华小虎，刘文刚，吴晨，郝海宁，王桢妹，王乐，张璐瑶

（西安科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710054）

工业废渣制备环保型广场砖研究

华小虎，刘文刚，吴晨，郝海宁，王桢妹，王乐，张璐瑶

（西安科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710054）

通过在脱硫石膏-粉煤灰胶凝体系中添加不同作用的外加剂，制备出环保型广场砖，并对其力学性能进行了测试。结果表明，当半水脱硫石膏与粉煤灰的质量比为45：35，添加10%水泥、5%SiC废渣颗粒、2%生石灰、0.8%FDN减水剂、2%Na2SiO3、0.2%CMC粉，在水胶比为0.3时，所制备的广场砖性能符合GB/T 23458—2009《广场用陶瓷砖》标准要求。

广场砖；环保；脱硫石膏-粉煤灰胶凝体系；水化

0 引言

我国是煤炭的生产和消费大国，由燃煤排放的粉煤灰及大量二氧化硫成为恶性污染物质，这些工业废料的堆积挤占土地，影响当地空气中的粉尘含量。将这些废料应用于环保砖生产中，不仅可以使污染物得到合理利用，还能有效地提高路面的生态循环功能。目前，国内外对环保砖的研究和应用范围虽然广，但市售的环保砖仍然种类较为单一，真正达到环保标准的环保砖也是少之又少，只是在原料上做到环保并不能完全解决环境及使用过程中出现的问题。原料环保廉价，同时砖体结构能起到改善生态环境作用的环保砖已经成为国际上环保砖的重要研究方向和生产目标。环保砖在国际上已有70年左右的历史。前苏联定全苏标准379-53时[1]，就已对粉煤灰砖的物理力学性能和使用范围等作出了明确规定。1958年我国就成功研制了蒸压和非蒸压粉煤灰渣砖，1965年开始生产粉煤灰烧结砖[2]，国内目前生产的粉煤灰砖主要有蒸压粉煤灰砖和烧结粉煤灰砖，产品用灰量大，可节约大量黏土，且性能与黏土砖相差不大。由于国内脱硫石膏产生的历史较短[3]，综合利用也是刚刚起步，现阶段对脱硫石膏等工业废料只在少数领域中得到应用，对于环保砖的研究和应用技术也并不成熟，并且尚未形成工业化、产业化规模。随着社会经济及工业的快速发展，工业废料急剧增多，它们对城市环境造成巨大压力，限制了经济与工业的可持续发展。脱硫石膏和粉煤灰也是主要的固体废弃污染源。因此，若能有效利用脱硫石膏和粉煤灰制成路面环保砖[4]，不仅响应了国家的可持续发展战略，减轻这些废弃物对环境的污染，而且能有效避免“二次污染”，实现国家变废为宝的倡导。同时，以这些原料制成的环保砖在能够达到产品标准的同时，极大地降低了成本。

1 实 验

1.1 原材料和主要仪器设备

脱硫石膏：呈中性或略偏碱性，灞桥电厂；粉煤灰：富含大量活性SiO2及Al2O3，灞桥电厂；激发剂：生石灰CaO；早强型水泥：32.5R；SiC废渣颗粒：SiC含量45%～52%，碳化硅厂废料；萘系减水剂（FDN）：减水率≥14%；早强剂：Na2SiO3；粘结剂：羧甲基纤维素钠（CMC）。

自制砖体模具，YJ-40压力成型机，烘箱，养护箱，抗压强度测试仪，耐磨性测试仪，导热系数测试仪，天平等。

环保型广场砖：尺寸250 mm×250 mm×50 mm，砖内分布有如图1所示的15个倒杯状储水孔，储水量达260 ml。此砖不但具有原料环保、耗能低（免蒸、免烧）、强度高、防滑、耐磨等特点，还具有储水、释放水汽、除尘的功能。

