黃河泥沙制備高強蒸壓磚及其性能研究

摘 要：水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)是黃河復(fù)雜難治的癥結(jié)所在。為探索泥沙資源利用新模式，以黃河泥沙為主要原料制備高強蒸壓磚樣品并測試其性能，采用XRD、SEM等手段分析蒸壓磚物相及微觀形貌，研究蒸壓工藝、原料與摻和料配比對蒸壓磚性能的影響。結(jié)果表明：隨著蒸壓溫度升高、蒸壓時間增加，不同配比的蒸壓磚抗壓強度均逐漸提高；黃河泥沙、生石灰、礦渣摻量分別為54%、16%、20%，蒸壓溫度為180℃，蒸壓時間為8h時，制備的蒸壓磚抗壓強度高達38.76MPa；摻合料對蒸壓磚性能影響的大小排序為礦渣>生石灰>粉煤灰；C-S-H、硬硅鈣石、托勃莫來石等水化產(chǎn)物是賦予蒸壓磚強度的主要物質(zhì)。所制備的高強蒸壓磚適用于各類民用、公用建筑物的內(nèi)外墻及房屋的基礎(chǔ)建設(shè)。

關(guān)鍵詞：黃河泥沙；蒸壓磚；抗壓強度；水化產(chǎn)物；蒸壓工藝

中圖分類號：TV41；TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2025.02.021

引用格式：李昆鵬，王振凡，陳琛，等.黃河泥沙制備高強蒸壓磚及其性能研究[J].人民黃河，2025，47（2）：137-141.

基金項目：黃委優(yōu)秀青年人才科技項目（HQK-202310）；水利部重大科技項目（SKS-2022088）；水利部水利技術(shù)示范項目（SF-202204）；河南省重大科技專項（231100320100）

PreparationandPerformancesStudyofHighStrengthAutoclavedBricks fromtheYellowRiverSediment

LIKunpeng1，2，WANGZhenfan3，CHENChen1，2，SHIHuawei1，2，LIZhen3

（1.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch，Zhengzhou450003，China；2.HenanProvincialEngineeringResearchCenter ofReservoir？LakeFunctionRestoringandMaintaining，Zhengzhou450003，China；3.YellowRiverWaterConservancy andHydropowerDevelopmentGroupCo.，Ltd.，Zhengzhou450003，China）

Abstract：Lesswaterandmoresedimentandtheuncoordinatedrelationshipbetweenwaterandsedimentarethecruxofthecomplicatedand difficultYellowRivertocontrol.Inordertoexploreanewmodeofutilizingsedimentresources，highstrengthautoclavedbricksampleswere preparedbyusingtheYellowRiversedimentasthemainrawmaterialandtheirpropertiesweretested.BasedonXRD，SEMandotheranalyt？ icalcharacterization，thephaseandmicrostructureofautoclavedbrickswereanalyzed.Theeffectsofproportionofmixture，autoclavetime andtemperatureonthepropertiesofautoclavedbrickswereinvestigated.Theresultsshowthatasthesteampressingtemperatureandtimein？ crease，thecompressivestrengthofsteampressedbrickswithdifferentratiosgraduallyincreases.WhenthecontentoftheYellowRiversedi？ ment，quicklimeandslagis54%，16%and20%respectively，theautoclavingtemperatureis180℃andtheautoclavingtimeis8h，the mechanicalstrengthofautoclavedbrickreachesup38.76MPa.Theorderoftheinfluenceofadmixtureontheperformanceofautoclavedbrick isslag>quicklime>flyash.ThehydrationproductssuchasC？S？H，xonotliteandtobermolitearethemainsubstancesthatgivestrengthto autoclavedbricks.HighStrengthAutoclavedBrickfromtheYellowRiversedimentissuitablefortheinteriorandexteriorwallsofvariousciv？ il，publicbuildingsandthefoundationofhouses.

