吴鑫，彭文彬，张旭，麻鹏飞

（四川华西绿舍建材有限公司技术研发中心，四川　成都　610036）

利用工业废渣白泥和粉煤灰制备建筑用砌块研究

吴鑫，彭文彬，张旭，麻鹏飞

（四川华西绿舍建材有限公司技术研发中心，四川成都610036）

本文通过试验对不同养护制度下不同配比的白泥—粉煤灰砌块的各项力学性能和耐久性进行了研究。最终确定白泥掺量为30% 时砌块性能最佳，此时配合比为水泥∶粉煤灰∶砂∶白泥=10∶25∶35∶30；最佳的养护制度是蒸压180℃，养护10h，所制备出的砌块抗压强度可以达到24.2MPa，同时干缩与抗冻等耐久性性能都满足国标要求。对不同配方中白泥和砂子掺量的变化引起养护产物的变化，通过 X 射线衍射和扫描电镜及能谱等测试方法进行了物相分析，对比分析可知最佳配合比时生成较多具有较高硅聚合度、结晶较好且强度较高的托勃莫来石（C5S6H5）。

工业废渣；粉煤灰；力学性能；耐久性

0　前言

白泥是制浆造纸过程中采用碱回收技术处理后的副产品，是碱回收苛化反应过程中产生的沉淀物，主要成分是CaCO3，因其带有残碱，有较强的腐蚀性，因此属于二次污染物，外排会造成环境污染，也不能直接回收利用。造纸厂在黑液碱回收过程中会产生大量苛化白泥，白泥的综合利用虽然取得了进展[1]，但由于回收成本高、技术不成熟，导致综合利用水平较低。高昂的回收成本使得许多厂家转而采用最简单的办法，就是购买土地填埋处理白泥。其污染程度远比煤矸石、粉煤灰等废渣危害大，因此目前，国内制浆造纸企业为适应环保要求，也为了降低生产成本，对造纸白泥的开发利用迫在眉睫。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一。为有效利用粉煤灰和白泥，减少环境污染，目前国内外已提出了多种利用方案，如：利用造纸白泥低温合成硅灰石来制作快烧釉面砖[2]；碱回收白泥用于烟气脱硫[3]；将白泥用作填埋场衬层防渗土料[4]；将白泥与粉煤灰混合制作水泥掺合料[5]；在水泥中高掺粉煤灰制备高性能混凝土[6]；将粉煤灰用作天然橡胶混合物的补强或延伸剂等[7]。

本文基于有效利用白泥和粉煤灰的目的，提出将两者混合，二者分别作为提供钙质元素和硅、铝质元素的原材料，再加入水泥、河砂、水及少量减水剂，分别用蒸养与蒸压两种养护方法，制成具有一定强度的砖体，作为建材使用的方案。通过大量试验，得到了在不同配比不同养护方式条件下制成砌块制品的抗压、抗折、抗冻及干缩等各种性能指标，进而筛选出最优达标样品的制备方案，从而做到变废为宝，在解决废渣处理问题的同时创造出巨大的经济效益。

1　原材料的选取及试验方案

1.1原材料的选取

利用固体废弃物制备承重砌块的基本原料可分为：钙质原材料、硅铝质原材料、骨料以及少量的外加剂等。

1.1.1钙质原材料

在制备承重砌块的材料选用中，钙质原材料大都为石灰，由于石灰生产需要消耗大量的优质石灰石和煤炭资源，因此不仅提高了材料成本，而且增大了资源消耗和对环境的污染。选用各种含钙固体废弃物替代生石灰对降低生产成本具有重要的意义。而造纸白泥中钙质元素占很大比例，白泥堆置量巨大且具有一定的活性。因而决定选取水泥和白泥作为钙质元素的提供者。

1.1.2硅铝质原材料

鉴于粉煤灰中 SiO2含量达到其质量分数的40% 以上，因而是一种很好的硅铝质原材料，且在蒸压条件下，由于粉煤灰能在高温、高压蒸汽中与氧化钙、石膏等物质发生水热反应，生成强度较高且稳定性能较好的托勃莫来石以及抗碳化性能较好的水石榴石，同时也使粉煤灰的活性得到充分发挥。再者，粉煤灰的矿物组成对水化的影响是最为显著的因素。因此决定选取粉煤灰作为硅铝质元素的提供者。

1.1.3骨料

骨料可以通过多级破碎或分选实现颗粒的合理级配，保证制品的均匀性和致密度，提高固体废弃物的利用率。骨料的掺量影响砖的强度和收缩值，还可改善成型工艺特性，减少物料分层。鉴于四川地区具有丰富的河砂资源，且本身具有一定的级配，可以直接用于砌块中作为骨料。因而选取河砂作为砌块的骨料。

因此，最终选取使用的原材料如下：

水泥：中联 P·O425普通硅酸盐水泥。白泥：重庆造纸厂的白泥，主要成分是 CaCO3。粉煤灰：重庆电厂排废渣粉煤灰，其活性指数为84.5%，它们的主要化学成分见表1。水：自来水。砂：河砂，细度模数2.3。外加剂：聚羧酸型减水剂，减水率12%～14%。

