粉煤灰/廢磚粉制備多孔建筑材料的技術(shù)要點(diǎn)探究

作者簡(jiǎn)介：姜量（1983-），男，工程師。研究方向?yàn)榻ㄔO(shè)工程施工技術(shù)與管理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.025

摘? 要：粉煤灰/廢磚粉可以作為原材料生產(chǎn)多孔建筑材料，其性能有待進(jìn)一步研究。該文以粉煤灰為材料，以鋼渣廢磚粉為協(xié)同材料，以多孔外墻建材為生產(chǎn)方向，采取文獻(xiàn)梳理、建材生產(chǎn)實(shí)踐的方法，逐一梳理粉煤灰用于多孔建材生產(chǎn)的技術(shù)要點(diǎn)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，燒制溫度取1 205 ℃，最佳值是1 218 ℃；恒溫保持時(shí)間的最佳值為12.5 min；SiC用量最佳值為0.78 wt.%；鋼渣協(xié)同生產(chǎn)的最佳占比為5 wt.%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，粉煤灰可用于多孔建筑材料的生產(chǎn)，在燒制溫度、恒溫時(shí)間、SiC與鋼渣用量各個(gè)方面，分別給出的生產(chǎn)方案，能夠有效控制多孔外墻建材的表觀密度p值，使其不超過(guò)1 g/cm3，符合多孔外墻建材的生產(chǎn)規(guī)范。

關(guān)鍵詞：粉煤灰；多孔外墻建材；發(fā)泡劑；鋼渣；SiC；燒制溫度

中圖分類號(hào)：TU50? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）15-0112-04

Abstract： Fly ash / waste brick powder can be used as raw materials to produce porous building materials， and its properties need to be further studied. This paper takes fly ash as material， steel slag waste brick powder as cooperative material， porous exterior wall building materials as production direction， and adopts the methods of literature review and building materials production practice to sort out the technical key points of fly ash used in porous building materials production one by one. Through the study， it is found that the firing temperature is 1 205 ℃， the best value is 1 218 ℃， the best holding time is 12.5 min， the best sic dosage is 0.78 wt.%， and the best proportion of steel slag co-production is 5 wt.%. The experimental results show that fly ash can be used in the production of porous building materials. In the aspects of firing temperature， constant temperature time， the amount of SiC and steel slag， the production scheme can effectively control the apparent density p value of porous exterior wall building materials， so that it does not exceed 1 g/cm3， which accords with the production standards of porous exterior wall building materials.

Keywords： fly ash; porous exterior wall building materials; foaming agent; steel slag; SiC; firing temperature

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局給出的報(bào)告明確指出：2010—2020年，城鎮(zhèn)化提高了城區(qū)建筑規(guī)模的增長(zhǎng)速度，使其保持在3%～5%。發(fā)展至2020年，國(guó)內(nèi)建筑業(yè)房屋施工面積為149.5億m2。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)建筑單位整理的碳排放量增速約為6.385/a。2020年全國(guó)范圍內(nèi)建筑項(xiàng)目正式運(yùn)行期間產(chǎn)生的能耗，在全國(guó)能耗總數(shù)中占比15.5%。為此，建筑行業(yè)需關(guān)注原材料的生產(chǎn)方式，以期控制建筑項(xiàng)目能耗問(wèn)題。

1? 多孔外墻建材的生產(chǎn)方法

1.1? 原材料

粉煤灰材料放置在烘箱內(nèi)，溫度調(diào)整為105 ℃，烘干時(shí)間設(shè)定為24 h，使其處于固定狀態(tài)。烘干處理完成，使用80目篩網(wǎng)進(jìn)行處理，保證參與生產(chǎn)的粉煤灰顆粒大小均勻。鋼渣材料，選擇區(qū)域內(nèi)建筑廢料，將其制成廢磚粉，對(duì)其進(jìn)行烘干處理。生產(chǎn)使用的其他材料有4種：一是SiC粉末，二是MgO粉末，三是無(wú)水碳酸鈉，四是冰醋酸。

