孙鑫蕊，王学志，董锦坤，贺晶晶

（1.辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710000）

粉煤灰是热电厂燃煤产生的固体废弃物，根据其细度及烧失量等不同可分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级粉煤灰。粉煤灰在我国产量大且分布不均，综合利用不够。据统计，粉煤灰在世界范围内的资源化利用率仅为25%，其中中国约为45%。近年来，越来越多的研究人员开始探究粉煤灰的高值化利用，如对粉煤灰中有用元素的分离、合成地质聚合物以及制备微晶玻璃等[1]。在建筑行业，粉煤灰则通常用来制作混凝土掺合料、加气混凝土砌块、水泥配料等[2-4]。在用粉煤灰制备加气混凝土过程中，并未对粉煤灰等级提出要求。本试验对采用低品质粉煤灰制备加气混凝土展开研究，可更大程度降低成本，以干密度、含水率、抗压强度及劈裂抗拉强度为表征，探究低品质粉煤灰蒸养加气混凝土的性能。粉煤灰作为一种工业固体废弃物，在建筑行业主要用于混凝土掺合料、生产粉煤灰加气混凝土砌块等，而利用粉煤灰制备加气混凝土的研究中，探究了加气混凝土配合比设计、各方面性能及水化机理等[5-6]。孙福凯[7]采用物理和化学方法对低品质粉煤灰的活性进行激发，试验表明，物理球磨及掺加化学激发剂均能使粉煤灰活性提高；杨冬升等[8]利用正交实验对沉积粉煤灰加气混凝土展开研究并得出粉煤灰掺量在50%时性能最优；Kapustin 等[9]通过研究得出粉煤灰掺量为水泥质量的10%可增加混凝土早期强度和标准养护28 d 后的强度，而掺入25%会降低其抗压强度及导电性，增大收缩率。

以锦州热电厂排放的低品质粉煤灰为主要原材料做实验，采用高温高湿养护工艺，探究低品质粉煤灰蒸养加气混凝土的最优配合比及各性能。

1 试验原材料及制备方法

1.1 原材料的选取

（1）水泥：采用辽宁葫芦岛生产的渤海牌P·O42.5 级普通硅酸盐水泥，3 d 抗压强度17.0 MPa，抗折强度3.5 MPa ；28 d 抗压强度42.5 MPa，抗折强度6.5 MPa。（2）粉煤灰：辽宁锦州热电厂生产的固体废弃物粉煤灰，主要成分为活性SiO2和Al2O3，化学成分见表1。（3）生石灰：取自锦州鸽子洞白灰厂金鸽牌生石灰，为料浆提供碱性环境并放热，消化温度约为40℃，消化时间为10～15 min，0.08 mm 方孔筛筛余量＜ 20%。（4）石膏：取自凌海市佳利装饰涂料厂特级石膏粉，减缓料浆稠化速度，化学成分见表1。（5）铝粉：取自天津市大茂化学试剂厂，活性铝含量≥95%。

表1 粉煤灰、石膏化学成分（%）

1.2 外加剂的选取

（1）稳泡剂：十二烷基硫酸钠（C12H25NaO4S），取自无锡市亚太联合化工有限公司，月桂醇针状。（2）早强剂：①无水硫酸钠（Na2SO4），工业级。②三乙醇胺（C6H15NO3），有机物类早强剂，取自无锡市亚太联合化工有限公司。

1.3 试验方法及结果

蒸养粉煤灰加气混凝土试件干密度、含水率、抗压强度、劈裂抗拉强度均参照GB 11968-2020《蒸压加气混凝土砌块标准》及GB/T 11969-2020《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行。试件尺寸均采取100 mm×100 mm×100 mm，为标准立方体试件，为保证试验准确性，每组均设置3 个试件。试验采取4 种不同配合比，探究高温高湿的蒸养养护方式（养护温度80～95℃，养护湿度95%）下低品质粉煤灰加气混凝土的配比，具体配合比见表2。

