我国粉煤灰砌块技术研究现状

毛伟，李凯，徐敏人，周书兵，徐月龙

（1机械工业第三设计研究院，重庆 400039；2四川大学建筑与环境学院，四川成都610065；3重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045）

0 引言

目前，我国能源结构仍然以传统化石燃料为主、新型能源为辅。其中煤炭消耗占能源消耗的一半以上（如2010年，煤炭消耗占71.9%），与其他国家相比，我国煤炭消耗量巨大。据统计，2010年，我国煤炭消耗量为1713.5百万t油当量，为美国的3.3倍，日本的13.9倍，德国的22.4倍[1]。 我国燃煤电厂等排放的粉煤灰总量约3亿t（每燃烧1t煤，产出250～300 kg粉煤灰[2]），然而粉煤灰的综合利用率仅为30%[2]左右，远小于国外发达国家水平（欧美发达国家粉煤灰利用率可达50%，个别国家甚至高达90%[3]）。我国现行政策要求粉煤灰应达到60%以上的综合利用率[4-5]。因此，如何有效地综合利用粉煤灰资源尤为迫切。目前，粉煤灰已经广泛用于市政、建工、建材、水力等工程领域，其中，在建材领域，粉煤灰空心砌块等新型墙体材料的研发是粉煤灰再利用的重要研究方向之一。

基于粉煤灰的物理化学特性，本文系统地分析了粉煤灰砌块的研究现状和生产情况。并从粉煤灰的用途（胶凝材料或者骨料）、活性激发手段（物理激发和化学激发）以及粉煤灰砌块性能等角度出发，指出了当前粉煤灰砌块研究存在的问题与不足，为以后进一步研究提供参考。

1 粉煤灰物理化学特性

粉煤灰颗粒粒径较小，是种粉尘，其物理性质见表1[6]。从表1中可以看出，粉煤灰的比表面积和孔隙率较大，这也是其吸附活性较高的原因[7]，而且其比表面积可通过机械研磨进一步增大，从而进一步提高其活性。此外还可以看到，粉煤灰为多孔结构且呈球形粒径（平均几何粒径约为40μm[7]）特性，这种特性使它在松散状态下具有良好的渗透性（其渗透性系数比粘土渗透系数大数百倍[7]），易于混合，容易成型。

表1 粉煤灰的物理性质

粉煤灰的化学组成见表2[6]。从表2中可以看出，粉煤灰主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3组成，此外还含有一定量的CaO、MgO、SO3等，是典型的硅酸盐。在常温下，粉煤灰与生石灰或水泥水化时产生的Ca(OH)2可发生火山灰反应，生成的产物具有一定的胶凝特性，使材料相互粘结在一起，且具有较好的力学性能，这也是粉煤灰用于砌块生产的化学基础。

表2 粉煤灰的主要化学成分（%）

ASTM根据粉煤灰中氧化物的含量将粉煤灰分为两大类[8]：

F类：SiO2+Al2O3+Fe2O3≥70%，具有火山灰活性；

C类：SiO2+Al2O3+Fe2O3≥50%，具有水硬性。

无论粉煤灰具有火山灰活性还是水硬性，其活性都可以通过物理或化学手段来进一步提升，增强水化效果，可以广泛用于混凝土砌块的生产。

2 粉煤灰砌块生产技术与研究现状

粉煤灰砌块种类较多。根据制作工艺，可分为钢渣粉煤灰免烧砖、粉煤灰免烧免蒸无水泥砖、粉煤灰混凝土免烧砖等等[9]；根据原材料中是否使用水泥，粉煤灰砌块又可分为无水泥砌块与有水泥砌块[10-11]。无水泥粉煤灰砌块强度较低，一般不宜作为承重砌块。目前，研究和使用较多的是水泥-粉煤灰-石灰体系混凝土砌块，强度较高，能作为承重砌块使用。

2.1 胶凝材料

粉煤灰砌块使用的胶凝材料通常有石灰、普通水泥或矿渣水泥、粉煤灰、钢渣等。一般情况下，未经处理粉煤灰水化效果较差，这是因其中的硅氧离子和铝氧离子基本不会溶解于水，不易发生水化反应。但是，粉煤灰在碱性激发剂作用下可转变为具有活性的SiO2、Al2O3，能与Ca(OH)2发生水化反应，且水化后期在粉煤灰表面生成低铝的C-S-H凝胶，大大促进材料的粘结，提高结构强度。因此，粉煤灰在一定程度上能够替代水泥作为胶凝材料[12]。

近年来，粉煤灰-混凝土空心砌块发展较为迅速。国外，西波列克斯公司最早以水泥-砂配置生产加气混凝土，后又开发了水泥-矿渣-砂组合、水泥-生石灰-砂组合；波兰和罗马尼亚、英国等企业应用水泥-生石灰-粉煤灰组合生产加气混凝土产品，并在理论上进行了系统的研究[13-16]。吴世流[17]等以高掺量粉煤灰为主，辅以水泥、轻质材料粘土（粉煤灰）陶粒、HAB激发剂，在一定的工艺下复合制成粉煤灰混凝土砌块。

