磨细砂制备高强蒸压灰砂砌块的研究

2021-07-27李从波魏小军

广东建材 2021年7期

方飞李从波魏小军

（广州大学土木工程学院）

0 引言

蒸压灰砂砌块是以石灰为钙质材料，砂为硅质材料，经原料处理、配料搅拌、消化作用、压制成型及蒸压养护而成的新型墙体材料[1]。随着墙体材料的改革和限制黏土砖使用力度的加大，蒸压灰砂砖作为一种环保型建筑材料得到快速发展，并在《新型墙体材料产品目录（2016 年本）》受到推荐使用。

蒸压灰砂砌块中砂的用量达到80%以上，据研究表明，砂的细度对灰砂砌块的强度影响较大[2]。本研究利用球磨机对细砂进行球磨处理制备成不同粒度、不同比表面积的磨细砂，然后研究利用石灰、磨细砂制备高性能的灰砂砌块，从而建立磨细砂制备高强蒸压灰砂砌块的工艺路线。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

⑴生石灰：作为钙质材料，清远市建邦石灰有限公司生产，其化学成分如表1，达到JC/T 621-2009《硅酸盐制品用生石灰》一等品等级要求。

表1 石灰的主要化学成分(%)

⑵砂：作为硅质材料，产自佛山三水砂场，SiO2含量大于85%。取500g 试验用砂，烘干后进行筛分，筛分曲线如图1 所示，其细度模数为2.0，属于细砂。

图1 砂的筛分曲线图

1.2 试验方法

⑴蒸压灰砂试件的制备流程。

按照实验设计的配合比，用电子天平准确称量各物料，并将各物料放入水泥净浆搅拌机中干搅拌3min，再加入干料质量18%的水搅拌5min，搅拌好的物料储存到物料桶中，并用保鲜膜密封住桶口，物料在物料桶内消解陈化2～16h。消化时间结束取出物料，加干料质量5%的水二次搅拌3min，称取100g 物料于直径50mm 的不锈钢模具中，在压力机上以20MPa 的压力压制成直径50mm、高26mm 的圆柱试块[3]。脱模后的试块静置一段时间，再放入蒸压釜内进行蒸压养护，蒸压温度为192℃，恒温时间为8h，蒸压压力为1.3MPa。

⑵蒸压灰砂试件的性能测试。

依据GB/T2542-2012《砌墙砖实验方法》对试件的抗压强度、膨胀率、容重、吸水率、软化系数进行测试。

2 试验结果和分析

2.1 球磨时间对细砂粒度的影响

取1000g 细砂，球料比设定为1:1，使用快速球磨机对细砂进行湿法球磨，水料比为0.3，球磨时间设定为5～40min，并使用BT-9300HT 激光粒度分析仪对不同球磨时间制得的磨细砂进行分析，其粒度分布参数见表2，分布曲线如图2。

从图2 可以看出，随着球磨时间的延长，磨细砂的体积分布曲线不断向左偏移，整体粒径不断减小，峰值粒径及其占比不断下降，说明铝球研磨体破坏了砂颗粒的晶体结构，促使颗粒被磨细。从表2 可以看出，当球磨时间大于20min 时，磨细砂中粒径大于100μm 颗粒数量大量减少，球磨时间达到30min 以上时，90%以上的颗粒粒径在100μm 以下。