加气混凝土干密度计算：

式中：r0——干密度（kg/m3），M0——试件烘干后质量（g），V——试件体积（mm3）。

加气混凝土质量含水率计算：

式中：Ws——质量含水率，用百分数（%）表示；M——试件烘干前质量（g）。

加气混凝土抗压强度计算：

式中：fcc——试件抗压强度（MPa），p1——破坏荷载（N），A1——试件受压面积（mm2）。

加气混凝土劈裂抗拉强度计算：

式中：fts——试件劈裂抗拉强度（MPa），p2——破坏荷载（N），A2——试件劈裂面面积（mm2）。

2 试验结果及分析

由表2 可知，以上四组配合比均能制备出性能合格的B07 级蒸养粉煤灰加气混凝土制品。当低品质粉煤灰掺量为47%时抗压强度为5.06 MPa；当掺量增大到61%时抗压强度最大，达到5.98MPa；随着粉煤灰掺量继续增加达到67%时，抗压强度略为下降，但干密度仍呈增长趋势。由此可见在一定范围内随着粉煤灰掺量增加干密度不断增大，而抗压强度和劈裂抗拉强度呈现先上升后下降的趋势。随着干密度的增加，含水率逐渐降低。考虑原因为干密度增加时，除各原材料密度不同外，孔隙率存在一定程度的降低，而劈裂抗拉强度基本与抗压强度呈现正相关。

表2 加气混凝土原材料配比

2.1 破坏形态

加气混凝土立方体抗压强度试验的破坏形态主要有四种：纵向劈裂破坏、斜面剪切破坏、边角破坏、“八字型”破坏（见图1）。试验均表明，试件的端部效应与加载点位置都是粉煤灰加气混凝土破坏形态不一致的影响因素，但加气混凝土试件与普通混凝土试件的破坏形态大致相同。

图1 蒸养粉煤灰加气混凝土立方体抗压试验破坏形态

2.2 干密度与抗压强度的关系

参照GB 11968-2020《蒸压加气混凝土砌块标准》，干密度表征加气混凝土的质量体积比，抗压强度则表征加气混凝土的抗破坏能力，两者均是衡量加气混凝土性能是否合格的重要指标。为了得出干密度ρ与抗压强度fcc间的关系，建立干密度与抗压强度的转换关系，结果见表3。

由表3 可知，随着干密度的增加，抗压强度与干密度的转换系数逐渐增大，抗压强度逐渐增强，加气混凝土的抗压强度与干密度大致呈正相关。原因是当试件体积相同时干密度越大、结构越紧密，加气混凝土中孔隙率变小，强度增大。但当粉煤灰掺量过大达到67%时，抗压强度又会有一定程度的降低，考虑原因为当低品质粉煤灰掺量过大时试件胶结力减小，导致抗压强度减小。

表3 干密度与抗压强度关系

2.3 抗压强度与劈裂抗拉强度的关系

参照GB 11968-2020《蒸压加气混凝土砌块标准》，由于劈裂抗拉强度在实际试验过程中装置较为复杂，木垫条与加气混凝土试件中心难以完全重合，存在较大误差。为得出更为准确的加气混凝土劈裂抗拉强度，探究抗压强度fc与劈裂抗拉强度ft间的转换关系，结果见表4。

表4 抗压强度与劈裂抗拉强度关系

由表4 可知，B07 级加气混凝土ft/fcc的比值大致在7%～8%，并随着干密度的增加比值增大。可知，劈裂抗拉强度与抗压强度存在一定的比例关系，故在工程实践中，可根据加气混凝土抗压强度换算劈裂抗拉强度。

2.4 机理分析

试验研究表明，加气混凝土的干密度和抗压强度等性能与原材料的种类及掺量等都存在一定关系，呈多元线性变化趋势。加气混凝土发气的主要机理是铝粉与原材料中的Ca（OH）2反应生成H2，从而产生大量气泡，而后氢气蒸发，形成高度闭孔的多孔硅酸盐制品，降低了试件干密度，提高了保温、隔热、隔声等性能。反应机理见下式：