Keywords：YellowRiversediment；autoclavedbrick；compressivestrength；hydrationproduct；steampressureprocess

水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)是黃河復(fù)雜難治的癥結(jié)所在，深入研究泥沙資源綜合利用技術(shù)和模式，對實現(xiàn)黃河長治久安具有重要意義?！饵S河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》提出“創(chuàng)新泥沙綜合處理技術(shù)，探索泥沙資源利用新模式”要求，《中華人民共和國黃河保護法》明確“國家鼓勵、支持開展黃河流域泥沙綜合利用等重大科技問題研究，推廣應(yīng)用先進適用技術(shù)”。目前，對于河道、水庫、湖泊等清淤疏浚泥沙的處理，已從堆放、吹填等傳統(tǒng)處理方式逐漸發(fā)展為建筑材料、填方材料、污水處理材料等資源利用處理方式[1-4]。蒸壓磚是一種以泥沙、粉煤灰、石灰等為主要原料，不經(jīng)高溫煅燒制造的新型墻體材料[5]，已成為我國重點推廣的建材產(chǎn)品，廣泛用于各類建筑的內(nèi)外填充墻[6]。利用黃河泥沙制備蒸壓磚，可以將泥沙變廢為寶，帶來良好的經(jīng)濟效益[7]。本研究以黃河細顆粒泥沙為主要原料，添加一定量的摻合料，經(jīng)蒸壓養(yǎng)護制備高性能蒸壓磚，探究蒸壓工藝、原料配比對蒸壓磚性能的影響。

1 原料及摻合料特性

以黃河泥沙為主要原料，生石灰、粉煤灰、礦渣為摻合料制備蒸壓磚。黃河泥沙中值粒徑為0.095 mm；生石灰源自市場銷售的磨細生石灰，其性質(zhì)符合《硅酸鹽建筑制品用石灰》（JC/T621—2021）規(guī)范要求；粉煤灰源自熱電廠煤燃燒后煙氣中的細灰，中值粒徑為0.019mm，比表面積為4540cm2/g，火山灰活性率為16.84%，性質(zhì)符合《硅酸鹽建筑制品用粉煤灰》（JC/T409—2016）規(guī)范要求；礦渣中值粒徑為0.013mm，水硬性系數(shù)為2.17，活性系數(shù)為0.48，堿性系數(shù)為1.14，性質(zhì)符合《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》（GB/T18046—2017）規(guī)范要求。黃河泥沙、粉煤灰、礦渣的化學(xué)成分（含量）見表1。

2 蒸壓磚制備工藝流程及儀器設(shè)備

首先用攪拌機將干燥的黃河泥沙、摻合料（石灰、粉煤灰、礦渣）、水以一定比例混合均勻，混合物料在室溫下靜置4h后再加水混合。然后將物料置于定制模具中，使用壓力試驗機對物料施加800kN的壓力壓制60s成型后，將磚坯置于室溫下靜養(yǎng)4～12h。最后把磚坯放到蒸壓托板上送入蒸壓釜，設(shè)定蒸壓升溫速度為1℃/min，經(jīng)一定蒸壓時間后，以2～5℃/min的降溫速度降至室溫，打開釜蓋即得到蒸壓磚。

本試驗采用500mm×600mm型蒸壓釜制備蒸壓磚，采用電液式壓力試驗機測試蒸壓磚抗壓性能，采用島津能量色散X射線光譜儀（EDX-8100）分析原料化學(xué)成分，采用日本理學(xué)X射線衍射儀（XRD-Ultima IV）分析原料及蒸壓磚物相，采用日立掃描電子顯微鏡（SEM-SU3500）觀察蒸壓磚微觀形貌。

