù)時長不超過3h，構(gòu)成一次凍融循環(huán)；通過15 次凍融測試試樣之后，安置在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，接著再放置于105℃±5℃下干燥到恒重；然后于WEW-1000_W61-25 型微機屏顯示液壓萬能試驗裝置上獲取干燥之后的試樣以及未經(jīng)凍融測驗試樣的強度值，期間要做好相應(yīng)的信息登記工作。

1.2 試驗步驟

首先，需要對試驗的工件表面進(jìn)行清潔工作，可以采用毛刷清理，隨后將該工件放入溫度為105 ℃±5 ℃的鼓風(fēng)干燥機內(nèi)進(jìn)行干燥直至最終重量不再發(fā)生變化為止，記錄此時的工件質(zhì)量并進(jìn)行相應(yīng)的外觀檢查。其次，將該實驗工件完全浸入到水中，水的溫度選擇10～20 ℃均可，放置一天一夜后將其取出，用干布擦去工件表面的水分，然后將該工件的大面?zhèn)认蚍胖?，立在提前預(yù)冷的冷凍箱里面，冷凍箱溫度不得高于﹣15 ℃。當(dāng)溫度降到﹣15 ℃，開始計時，使得該工件在﹣15 ℃以下環(huán)境內(nèi)靜置時間不少于5 h。最后，將該工件取出并再次將其放置在10～20 ℃的水內(nèi)融化，融化時間不得少于3 h，至此一次完整的凍融循環(huán)試驗完成，每經(jīng)過5次凍融循環(huán)試驗就要檢查工件表面的破損情況并進(jìn)行記錄，最后經(jīng)過15次凍融循環(huán)試驗后，再次將該工件放到溫度為105 ℃±5 ℃的鼓風(fēng)干燥機內(nèi)進(jìn)行干燥直至最終重量不再發(fā)生變化為止，然后采用相關(guān)的儀器設(shè)備對該工件進(jìn)行抗壓強度試驗，測得凍融后的抗壓強度，并進(jìn)行記錄[1]。

1.3 試驗結(jié)果

本次試驗所用的樣品為河南恒通源新型材料股份有限公司生產(chǎn)的一批蒸壓粉煤灰磚試樣，共計10塊，每塊磚均完好無損，外形尺寸為長240 mm，寬115 mm，高53 mm，在試驗開始前將每塊磚進(jìn)行1～10的編號，其中編號為1～5的磚塊未進(jìn)行凍融試驗，6～10號磚進(jìn)行凍融試驗，這樣方便對蒸壓粉煤灰磚經(jīng)過凍融試驗后和凍融試驗前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。從結(jié)果可以看出，該蒸壓粉煤灰磚未進(jìn)行凍融試驗，其強度的平均值為16.86 MPa（1#～5#磚強度的平均值），進(jìn)行凍融試驗后，其強度的平均值為17.56 MPa（6#～10#磚強度的平均值）。通過該數(shù)據(jù)可以看出，凍融后的蒸壓粉煤灰磚強度不僅沒有降低，反而提高了[2]。

2 蒸壓粉煤灰磚凍融試驗后強度提高的原因

蒸壓粉煤灰磚凍融試驗后強度提高的原因與其自身的組成材料有關(guān)。粉煤灰磚的主要制作原料為粉煤灰，粉煤灰中含有大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3等，還有少量未燃盡的炭顆粒，以及CaO、MaO、Na2O等，整體呈酸性，是一種潛在的活性水硬性材料。在特定的環(huán)境下，該蒸壓粉煤灰磚中的活性組成部分能夠繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，使磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，有利于強度的提高[3]。

凍融試驗過程中磚中的水在低溫狀態(tài)下結(jié)成了冰，這使得磚的體積發(fā)生了膨脹，從而產(chǎn)生一定的膨脹應(yīng)力，當(dāng)磚在高溫或者通風(fēng)狀態(tài)下這種水分就隨即蒸發(fā)掉了。經(jīng)歷15次凍融循環(huán)試驗，蒸壓粉煤灰磚就要經(jīng)歷這樣15次的體積變大再到體積變小的過程，理論上這樣操作會使得磚內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，即磚的強度變低。由此我們能夠看出磚的吸水率是影響磚抗凍性的重要因素，即磚的吸水率越大，經(jīng)過凍融試驗后質(zhì)量損失率和強度損失率就會越大。為了保證蒸壓粉煤灰磚能夠具有足夠的抗凍性，在實際的生產(chǎn)過程中，采用了合理的配料及先進(jìn)的技術(shù)工藝。首先，對于水量的控制有嚴(yán)格的要求，水量不能過多也不能過少，水量過少會造成水熱反應(yīng)不完全，后期制品表面不夠光滑；水量過多就會像上面那樣出現(xiàn)結(jié)冰問題，內(nèi)部產(chǎn)生過大的壓力，最終會引起收縮開裂。其次，粉煤灰磚內(nèi)部活性成分SiO2和Al2O3都可以在特定的高溫高壓蒸汽下被激活，從而迅速地與石灰相結(jié)合發(fā)生水化反應(yīng)。最后，在粉煤灰磚養(yǎng)護過程中也要制定合理的蒸壓養(yǎng)護控制條件，使得磚內(nèi)部的水化物可以處以多項平衡的狀態(tài)下，這樣磚才具有較高的強度。