表1　水泥、白泥与粉煤灰的化学组成　　　kg/m3

1.2试验方案

1.2.1试验配方方案

本文主要以处理工业废渣白泥为主要目的，因而试验方案的设计在采取固定水泥、粉煤灰的掺量基础上，调整白泥掺量；砂子、减水剂等采用外掺的方式添加，其试验配比如表2所示。

表2　各组试件的干料配比　wt %

1.2.2性能检测

为探索白泥和粉煤灰复合利用的途径，按照 GB/T2542－2003《砌墙砖试验方法》从以下四个方面来研究各个方面对白泥粉煤灰砌块的性能影响研究：

（1）粉煤灰与白泥之间不同配比，选用5∶10、5∶8、5∶6三个比例；

（2）不同养护方式对其影响，选取蒸养和蒸压两种方式；

（3）同种养护方式、同样养护时间，不同养护温度对其性能影响，选取蒸压140℃，10h；蒸压160℃，10h；蒸压180℃，10h。

（4）同种养护方式、同样养护温度，不同养护温度时间对其性能影响，选取蒸压140℃，10h；蒸压140℃，20h。

通过进一步试验选取出最优配方并选出最优养护制度，从而找到固废利用的最佳途径，取得最好的处理结果。

1.2.3微观分析

制取不同胶砂配方的净浆试块，并采用与胶砂同样的养护制度，测其力学性能，并通过 X 射线衍射和扫描电镜及能谱等测试方法对其物相和微观界面进行分析，从而进一步对其反应机理进行研究，最终找出导致其不同性能现状的原因。［注：物相分析采用荷兰帕纳科公司产 X'Pert PRO 型多功能 X 射线衍射仪（XRD，Cu 靶），形貌分析采用德国蔡司仪器公司产的 Ultra55型场发射扫描电子显微镜系统（FSEM），微观形貌物相分析采用 Oxford IE450X-Max80能谱仪（EDS）］

2　试验数据讨论与分析

2.1试验测试基本性能对比

本文抗冻及干缩性能的测定依据 GB/T4111－2013《混凝土砌块和砖试验方法》、GB50176－1993《民用建筑热工设计规范》进行测定。

2.1.1不同养护方式对白泥—粉煤灰砌块各项基本性能的影响

通过调整养护方式，温度90℃为常压蒸养养护，140℃、160℃、180℃ 时为高压蒸压养护，不同养护方式下，白泥粉煤灰砌块的力学性能及耐久性如抗冻及干缩性能结果如表3所示，单一性能指标变化如图1～4所示。砌块经60次冻融循环后实际情况如图5所示。

表3　不同养护方式对白泥—粉煤灰砌块性能的影响

图1　不同养护方式下试件的抗压强度

由图1看出，蒸养过后砌块的强度可以达到27MP a，蒸压制度下砌块强度最高时是180℃，蒸压10h 时，可以达到24.2MPa，说明蒸养更有利于粉煤灰砌块力学性能的发展，而在同种养护方式、同种养护时间下，温度越高越有利于强度的增长，这是因为温度增长的同时会增加蒸压釜的压力，而压力的增长可以加速晶体的成长并使其结晶晶型更好，同时高温环境更适合粉煤灰活性的发展，这也有利于试块强度的增长。

图2　同养护方式下试件抗冻质量损失

图3　不同养护方式下试件抗冻强度损失

图4　不同养护方式下试件干燥收缩率

图5　冻融循环试验混凝土试块展示

由图2、图3及图5a) 图5b) 对比图中可以看出，随着白泥掺量的增加，砌块的抗冻性能逐步下降，这是因为白泥主要成分是碳酸钙，掺在砌块中主要起到碱激发的作用，只有少量参与水化反应，因此白泥掺量的增加不能提高砌块本身的强度，相对的白泥颗粒较细，搅拌时不易搅拌均匀，易形成小球发生团聚且白泥中本身含有大量水分，这些都会影响到砌块冻融循环过后砌块的各项性能。

由图4可以看出不同养护方式下试件干燥收缩率的变化，蒸养条件下干燥收缩率高于蒸压时的，这是因为水泥石干缩的大小主要取决于干燥初期水泥石的孔径分布、水化产物的多少和水化产物的结构。对于硅酸盐水泥，养护温度的影响主要是使 C-S-H 凝胶微观结构发生变化[8]。蒸压制度是在高于常压的情况下进行养护，此时生成物结晶良好，生成具有较高硅聚合度的托勃莫来石（C5S6H5），从而使试块内部结构更加密实，因而干缩也要小一些；而同样采用蒸压养护的情况下，干缩随试块的强度降低而变大，这是因为强度的高低是反应产物的直接体现，也是产物结晶状况及骨料填充密实度的直观体现。