3 結(jié)果分析

3.1 蒸壓工藝對蒸壓磚性能的影響

表2為采用黃河泥沙制備蒸壓磚的初設(shè)配比，通過單因素試驗分析蒸壓工藝（蒸壓溫度、蒸壓時間）對蒸壓磚抗壓強度的影響[8]，確定制備蒸壓磚的最佳工藝。

表3為采用不同配比、蒸壓工藝時蒸壓磚的抗壓強度（表3中組號數(shù)字對應(yīng)表2中組號數(shù)字）。分析表3可知：1）各試件蒸壓磚抗壓強度隨著蒸壓溫度的升高均有不同程度的提高。LL-1～LL-3和HL-1～HL-3蒸壓時間均為8h，當蒸壓溫度從140℃升至180℃時，3號配比的蒸壓磚抗壓強度從23.02MPa提高至35.68MPa；LS-1～LS-3和HS-1～HS-3蒸壓時間均為4h，當蒸壓溫度從140℃升至180℃時，3號配比的蒸壓磚抗壓強度由21.87MPa提高至23.83MPa。2）各試件蒸壓磚抗壓強度隨著蒸壓時間的延長均有不同程度的提高。HS-1～HS-3和HL-1～HL-3蒸壓溫度均為180℃，當蒸壓時間從4h延長至8h時，3號配比的蒸壓磚抗壓強度由23.83MPa提高至35.68MPa；LS-1～LS-3和LL-1～LL-3蒸壓溫度均為140℃，當蒸壓時間從4h延長至8h時，3號配比的蒸壓磚抗壓強度由21.87MPa提高至23.02MPa。

3.2 原料與摻合料配比對蒸壓磚性能的影響

采用正交試驗設(shè)計方法確定制備蒸壓磚的最佳配比，選取生石灰摻量、粉煤灰摻量、礦渣摻量作為敏感性因素進行分析，分別設(shè)為A、B、C因素，各因素水平見表4。

按照正交試驗表L9（3⁴），共設(shè)計9個試驗方案，見表5。

將不同因素水平樣品的抗壓強度總和表示為K，將抗壓強度平均值表示為k。計算因素A（生石灰摻量）、因素B（粉煤灰摻量）、因素C（礦渣摻量）各水平的K、k值，結(jié)果見表6。

通過分析以上K值，認為制備蒸壓磚的最佳配比即黃河泥沙、生石灰、礦渣、水的最佳比例分別為54%、16%、20%、10%。按最佳配比制備的蒸壓磚的抗壓強度可達38.76MPa，抗壓強度達到《蒸壓灰砂實心磚和實心砌塊》（GB/T11945—2019）標準中的最高強度等級MU30，可用于各類民用、公用建筑內(nèi)外墻及房屋的建設(shè)。

因素A、B、C的極差R值（反映因素的影響程度）分別為RA=5.88、RB=5.73、RC=13.77，RC>RA>RB，即3種因素對蒸壓磚性能的影響大小排序為礦渣>生石灰>粉煤灰。

3.3 蒸壓磚物相分析

3.3.1 不同蒸壓工藝的蒸壓磚物相

蒸壓溫度是影響蒸壓磚性能的重要因素，當蒸壓溫度較低時，水化產(chǎn)物形成速度慢且數(shù)量少，導(dǎo)致蒸壓磚內(nèi)部強度不足、表面易掉渣[9]。蒸壓磚體系中硅質(zhì)、鈣質(zhì)材料的溶解以及水化產(chǎn)物生成、過飽、析晶都需要一定的時間來完成，因此蒸壓時間會對蒸壓磚性能產(chǎn)生一定影響。