图1 环保广场砖示意

1.2 实验配方设计及确定

按照主要原料脱硫石膏、粉煤灰和碳化硅废渣用量（按占胶凝材料总量计）对砖体的影响，设计了如表1所示的正交实验配方。正交实验得出5#配方所制备的砖28 d抗压强度最高。确定环保广场型多孔地板砖的理论最佳配方为：m（脱硫石膏）：m（粉煤灰）：m（水泥）：m（SiC废渣）：m（石灰）=45：35：10：5：5。

表1 正交实验设计与结果

1.3 工艺流程

原料称取→干料混合→球磨→加骨料→加水（外加剂）搅拌→湿料入模→压力成型→脱模→养护→成品检测。

1.4 测试与表征

根据GB 23458—2009《广场用陶瓷砖》要求，本次设计的广场环保型多孔地板砖应符合：抗折强度>3.2 MPa；抗压强度>16 MPa；干缩比不高于0.5%；软化系数>0.75；导热系数＜0.026W/（m·K）；抗冻性不低于D15。外观质量按GB 23458—2009判断，其承压面的不平度≤0.05 mm/100 mm，承压面与相邻面的不垂直度≤±1°。

2 结果与讨论

2.1 脱硫石膏与粉煤灰质量比对广场砖性能的影响

环保砖强度主要取决于生成的脱硫石膏-粉煤灰胶凝材料的强度。实验中分别取脱硫石膏与粉煤灰质量比为15：65、25：55、35：45、45：35、55：25和65：15，水胶比为0.3，加入外加剂及水拌合均匀后，采用压制成型后直接脱模，在空气中分别养护2 d和3 d后测试每组试件的抗压强度，结果如表2所示。

表2 脱硫石膏与粉煤灰质量比对广场砖抗压强度的影响

由表2可以看出，随着脱硫石膏用量的增加，广场砖的抗压强度不断提高。这是由于水化产物的增加，材料内部网状结晶体更多[5]，晶体之间的搭接、密实程度明显增加，结晶接触点也增多，硬化体的孔粒径得到细化；另外，在水化过程会消耗浇注材料内部的一部分水，但是半水脱硫石膏水化成二水脱硫石膏一定程度上引起体积增加，增加的体积将消耗水分后留下的空隙填充，使胶结材更为致密，强度提高。

但是当脱硫石膏比例超过45:35时，抗压强度增长率开始下降，整体强度反而有降低趋势。过多的半水石膏得不到充分水化，滞留在胶结材中，影响晶体网之间的相互连接，影响晶粒的生长，同时由于缺乏水分，胶结材内部形成一部分空隙，引起体系强度降低。

2.2 减水剂掺量对脱硫石膏-粉煤灰胶体胶凝体系性能的影响

减水剂可以使脱硫石膏拌合物在保持良好工作性的条件下明显减小水灰比，从而降低石膏硬化体内的孔隙率，有利于提高其强度和耐水性。FDN萘系减水剂不影响胶凝体系的凝结时间，引气量低，能大幅度降低胶凝体系的水灰比。当m（脱硫石膏）：m（粉煤灰）：m（水泥）：m（SiC废渣）：m（石灰）=45：35：10：5：5时，减水剂掺量对脱硫石膏-粉煤灰胶体胶凝体系性能的影响见表3。

表3 减水剂掺量对脱硫石膏-粉煤灰胶体胶凝体系性能的影响

从表3可以看出，随着FDN掺量的增加，脱硫石膏-粉煤灰胶体胶凝体系的标准稠度用水量降低，凝结时间延长，为了保证正常凝结并从经济方面考虑，FDN的适宜掺量确定为0.8%，以下试验中FDN掺量均为0.8%。

2.3 生石灰掺量对广场砖性能的影响

生石灰水化后，OH-能打破粉煤灰的玻璃体结构，激发粉煤灰的活性，生成更多的水化产物，从而提高体系的强度。当m（脱硫石膏）：m（粉煤灰）：m（水泥）：m（SiC废渣）=45：35：10：5时，生石灰掺量对广场砖14 d强度的影响如图2所示。