1.2? 生產(chǎn)設(shè)施

生產(chǎn)使用的儀器較多，具體見(jiàn)表1。

表1? 多孔外墻建材生產(chǎn)設(shè)施清單

其中，最為關(guān)鍵的設(shè)施是箱式爐，其運(yùn)行溫度介于800～1 600 ℃。溫度調(diào)整的精確性不超過(guò)1℃，溫度調(diào)控精確程度較高。

1.3? 生產(chǎn)方法

使用80目篩網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾，處理粉煤灰材料，去除其中顆粒規(guī)格較大的情況。過(guò)濾完成，將粉煤灰劃分成若干份，每份材料內(nèi)添加的SiC用量具有一定差異性，再添加不同用量的助溶劑、鋼渣廢磚粉。各類材料添加完成，運(yùn)行球磨機(jī)，進(jìn)行為期2 h的充分混合處理。球磨機(jī)處理完成，將混合物添加在高溫爐內(nèi)，從燒制溫度、恒溫時(shí)間2個(gè)因素入手，分析各類條件下的多孔外墻建材性能[1]。

多孔外墻建材的生產(chǎn)方案，見(jiàn)表2。

表2 多孔外墻建材的生產(chǎn)方案

2? 粉煤灰生產(chǎn)分析

2.1? 物料分析

粉煤灰。觀察粉煤灰材料的微觀情況時(shí)，其材料組成中含有較多的球形顆粒，各類顆粒之間的粘連性較強(qiáng)，顆粒直徑大小分布在0.5～20 μm。使用X射線分析法，準(zhǔn)確分析粉煤灰成分組成情況，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3? 粉煤灰成分組成? ? ? wt.%

SiC。在觀察SiC材料的微觀形態(tài)時(shí)，確定此材料粒徑規(guī)格處于50～100 μm，形狀具有不規(guī)律性，材料表面平滑性顯著。SiC與氧氣相互作用，會(huì)形成一種薄膜。

2.2? 各級(jí)燒制溫度與氣孔形成的關(guān)系

靜態(tài)氣體與無(wú)機(jī)固體2種材料，進(jìn)行傳熱能力對(duì)比時(shí)，固體材料性能更強(qiáng)。處于密閉狀態(tài)的氣孔，能夠有效控制氣體對(duì)流形成的熱量損失，使建材擁有一定的導(dǎo)熱能力。在實(shí)踐生產(chǎn)中，SiC的用量取固定值0.19 wt.%，適當(dāng)調(diào)整燒制溫度，以此分析燒制溫度對(duì)多孔外墻建材性能產(chǎn)生的作用[2]。MgO、Na2CO3的生產(chǎn)參數(shù)均為6 wt.%。溫度條件依照表2的4個(gè)溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)。生產(chǎn)情況，見(jiàn)表4。

表4 各級(jí)燒制溫度與氣孔形成的關(guān)系

各類用料使用量均取固定值，設(shè)計(jì)4組燒制溫度條件。當(dāng)溫度升高時(shí)，氣孔數(shù)量逐漸增多，氣孔規(guī)格逐步增大，氣密率從不達(dá)標(biāo)發(fā)展至完全達(dá)標(biāo)。在實(shí)際制備多孔外墻建材時(shí)，應(yīng)盡量升高溫度，使其不低于1 205 ℃。在生產(chǎn)條件允許的情況下，溫度可選擇1 218 ℃，以期獲取性能更好的多孔建材。燒制溫度為1 205 ℃時(shí)，測(cè)定材料氣孔的表觀密度p為0.646 g/cm3。燒制溫度增加至1 218 ℃后，p至降至0.267 g/cm3。2個(gè)結(jié)果均小于1 g/cm3，符合外墻保溫建材的生產(chǎn)要求。

2.3? 各級(jí)保溫時(shí)長(zhǎng)與氣孔形成的關(guān)系

設(shè)計(jì)燒制溫度為1 205 ℃，SiC用量為0.19 wt.%，其他材料（MgO與Na2CO3）用量不變，設(shè)計(jì)多組保溫時(shí)間，分析保溫時(shí)間對(duì)建材氣孔形成產(chǎn)生的作用。保溫時(shí)間依照表2的4組恒溫保持時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)，生產(chǎn)情況見(jiàn)表5。