圖1為不同蒸壓工藝條件下表2中3號配比蒸壓磚的XRD圖（圖中2θ為衍射角）。分析圖1（a）可知，蒸壓時間較短時，方解石峰強度較高，則體系中Ca（OH）2峰強度較高，表明只有部分Ca（OH）2與SiO2（石英）發(fā)生水化反應(yīng)，生成較少的C-S-H凝膠。隨著蒸壓時間增加，體系中SiO2含量由37%減小到32%，C-S-H凝膠物質(zhì)增加。早期活性SiO2和Al2O3與Ca（OH）2反應(yīng)生成C-S-H，再進一步反應(yīng)生成高強度水化產(chǎn)物，如托勃莫來石。繼續(xù)延長蒸壓時間，水化反應(yīng)進一步發(fā)生，水化產(chǎn)物結(jié)晶度不斷提高，托勃莫來石逐漸轉(zhuǎn)化為硬硅鈣石，這些產(chǎn)物相互穿插形成強度更高的致密層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進而賦予蒸壓磚更優(yōu)異的性能。

對圖1（b）XRD進行定量分析可知，隨著蒸壓溫度升高，體系中SiO2的含量由39%減少到32%，C-S-H的峰面積增加，原因是泥沙中的活性組分隨著溫度升高水化速率加快，產(chǎn)生大量C-S-H，使蒸壓磚具有更高的抗壓強度。同時，托勃莫來石、硬硅鈣石在高溫高壓條件下大量形成，進一步提高了蒸壓磚抗壓強度。

3.3.2 不同原料與摻和料配比的蒸壓磚物相

圖2為s-1～s-9號蒸壓磚樣品的XRD圖譜。蒸壓磚的主要礦物組分為石英、鈉長石、方解石、微斜長石、C-S-H凝膠產(chǎn)物、托勃莫來石、硬硅鈣石等[10]。蒸壓后樣品中長石和石英含量均減小，說明長石和石英在蒸壓過程中參與反應(yīng)，生成了CaCO3、C-S-H等水化產(chǎn)物。對比s-1號與s-3號樣品，s-3號樣品中C-S-H含量大于s-1號樣品，原因是s-3號樣品粉煤灰中活性SiO2與Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成了更多水化產(chǎn)物，提高了樣品抗壓強度。對比s-1號、s-4號、s-7號樣品，隨著礦渣和石灰含量增大，體系中石英含量減小、方解石含量增大，原因是礦渣中較高含量的CaO能夠更好激發(fā)SiO2和Al2O3，為蒸壓體系補充活性硅、鋁，使得蒸壓體系中生成較多的水化產(chǎn)物，從而提高樣品抗壓強度。

經(jīng)對比分析，s-7號樣品的石英、鈉長石、微斜長石含量均最小，鈉長石和微斜長石在蒸壓過程中參與化學(xué)反應(yīng)生成了C-S-H，從而使蒸壓磚強度提高[11]。同時，蒸壓過程中產(chǎn)生的水化硅酸鈣凝膠進一步反應(yīng)，生成了強度更高的硬硅鈣石和托勃莫來石，進一步提高蒸壓磚抗壓強度。

3.4 蒸壓磚微觀形貌分析

3.4.1 不同蒸壓工藝的蒸壓磚微觀形貌

圖3為不同蒸壓工藝的蒸壓磚SEM圖像，其配比統(tǒng)一為表2中3號配比。由圖3可以看出，隨著蒸壓溫度升高，蒸壓磚骨料表面生成了大量水化產(chǎn)物，磚體結(jié)構(gòu)致密、孔隙少，顆粒之間更緊密，原因是泥沙中的活性組分隨著溫度升高水化速率加快，產(chǎn)生的大量C-S-H凝膠物質(zhì)使蒸壓磚膠黏性更強[12]。對比不同蒸壓時間的SEM圖像，蒸壓時間為4h時，可以看到泥沙顆粒和粉煤灰顆粒，表明在蒸壓時間較短的情況下水化反應(yīng)不完全，沒有足夠的時間使泥沙顆粒、粉煤灰顆粒參與反應(yīng)，且在較短時間內(nèi)只有少量的水化產(chǎn)物生成；蒸壓時間為8h時，體系中出現(xiàn)柳葉狀凝膠物質(zhì)，且沒有看到未反應(yīng)的泥沙顆粒、粉煤灰顆粒，表明在蒸壓時間為8h時體系中水化反應(yīng)更徹底，生成了更多的水化產(chǎn)物，使得蒸壓磚的強度提高。