在蒸壓養(yǎng)護過程中，充分激發(fā)了粉煤灰的活性并快速發(fā)生了水化反應(yīng)，在粉煤灰球表面產(chǎn)生了一層致密的水化產(chǎn)物層，然而在該階段由于粉煤灰的表面堿性離子較少，導(dǎo)致水化活性較低，最終造成蒸壓粉煤灰在該階段的水化程度較低。在凍融過程中，會對蒸壓粉煤灰磚的內(nèi)部產(chǎn)生一定的損傷，使得產(chǎn)物的內(nèi)部出現(xiàn)一定的裂痕，隨著凍融次數(shù)增加，水分遷移的速度不斷加快，這樣在堿性離子較多的環(huán)境下粉煤灰會繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)。如果磚在生產(chǎn)過程中由于某種原因，使得磚內(nèi)部組成成分并沒有完全地發(fā)生水化反應(yīng)，在凍融試驗過程中，就會給磚提供有利的條件，使其發(fā)生了二次水化反應(yīng)，這種經(jīng)過二次水化反應(yīng)的磚內(nèi)部的組成成分更接近于合適的平衡狀態(tài)存在，從而增加磚的強度[4]。

3 提高蒸壓粉煤灰磚抗凍性的措施和方法

第一，對于蒸壓粉煤灰磚來說，需要嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量和配比，因為這是影響蒸壓粉煤灰磚強度及耐久性的基本因素，也是決定蒸壓粉煤灰磚是否具有一定抗凍性的基礎(chǔ)。在制作過程中必須嚴(yán)格按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，其中水是整個蒸壓粉煤灰磚中反應(yīng)劑及物質(zhì)遷移所需的介質(zhì)，所以添加合適的水量是保證。后期成型磚的質(zhì)量及耐久性的重要步驟，同時，不能為了多利用排放物粉煤灰，而不顧其用量比例及顆粒級別[5]。

第二，需要采用先進(jìn)的制磚設(shè)備，常溫狀態(tài)下粉煤灰本身是不具有膠結(jié)性能的，因此蒸壓粉煤灰磚在制作過程中，需要采用壓制成型設(shè)備。對其進(jìn)行加壓排氣，減小磚內(nèi)部的孔隙率。這樣磚的吸水率就會降低，同時可以讓內(nèi)部顆粒較好地粘接在一起，內(nèi)部就會變得更加密實。在生產(chǎn)過程中，有的磚廠采用具有多次加壓排氣功能的液壓壓磚機來完成此工序。

第三，需要制定合理、先進(jìn)的高壓蒸汽養(yǎng)護方法及制度。有學(xué)者研究了養(yǎng)護制度對蒸壓粉煤灰磚強度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)蒸壓養(yǎng)護可以分為3個階段，分別是上升階段、恒溫階段和降溫階段。3個階段的最佳養(yǎng)護保持時間分別為2 h、8 h和2 h，同時研究發(fā)現(xiàn)最佳飽和蒸汽壓力為0.8～1.2 MPa。在該情形下，蒸壓粉煤灰磚才會進(jìn)行充分的水化反應(yīng)，得到較高的強度。

4 結(jié)語

通過對蒸壓粉煤灰磚進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過15次凍融后，蒸壓粉煤灰磚強度不僅沒有降低，反而提高了。主要是因為粉煤灰硅酸鹽制品具有潛在的活性，在凍融過程中能夠從周圍吸收水分，從而進(jìn)行水化反應(yīng)，使得粉煤灰磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實。目前，我國的蒸壓粉煤灰磚已經(jīng)在全國范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，每年可以減少因燒結(jié)傳統(tǒng)粘土磚而排放的有害氣體近6 000萬噸，并且可以利用有害的固體廢棄料近15億噸，蒸壓粉煤灰磚的成功使用為我國帶來了巨大的經(jīng)濟效益與社會效益。