基于太鋼粉煤灰-水渣超細粉-脫硫石膏固廢制備加氣砼砌塊研究

曹鵬飛，胡榮建，楊朝剛，張美霞，劉 鵬，范卉娟，張慧月，王 正，喬 波

（太原鋼鐵（集團）粉煤灰綜合利用有限公司，山西 太原 030003）

隨著科技的飛速發(fā)展，社會生產力的提高加快了現代化的發(fā)展，與此同時，也帶來了生態(tài)環(huán)境問題。尤其是工業(yè)領域中對天然資源的大量開采，不僅造成了不可再生資源的減少，還引起了大量的固體廢棄物的堆積，占用了有限的土地資源，甚至造成了二次污染[1-3]。因此，根據固體廢棄物的特性對其進行合理利用具有重要的現實意義。而粉煤灰主要成分是SiO2和Al2O3，還有少量的Fe2O3、CaO、MgO 及其他微量元素。因此，以粉煤灰為主要原料，再添加一些化學試劑，制備具有高附加值的建筑材料-加氣砼產品具有重大意義。這在一方面解決了燃煤產生的固體廢棄物，另一方面制造出具有高附加值加氣砼產品，使資源得到了循環(huán)再利用，為以后工業(yè)化發(fā)展提供了一種可行性方案[4-6]。

蒸壓加氣砼產品主要以硅質材料（粉煤灰、砂石）、鈣質材料（生石灰、水泥）為原料，通過添加適量的發(fā)氣劑，經過原料預處理、原料混合、攪拌、澆注、切割、蒸養(yǎng)等工序制備成具有多孔材料的制品[7-10]。用傳統的膠結材料生石灰-水泥原料成本高，且在冬季時會受環(huán)保政策限制，這些高耗能企業(yè)停產，給加氣砼生產廠家造成嚴重影響。基于此，尋找一種新型膠結材料替代生石灰-水泥進行生產具有重要意義。水渣超細粉是煉鐵廠煉鐵過程中經過高溫水淬后，用球磨機球磨而成的物質，具有較高的活性，在一定的堿度和溫度條件下可以和粉煤灰硅質材料發(fā)生水化反應，增大產品強度。

本文主要以粉煤灰、生石灰、水渣超細粉、石膏、鋁粉為主要原料，制備加氣砼砌塊、板材。通過研究不同的超細粉添加量對制品性能的影響，得到最優(yōu)配比，最終應用到實際生產中，實現企業(yè)的降本增效。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

粉煤灰、脫硫石膏、水渣超細粉均來自太原鋼鐵（集團）有限公司，生石灰來自山西陽泉某公司，鋁粉主要來自河北某公司。主要原料的化學成分如表1所示。

表1 原料的化學成分 %

1.2 樣品制備與養(yǎng)護

在實驗室對原材料進行預處理，加入適量的水進行攪拌，加入鋁粉，再在砂漿攪拌機中攪拌，攪拌均勻后放入100 mm×100 mm×100 mm 的三聯模具中，然后放入蒸壓養(yǎng)護箱進行預養(yǎng)，獲得一定強度后進行切割，最后放入蒸壓釜進行蒸壓養(yǎng)護。

1.3 性能測試

按照GB 11968—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》，樣品在烘干箱中烘至絕干，測量并計算砌塊的容重，利用萬能試驗機測試其抗壓強度。

2 實驗探究及分析

2.1 性能影響因素實驗

2.1.1 超細粉摻加量對砌塊性能的影響

按照前期實驗研究基礎，確定生產工藝配比，粉煤灰、生石灰、水泥、石膏、鋁粉的質量比為74∶14∶6∶4∶1 和80∶10∶5∶3∶2，水固質量比為0.65，超細粉外摻可調。將澆注好的樣品放入60 ℃的恒溫養(yǎng)護箱中，進行預養(yǎng)2 h，預養(yǎng)完畢后脫模，放入蒸壓釜進行蒸壓養(yǎng)護，最后研究試塊超細粉摻入量對砌塊抗壓強度的影響，所得結果如圖1 所示。