3.4.2 不同配比的蒸壓磚微觀形貌

圖4為不同配比的蒸壓磚SEM圖像。s-1號樣品的顆粒形態(tài)明顯，說明其水化反應(yīng)程度較低，水化不完全，有少量的絮狀結(jié)構(gòu)附著在顆粒表面，絮狀物質(zhì)是C-S-H[13]；s-3號樣品的絮狀結(jié)構(gòu)增多，且有柳葉狀的水化產(chǎn)物出現(xiàn)；s-7號樣品中柳葉狀水化產(chǎn)物彼此穿插，水化產(chǎn)物生成量最多；s-1號、s-3號和s-7號樣品均產(chǎn)生了片狀水化產(chǎn)物，都是托勃莫來石的形貌；s-7、s-8號樣品的纖維狀水化產(chǎn)物為硬硅鈣石[14]。與其他樣品相比，s-7號樣品中的托勃莫來石、硬硅鈣石交錯生長，水化程度較高，水化產(chǎn)物數(shù)量較多且呈現(xiàn)致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此具有較高抗壓強度。

根據(jù)表5中s-1～s-9樣品抗壓強度數(shù)據(jù)，影響蒸壓磚抗壓強度的首要因素是生石灰含量，其次是礦渣含量，最后是粉煤灰含量。s-7號樣品在所有樣品中石灰、礦渣含量最高，沒有添加粉煤灰，其強度最高，SEM圖像中s-7號樣品呈現(xiàn)的最優(yōu)微觀形貌結(jié)構(gòu)也印證了該結(jié)果。

3.5 優(yōu)化條件下制備的蒸壓磚物理性能

采用最佳配比和蒸壓工藝制備蒸壓磚，其性能測試結(jié)果見表7。蒸壓磚的抗壓強度可達38.76MPa，抗壓強度等級達到《蒸壓灰砂實心磚和實心砌塊》（GB/T11945—2019）中的最高強度等級MU30；放射性內(nèi)照射指數(shù)（IRa）、外照射指數(shù)（Ir）分別為0.2、0.4；經(jīng)25次凍融循環(huán)，蒸壓磚的最大質(zhì)量損失率及強度損失率分別為2.2%及15.7%，符合蒸壓磚25次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率小于3%、強度損失率小于20%的要求；吸水率為11.7%，干燥收縮率為0.036%，軟化系數(shù)為0.90，碳化系數(shù)為1.03，同樣都滿足標準要求。采用黃河泥沙制備的蒸壓磚屬于高強蒸壓磚，可用于各類民用、公用建筑的內(nèi)外墻及房屋的基礎(chǔ)建設(shè)。

4 結(jié)論

以黃河泥沙為主要原料制備蒸壓磚，分別對不同蒸壓工藝、配比樣品的性能進行測試和形貌進行分析，得出結(jié)論如下。

1）隨著蒸壓溫度升高、蒸壓時間增加，不同配比的蒸壓磚抗壓強度均逐漸提高。

2）影響蒸壓磚抗壓強度的摻合料排序為礦渣>生石灰>粉煤灰。

3）黃河泥沙、生石灰、礦渣摻量比例分別為54%、16%、20%，蒸壓溫度為180℃，蒸壓時間為8h時，蒸壓磚抗壓強度為38.76MPa，達到《蒸壓灰砂實心磚和實心砌塊》（GB/T11945—2019）標準中最高強度等級MU30，可用于各類民用、公用建筑內(nèi)外墻及房屋的基礎(chǔ)建設(shè)。

4）蒸壓過程中產(chǎn)生的C-S-H、硬硅鈣石、托勃莫來石等水化產(chǎn)物是賦予蒸壓磚強度的主要物質(zhì)。

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【責任編輯 栗 銘】