2.1.2同种养护方式不同养护时间对白泥-粉煤灰砌块各项基本性能的影响

通过调整养护时间，可以看出不同养护时间对试块强度及耐久性能的影响，如表4所示。

通过调整养护时间，可以看出不同养护时间对试块强度及耐久性能的影响，如图6～9所示。

由图6～9可以明显看出，同种蒸压养护制度下蒸压时间的延长并没有在强度、干缩及抗冻等性能方面有所提高，反而有一定程度地下降，所以说同种养护制度下养护时间的长短选择需要依情况而定，并不是时间越长越好，这是因为蒸压养护时间过长，C-S-H 过多的转化为结晶粗大的托勃莫来石，反而会导致制品强度有所下降，同样由于强度的下降，使得其抗冻及干缩性能也有所下降。

表4　不同养护时间对试块强度及耐久性能的影响

图6　养护时间对抗压强度的影响

图7　养护时间对抗冻质量损失的影响

图8　养护时间对抗压强度损失的影响

图9　养护时间对干燥收缩率的影响

2.2不同配方不同养护制度下净浆试块的强度对比

不同养护制度下不同配方净浆试块的抗压强度变化如表5所示，单一配方不同养护制度下的强度变化如图10所示。

表5　不同养护制度下不同配方净浆试块的抗压强度　　　　　MPa

图10　不同养护制度后养护后净浆试块抗压强度

由图10可以看出，白泥掺量为40% 时，即配方五的强度整体高于同等养护制度的白泥掺量为30% 的配方四，白泥掺量为50% 时的强度在同等养护制度下是三种配方中最低的，这说明白泥—粉煤灰砌块的净浆强度并不是随着白泥掺量的增大而减小，而是先增大再减小，净浆中白泥最佳掺量为40%，这是因为本试验中的水分来源主要是湿白泥本身的水分，而此时对于净浆来说刚好能够提供所需水分而不过量；由于白泥基本上不参与净浆的水化反应，掺加50% 白泥时，水化反应物的相应减少是造成其强度下降的最主要原因。

同时由图10也可以看出，在同一种配方下随着养护制度的不同，净浆强度也随之变化；蒸养养护制度下净浆试块的强度并不是像胶砂试块那样是强度最高的，而是蒸压180℃时强度最高，这是因为排除骨料掺量的影响，高温高压条件下养护可以促进浆体的水化反应，从而有更好的结晶，有利于其强度的增长。

2.3不同养护制度下试样结晶产物微观结构及物相分析

由图11中 X 射线衍射图谱对比可以看出，蒸养养护制度下与蒸压养护制度下的结晶产物是不同的，蒸养情况下净浆中会有钙矾石的结晶峰，且结晶产物晶型更为完好；而蒸压产物中主要是碳酸钙和二氧化硅，以及无定形的钙矾石存在，初步估计是托勃莫来石。

图11　不同养护制度下的结晶产物 XRD 衍射图

通过扫描电镜（FSEM）及能谱（EDS）测试方法测试后，由图12的 FSEM 扫描图（Mag=40.00K×）可以看出蒸压后产物主要是层片状或鱼鳞状结构，初步预计是托勃莫来石（C5S6H5），又由图13中用 EDS 测出的能谱图中可以看出测试结果中主要有 Ca、Si、 Al 元素，且由图13中元素含量数据经过计算其中钙硅比为0.77接近于托勃莫来石中0.8的钙硅比，因此可以判定结晶产物主要是托勃莫来石。这也解释了不同配方不同养护制度下试样各种性能的变化规律。

图12　　FSEM 下配方四180℃ 蒸压养护下净浆形貌

图13　选取图12中部分区域（如图）做 EDS 测试能谱图及测试结果

3　结论

（1）对于白泥粉煤灰砌块来说，蒸养时强度比选取蒸压方式的高，抗冻性能也要好，但是干缩无法保证；而蒸压可以在保证具有一定强度的同时，保证砌块的抗冻性能和干缩性能，因此养护方式应选取蒸压的方式。在蒸压养护制度下，应选取适当的养护时间，养护时间的延长并不能保证其强度的稳定和增长，反而可能引发其强度的倒缩，也会影响到其抗冻和干缩性能。

（2）通过本文大量试验数据可以看出，在本文所选原料最佳配比应为水泥∶粉煤灰∶砂∶白泥=10∶25∶35∶30；最佳养护制度应选取180℃，10h；此时可以在满足国标要求抗冻及干缩性能指标的同时达到较高强度。

（3）通过此方法制取白泥—粉煤灰砌块可以同时处理白泥和粉煤灰等固体废弃物，可作为我国解决造纸白泥和粉煤灰大量堆积造成环境污染问题的一个有效途径。

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[5] 李宁，常钧，旺宏发．制碱白泥与粉煤灰混合制作水泥掺合料的研究[J]．建筑材料科学报，2007，10(2)：17-20.

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［通讯地址］四川省成都市解放北一路95号（610081）

吴鑫（1978－），男，重庆建筑大学无机非金属专业，高级工程师，四川华西绿舍建材有限公司技术研发中心主任。