粉煤灰掺量对加气混凝土的制备存在影响，在一定范围内，随着粉煤灰掺量的增加，干密度与抗压强度均上升；当超过一定范围后，干密度依然随粉煤灰掺量的增加而增大，而抗压强度则小幅度降低。考虑粉煤灰活性不足且胶结力较差，当掺量过大时，反而会影响加气混凝土的性能。粉煤灰早期强度较低，后期才形成较高的强度，因此加气混凝土早期强度主要受水泥用量影响，适量的水泥掺量是发生水化反应且产生强度的重要手段。石膏是以CaSO4为主要成分的气硬性胶凝材料，在土木建筑行业中，主要应用的是建筑石膏。建筑石膏与适量水拌合后，形成可塑的浆体，随后失去塑性并产生强度，并逐渐发展为坚硬的固体，在加气混凝土制备过程中，石膏可以调节水化反应，减缓料浆稠化速度以及石灰消解速度，使加气混凝土充分发气，以此提高试件强度，减少收缩，并在一定程度上提高抗冻性。而生石灰遇水形成OH-可以为料浆提供碱性环境，加速水泥等胶凝材料的水化过程；粉煤灰的强度主要取决于生成物水化铝酸钙及水化硅酸钙，而这类物质的生成主要集中在蒸养阶段，因此，选择合适的养护方式直接关系到制品性能的好坏。目前企业应用较多的养护方式为蒸压养护，但蒸压养护需要在蒸压釜中进行养护成型，设备价格昂贵，产能巨大，极大程度上增加了加气混凝土的生产成本，并且无法进行现场浇筑，限制了其使用范围。相比蒸压加气混凝土，蒸养加气混凝土采用常压养护，大大降低了成本，释放了产能，且能够在施工现场制备并经过养护后直接使用，未来有望将加气混凝土推广到更广泛的建筑领域中。不同于蒸压养护，试验采取的高温蒸汽养护方式极大地降低了生产成本。从工业角度看，过长的养护期会降低产量，因此，选择一个既满足规范要求强度又不影响产量的合适养护期限尤为重要。

在加气混凝土的制备过程中，料浆发生水化反应，水泥中的C3S 和C2S 水化后生成水化硅酸钙，并逐渐凝聚成C-S-H 凝胶，C3A 和C4AF 经水化后生成水化铝酸钙。由于料浆中含有少量石膏，水化铝酸钙还会进一步与石膏反应生成钙矾石。石灰遇水生成OH-，为料浆提供碱性环境，加速水化反应的进行。在OH-离子力的作用下，铝氧和硅氧网络结构层被破坏，Al-O 和Si-O 化学键断裂，玻璃体结构迅速分解，形成大量碳酸根离子、铝酸根离子以及钙离子，共同存在于料浆的水化环境中，随着离子浓度的升高，过饱和的阴离子聚合形成[SiO4]4-和[AlO4]5-，并与Ca2+结合，形成硅酸钙及铝酸四钙等单聚物。随着Ca2+浓度降低，OH-向原材料内部扩散，料浆PH 值逐渐降低。随后，料浆中的单聚物通过缩聚反应形成硅酸盐和硅铝酸盐凝胶，并随着养护时间的增长逐步转化为碱度较低的C-S-H 凝胶及托贝莫来石。而在石灰消化放热及高温蒸汽养护条件下，这一过程被进一步加速，在短时间内制备出加气混凝土。

加气混凝土各项性能受多方因素耦合影响而非单个影响。在探究加气混凝土性能时需多方考虑，不应只关注某项因素的作用。协同设计、施工等才能制备出性能更优的加气混凝土。

3 结论

①在适宜的配合比下，低品质粉煤灰也能制备出性能合格的蒸养加气混凝土。当粉煤灰掺量为61%时，抗压强度最高，为5.98 MPa。②干密度与抗压强度有较好相关性，一般干密度越大、抗压强度越高，但受材料本身性质影响，当粉煤灰掺量超过一定比例（达67%）时，抗压强度有一定程度下降。③抗压强度与劈裂抗拉强度有很好的相关性，劈裂抗拉强度随抗压强度增大而增加，试验制备的B07 级加气混凝土ft/fcc大致在7%～8%。④在加气混凝土未来发展中，应注重固体废弃物应用及自身性能优化，不断改进，制备出更加优质经济的加气混凝土。另外要了解加气混凝土的水化产物组成及机理，及时探究加气混凝土的结构及各性能，增加孔结构特征对其性能影响的探究，保证加气混凝土的耐久性，以便更好应用到实际。