圖1 超細粉摻加量對砌塊的性能的影響

由圖1 可知，摻加一定量的超細粉會使砌塊抗壓強度先上升后下降，主要是因超細粉的主要成分為CaO，在堿性和一定的溫度作用下CaO 和SiO2發(fā)生水化反應，體系快速反應生成C-S-H，從而提高砌塊的性能。但若超細粉摻加量過大，會吸更多的水分，散發(fā)更多的水化熱，后期收縮更大，因此不宜摻入過多。經綜合考慮，超細粉摻加量確定為5%～7%為宜[11]。

2.1.2 堿度對砌塊性能的影響

對原料進行主要化學元素測定，發(fā)現粉煤灰主要提供硅質元素，并且粉煤灰中硅元素活性低，經查閱大量文獻，總結激發(fā)粉煤灰活性的主要方法有粉磨法、熱處理法、堿激發(fā)法[12]。此次研究主要通過堿性物質（NaOH 溶液）來激發(fā)粉煤活性，從而提高粉煤灰活性。按照之前的配合比進行實驗，粉煤灰、生石灰、水泥、石膏、鋁粉的質量比為74∶14∶6∶4∶1和80∶10∶5∶3∶2，水固質量比為0.65，改變NaOH 溶液摻入量，研究其對砌塊抗壓強度的變化規(guī)律，所得結果如圖2 所示。

圖2 NaOH 添加加量對砌塊的性能的影響

由圖2 可知，隨著氫氧化鈉的加入，砌塊強度先上升后下降，在氫氧化鈉摻加量為0.4%～0.8%時，試樣抗壓強度最高。主要原因是氫氧化鈉的加入，直接破壞了粉煤灰玻璃體結構，增加了反應接觸面。同時添加量過大，會直接影響發(fā)氣反應速度，導致生產節(jié)奏不好控制，同時還會出現坯體內部發(fā)泡不均勻的現象，嚴重影響質量，故確定氫氧化鈉摻加量為0.8%～1.2%為宜[13]。

2.2 超細粉替代水泥

探究超細粉替代膠結材料（生石灰、水泥）的替代率以及A3.5 和A5.0 砌塊最佳原料配比。按照粉煤灰、生石灰、水泥、石膏、鋁粉的質量比為74∶14∶6∶4∶1 和80∶10∶5∶3∶2，水固質量比為0.65 進行實驗。以A3.5 為例，改變超細粉替代膠結料（生石灰、水泥）比例，測試砌塊的力學性能結果如圖3 所示。

圖3 超細粉替代膠結料對砌塊的性能的影響

從圖3 中可以看出，隨著超細粉替代率緩慢增加，砌塊抗壓強度漸漸增大，且用超細粉替代一定量的膠結料，最大替代率為4%。結合生產實際出發(fā)，要達到連續(xù)生產，鋁粉發(fā)氣速度和膠結料稠化速度應相匹配[8-11]，最后確定其A3.5 和A5.0 砌塊最佳原料配比分別為：粉煤灰、生石灰、超細粉、石膏、鋁粉的質量比為74∶14∶6∶4∶1 和80∶10∶5∶3∶2，水固質量比為0.65。

3 產品性能

基于之前的實驗研究，最終得到A3.5 和A5.0砌塊最佳原料配比。粉煤灰、生石灰、水泥、石膏、鋁粉的質量比分別為74∶14∶6∶4∶1 和80∶10∶5∶3∶2，水固質量比為0.65。在靜養(yǎng)室時間2 h，溫度為60 ℃，在蒸壓釜蒸壓養(yǎng)護9 h，制得蒸壓加氣砼砌塊、板材性能參數如表2 所示，均滿足國標GB 11968—2020 要求。

表2 產品性能指標

4 結論

1）利用太鋼廠內固體廢棄物——粉煤灰、超細粉、脫硫石膏為主要原料，再添加生石灰和一定量的發(fā)氣材料可以制備加氣砼砌塊，為處理太鋼固廢提供一種新思路。

2）用超細粉替代一定量的膠結材料（生石灰、水泥），最大替代率為40%，可以充分減少加氣砼生產成本，經過計算得，每方砌塊可減少成本14.5 元。

3）確定生產A3.5 和A5.0 徹塊最佳配合比為：粉煤灰、生石灰、水泥、石膏、鋁粉的質量比為72∶14∶6∶4∶1 和80∶10∶5∶3∶2，各項指標都滿足國家GB 11968—2020 標準。