表5? 恒溫保持時(shí)間與氣孔形成之間的關(guān)系

生產(chǎn)實(shí)踐中，保溫5 min時(shí)，氣孔尚未形成，材料各處的氣孔數(shù)量較小、氣孔規(guī)格不大。在保溫10 min時(shí)，氣孔處于增大狀態(tài)，整體氣孔形成效果，尚未達(dá)到生產(chǎn)要求。恒溫保持時(shí)間增加至15 min時(shí)，氣孔變大，超出了預(yù)期氣孔規(guī)格的要求。繼續(xù)進(jìn)行保溫時(shí)，建材表面的氣孔會(huì)繼續(xù)增大，直至氣孔消失。為此，恒溫保持時(shí)間應(yīng)控制在10～15 min，取中間值為12.5 min。

2.4? 各種SiC用量與氣孔形成的關(guān)系

其他條件不變，調(diào)整SiC用量，依照表2的4組參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，氣孔形成情況如圖1所示，SiC用量與氣孔形成的關(guān)系，見(jiàn)表6。

注：圖（a）表示添加的SiC用量為0.19 wt.%，圖（b）對(duì)應(yīng)的SiC用量為0.48 wt.%，圖（c）對(duì)應(yīng)的SiC用量為0.78 wt.%，圖（d）使用的SiC添加量為1.0 wt.%。

圖1? 氣孔形成情況

表6? SiC用量與氣孔形成的關(guān)系

在實(shí)踐中，SiC用量為0.19 wt.%時(shí)，整體氣孔形成效果最佳，符合多孔外墻建材的氣孔生產(chǎn)要求。在SiC用量增加時(shí)，氣孔形成規(guī)格會(huì)逐漸變大，相應(yīng)降低氣密率，間接干擾多孔外墻建材性能。為此，SiC用量的參數(shù)可在0.48 wt.%與0.78 wt.%之間進(jìn)行選擇[3]。

在SiC用量從0.19 wt.%向0.48 wt.%的增加過(guò)程中，樣品抗壓性減小幅度最大，相應(yīng)增大了材料氣孔直徑。SiC用量0.19 wt.%時(shí)，對(duì)應(yīng)的樣品強(qiáng)度為4.8 MPa；SiC用量0.48 wt.%時(shí)，樣品強(qiáng)度為1.5 MPa；SiC用量0.78 wt.%時(shí)，樣品強(qiáng)度為0.8 MPa；SiC用量1.0 wt.%時(shí)，樣品強(qiáng)度為0.5 MPa。由此得出，SiC的添加量增加時(shí)，會(huì)在一定程度上降低樣品強(qiáng)度。在SiC用量為0.19 wt.%時(shí)，樣品氣孔尺寸最小，對(duì)應(yīng)其表觀密度最大。在SiC用量增多時(shí)，會(huì)引起樣品導(dǎo)熱能力逐漸降低，導(dǎo)熱系數(shù)的4組測(cè)值：0.19，0185，0.16 ，0.05 W/m·k。產(chǎn)生導(dǎo)熱性持續(xù)降低的現(xiàn)象，主要是氣孔變大時(shí)，會(huì)有更多熱量散出，無(wú)法保持熱量的存儲(chǔ)效果。

3? 鋼渣與粉煤灰共同用于生產(chǎn)多孔外墻建材的實(shí)踐分析

3.1? 鋼渣廢磚粉的性能分析

在建筑施工期間，會(huì)使用一定數(shù)量的鋼材料、廢棄材料的鋼磚，將其制成廢磚粉，用在多孔外墻建材的生產(chǎn)方案中。選擇各類廢磚粉以Fe2O3為主要成分進(jìn)行生產(chǎn)分析。使用X射線分析形式，分析廢磚粉內(nèi)的Fe2O3含量。經(jīng)實(shí)踐測(cè)定發(fā)現(xiàn)，在各類鋼渣中廢磚粉內(nèi)部的Fe2O3含量介于36.85%～71.12%。