图2 生石灰掺量对广场砖14 d强度的影响

从图2可以看出，生石灰的加入对广场砖14 d强度影响较大，当其掺量从0增大到2.0%时，广场砖的14 d强度显著提高，但当掺量继续增大时，强度反而下降。因此，生石灰的适宜掺量为2.0%，此时环保型广场砖的抗折、抗压强度分别较未掺生石灰的样品提高63.64%和154.4%。综合考虑，本次设计中石灰的用量为2%。

2.4 水泥掺量对广场砖性能的影响

水泥的加入能使脱硫石膏-粉煤灰胶体早期水化程度提高，水化产物大幅度增多，早期强度明显提高。当m（脱硫石膏）：m（粉煤灰）：m（SiC废渣）：m（石灰）=45：35：5：5，水泥掺量对广场砖力学性能的影响见图3。

由图3可知，水泥掺量在0～12%内增加时，广场砖的抗压强度提高，但水泥掺量超过10%时，抗压强度和抗折强度下降，水泥掺量过高也不经济。综合考虑，水泥的适宜掺量为10%，此时广场砖的抗折、抗压强度较未掺水泥时分别提高88.09%和124.77%。

图3 水泥掺量对脱硫石膏-粉煤灰胶体力学性能的影响

2.5 最佳配比试验

按脱硫石膏与粉煤灰的质量比为45：35，添加10%水泥、5%SiC废渣颗粒、2%生石灰、0.8%FDN、2%Na2SiO3、0.2%CMC，在水胶比为0.3时，制备环保型广场砖。测试了广场砖的强度，结果表明，在最佳配比条件下制备的广场砖2 d抗压强度为6.9 MPa，3 d抗压强度为10.7 MPa，28 d抗压、抗折强度分别为23 MPa、4.8 MPa，符合GB 23458—2009标准要求。

4 结论

利用脱硫石膏和粉煤灰等工业废料制备的多孔环保型广场砖不仅原料环保、耗能低、强度高、耐腐蚀、耐磨，并且具有储水和释放水汽的功能。实验证明，当脱硫石膏与粉煤灰的质量比为45：35，添加10%水泥、5%SiC废渣颗粒、2%生石灰、0.8%FDN、2%Na2SiO3、0.2%CMC，在水胶比为0.3时，所制备的环保型广场砖性能符合GB 23458—2009标准要求。

[1] 刘红岩，施惠生.脱硫石膏的应用技术研究现状和典型工艺[J].矿冶，2006，15（4）：56-60.

[2]周娜，柏玉婷，李国忠.脱硫石膏/粉煤灰复合胶结材性能研究[J].非金属矿，2008，31（2）：49-50.

[3] 王方群，原永涛，齐立强.脱硫石膏性能及其综合利用[J].粉煤灰综合利用，2004（1）：41-44.

[4]王方群.粉煤灰-脱硫石膏固结特性的实验研究[D].保定：华北电力大学，2003（2）：16-20.

[5] Jing Zhenzi，Norihisa Matsuka，Jin Fang Ming，et al.Hydrothermal solidification of inorganic wasters to building materials[J].Journal of Shaanxi University of Science and Technology，2004，22（5）：8-16.

Study on preparation of environmental-friendly plaza tile by industrial waste

HUA Xiaohu，LIU Wengang，WU Chen，HAO Haining，WANG Zhenmei，WANG Le，ZHANG Luyao
（School of Materials Science and Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，Shaanxi，China）

Environmental-friendly plaza tiles were prepared by adding different roles of additives into the FGD gypsum-fly ash cementitious system，and its mechanical properties were analyzed and tested.Experiments show that when the weight percentage of semi-hydrated gypsum and fly ash is 45：35，with 10%cement，5%SiC particles of slag，2%lime，0.8%FDN，2%Na2SiO3，0.2% CMC，and water cement ratio of 0.3，the tested performance indicators of the tile prepared are in line with the requirements as specified in GB 23458—2009"Plaza Tiles".

plaza tiles，environmental friendly，desulfurization gypsum-fly ash cementitious-system，hydration

TU522；TQ177.375

A

1001-702X（2015）04-0008-03

2014-10-14；

2015-03-12

华小虎，男，1978年生，陕西洋县人，工程师，主要从事无机非金属材料制备和开发。