表2 不同球磨时间的磨细砂粒度分布参数

图2 粒度体积分布曲线

2.2 磨细砂粒度对蒸压灰砂砌块的影响

本节利用上述不同球磨时间处理得到的磨细砂制备蒸压灰砂制品，固定石灰：磨细砂配比为10%：90%，试件的抗压强度检测结果如图3 所示。

图3 不同磨细砂制备灰砂试件抗压强度

从图3 可知，砂的细度对灰砂制品的强度具有显著的影响，球磨时间越长，所制备的灰砂制品抗压强度越高。当未对细砂进行球磨处理时，制品抗压强度仅为7.0MPa；而当球磨时间达到40min，抗压强度达到了33.1Mpa，比未球磨处理组提升了4.7 倍。分析其机理：球磨处理破坏了砂颗粒表面的结构，将晶体SiO2转化为无定形状态的SiO2，砂粒活性增强，同时砂粒径越小，单位体积中颗粒接触点越大，生成胶凝物质质量越好，所以磨细砂的使用可以极大增强灰砂制品的各项性能[4]。考虑砂粉磨过细时所需能耗会大幅增加，同时物料中缺少可支撑的颗粒骨架，故合理的细砂球磨时间为30min。

2.3 石灰、磨细砂制备蒸压灰砂砌块的配比及工艺

石灰中的CaO 和磨细砂中的SiO2摩尔质量比为钙硅比（Ca/Si），最佳的Ca/Si 会随着砂的细度增大而增大，当磨细砂的比表面积在300m2/㎏左右时，最佳的Ca/Si 值在0.25 左右[1]。消化是蒸压灰砂砖生产工艺的一个重要环节，消化质量直接关系到蒸压灰砂制品的性能表现，工业生产过程中常使用消化仓对石灰进行消化处理，消化仓可储存热量，加速CaO 的消解，同时促进过烧CaO 的吸收消化。本节研究利用少量石灰和磨细砂来制备MU30 级的高强蒸压灰砂砌块，设计的配合比及消化时间见表3，试块的抗压强度和膨胀率变化见图4、5。

图4 石灰用量及消化时间对抗压强度的影响

表3 石灰和磨细砂的配合比、消化时间

由图4、图5 可以看出：掺量在6%至14%范围内，随着石灰掺量的增大，试块的抗压强度呈增大的趋势，但石灰用量大于10%时，制品抗压强度增长较小。分析可知，磨细砂的比表面积大，磨细过程中砂晶体的表层结构受到破坏，表层原来晶体结构形态转化为无定形态的SiO2，无定形态的SiO2与Ca(OH)2反应速度快、反应程度更大。在蒸压水热条件下，石灰中的CaO 与磨细砂中的SiO2发生水化反应产生水化硅酸钙凝胶，石灰用量增大，生成的水化硅酸钙凝胶含量也增大，将磨细砂紧密地粘结在一起，从而提高了试块的抗压强度。

图5 石灰用量及消化时间对膨胀率的影响

此外可以看出，消化时间在2h 至16h 范围内，随消化时间的延长，试块的膨胀率逐渐减小，容重增大，抗压强度逐渐增大。具体分析，当石灰：磨细砂=10%：90%时，消化时间为2h 的试件抗压强度仅为14.2MPa，膨胀率达到6%，而当消化时间为16h 时，抗压强度提升至32.4 MPa，膨胀率仅为0.2%。同时对试件表面观察分析（见图6），消化时间不足导致蒸压过程中未反应的CaO 与水反应生成体积膨胀1.5～2 倍的Ca(OH)2[5]，从而使得试件开裂，表面出现大量块状裂纹；延长消化时间，试件表面表面光整，裂缝减少，膨胀率减低，结构更加密实。

图6 不同消化时间的试件外观

对消化时间为16h 的不同配比蒸压灰砂制品性能进行检测，结果见表4。

表4 不同石灰- 磨细砂配比对制品性能的影响

由表4 可知，随着石灰掺量的增加，试件的抗压强度、软化系数逐渐增大，吸水率逐渐减小。当石灰用量为6%时，试件抗压强度可达27.4MPa，抗压强度已达到GB/T 11945-2019《蒸压灰砂实心砖和实心砌块》中MU25 级砌块要求；继续增大石灰用量，试件抗压强度有所上升，但上升幅度随着石灰用量的增大而减小，且吸水率、软化系数变化较小。故使用10%石灰即可制备出性能优越的蒸压灰砂制品，其性能可达到MU30 等级砌块要求。