3.2? 鋼渣用量與氣孔形成的關(guān)系

添加鋼渣時(shí)，采取0、5 wt.%、10 wt.% 3種參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，以此對(duì)比鋼渣用量與多孔形成之間的關(guān)系。使用上述實(shí)踐分析確定的生產(chǎn)參數(shù)，針對(duì)SiC 4種用量方案，分別使用3種鋼渣用量方案，對(duì)比氣孔形成情況。鋼渣微觀圖像如圖2所示。

生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果，見(jiàn)表7。

各組生產(chǎn)圖像，如圖3所示。

當(dāng)SiC用量逐漸增多時(shí)，鋼渣添加量為0時(shí)，多孔材料的p值從1.4 g/cm3降至0.26 g/cm3后，再次增長(zhǎng)至0.51 g/cm3。當(dāng)SiC用量為0.78 wt.%時(shí)，出現(xiàn)了p的最小值。添加鋼渣后，5 wt.%相比10 wt.%的作用力較小，初期會(huì)增加p值，最大值達(dá)到1.78 g/cm3，后續(xù)對(duì)于p的降低具有一定抑制性，會(huì)適當(dāng)增加多孔建材的p值。在整體p值變化過(guò)程中，0.78 wt.%的SiC用量，對(duì)應(yīng)的p值較小。為此，無(wú)論是否使用鋼渣進(jìn)行聯(lián)合生產(chǎn)，SiC最佳用量均取0.78 wt.%。而鋼渣添加量應(yīng)適當(dāng)控制，以5 wt.%為最佳參數(shù)[4]。

注：5 wt.%的情況下，圖（a）對(duì)應(yīng)的是“SiC：0.19 wt.%”，圖（b）對(duì)應(yīng)的是“SiC：0.48 wt.%”，圖（c）對(duì)應(yīng)的是“SiC：0.78 wt.%”，圖（d）對(duì)應(yīng)的是“SiC：1 wt.%”。

圖3? 各組生產(chǎn)圖像

4? 其他因素分析

以樣品管理為視角，分析多孔建材的生產(chǎn)要點(diǎn)。依照TCLP方法，全面分析保溫建材性能。制備的樣品浸取液體，其酸堿值為2.88。添加的醋酸容量為5.7 mL，混合的去離子水容量為1 L。對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行細(xì)磨處理，使其能夠通過(guò)100目篩網(wǎng)。依照液體20 mL混合1 g固體的方法，進(jìn)行樣品配制。在室溫水浴條件下，持續(xù)振蕩0.75 d。振蕩結(jié)束添加過(guò)濾膜，提取其清液，測(cè)定其成分。測(cè)定結(jié)果，見(jiàn)表8。

表8? 多孔建材樣品測(cè)定結(jié)果

結(jié)合表8結(jié)果可知，多孔建材生產(chǎn)期間，可使用鋼渣，不會(huì)對(duì)成品質(zhì)量產(chǎn)生較大的干擾。為此，使用鋼渣進(jìn)行聯(lián)合生產(chǎn)，所得的多孔建材符合安全生產(chǎn)的要求。

5? 結(jié)論

1）確定多孔外墻建材的生產(chǎn)任務(wù)后，明確了需要的生產(chǎn)材料，具體包括粉煤灰、鋼渣等，編寫(xiě)了生產(chǎn)所需的儀器清單。制定了可行的生產(chǎn)方案，相應(yīng)給出了各類生產(chǎn)條件的參數(shù)方案，嘗試從中找出最佳的生產(chǎn)方案。

2）粉煤灰生產(chǎn)分析中，燒制溫度應(yīng)為1 205 ℃，有充足資金條件可設(shè)計(jì)1 218 ℃。恒溫保持的最佳時(shí)間取12.5 min。SiC用量可選擇0.48 wt.%與0.78 wt.%

2組參數(shù)。

3）鋼渣協(xié)同生產(chǎn)分析中，最終確定SiC用量為0.78 wt.%，鋼渣用量為5 wt.%。

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