一般情况下，粉煤灰砌块由水泥、粉煤灰、石灰、钢渣、高炉渣、煤矸石等混合成型而成，但其中水泥仍占有很高的比例，主要原因是粉煤灰的粒度不如水泥，比表面积也要小，此外还含有较多的杂质，其胶凝特性比水泥要差。有人研究单独以粉煤灰为胶凝材料制作粉煤灰砌块，结果表明其力学性能不理想。因此，要保证粉煤灰砌块具有一定的力学性能，须加入一定量的水泥。随着研究的深入以及对固体废弃物综合利用的重视，在满足粉煤灰砌块基本性能要求的前提下，最大限度提高固体废弃物在砌块原材料中的比例，是值得深入研究的方向之一。

2.2 骨料

一般情况下，粉煤灰砌块中常加入碎石和卵石作为粗骨料，建筑用砂、炉渣、钢渣、膨胀珍珠岩、高炉重矿渣、粉煤灰等扮演着细骨料的角色。为保证成型效果，骨料在满足建材制品原材料相关标准的前提下，最大粒径不应大于10mm。

骨料在粉煤灰砌块中起骨架作用，既增强了砌块强度，又减少了砌块的收缩裂缝[18]，使用天然砂、石为骨料的粉煤灰砌块具有较好的力学性能。周建成等人采用建筑用砂、石为粗集料，炉渣、粉煤灰以及膨胀珍珠岩等为轻集料，制备出抗压强度大于20MPa的高强空心砌块[19]。刘玉等人以尾矿砂、人工砂为集料，进行混凝土小型空心砌块试验研究，生产的混凝土小型空心砌块达到了MU10.0的标准[20]。

天然砂、石是不可再生资源，且成本较高。建筑垃圾强度较高且难以处理，将建筑垃圾用作再生骨料，与矿渣、钢渣、粉煤灰相结合应用于生产小型空心砌块，具有重要的现实意义。目前，也有学者利用建筑垃圾作为骨料生产混凝土砌块。何蒙[21]等通过颚式破碎机对建筑垃圾进行一次和二次破碎筛分，获得0.16mm～5mm的细骨料和5mm～10mm的粗骨料用作砌块再生骨料，研制粉煤灰砌块，所得产品抗压强度完全符合MU7.5要求。贾艳东[22]等人研究了再生骨料替代传统骨料对混凝土空心砌块抗压强度的影响，结果表明：再生粗骨料掺量的提高会降低砌块的抗压强度，但可通过适当提高成型压力来提高砌块的整体密实度用以补偿抗压强度的下降。

诚然，废弃混凝土等作为骨料势必在性能上逊色于天然的碎石，主要原因是废弃混凝土在解体破碎过程中，其内部会产生一定量的裂纹，其骨料砌块在强度、湿涨干缩性能等方面均劣于天然骨料砌块。在目前技术条件下，为了获取较好的砌块性能，粉煤灰砌块骨料仍将以砂、石为主，可适量添加再生骨料。但是，若砌块用于非承重墙体，以建筑垃圾为骨料生产的粉煤灰砌块完全能够满足要求，建筑垃圾用于混凝土砌块的生产也是重要研究方向之一。

2.3 粉煤灰活性激发方法

粉煤灰本身活性较低，但具有较大的活性潜力。粉煤灰中含有大量的铝硅酸盐玻璃体，聚合度很高，结构致密，化学性质稳定，导致粉煤灰在常温常压下的水化硬化速度很慢。据研究，粉煤灰∶Ca(OH)2=3∶1的体系，7d反应程度仅为1.5%～3%，180d反应程度仅为7%～20%[23]，可见未经激发处理的粉煤灰活性较低，必须采取相关措施才能激发其潜在活性。按照激发方式来划分，可分为物理激发和化学激发[24]。

2.3.1 物理激发

物理激发是提高粉煤灰活性的重要途径之一，粉煤灰通过研磨处理后，原有的形貌结构被破坏，形成了粒度比较均匀的多面体颗粒，增大了比表面积，提高了表面活性，改善了水化性能。粉煤灰的火山灰效应能使粉煤灰与水泥水化形成的Ca(OH)2发生二次水化反应，水化产物填充物料之间和水膜层空隙提高砌块的密实度，是粉煤灰体系混凝土砌块早期强度的主要来源。

我国电厂排放的粉煤灰微珠含量不高，大部分是海绵状玻璃体，且颗粒分布极不均匀，此外还有少许未燃烧碳粒。为了实现粉煤灰的充分研磨，改善砌块成型质量和提高强度，常用轮碾式搅拌机拌和混合料。

2.3.2 化学激发

粉煤灰的化学活性来源于熔融后被迅速冷却而形成的玻璃态物质(多孔玻璃体和玻璃珠)中可溶性的SiO2、Al2O3等活性组分。目前，常用化学激发剂的主要类型有硫酸盐激发剂（芒硝和石膏）、 碱性激发剂（NaOH、KOH、Na2SiO3和 Ca(OH)2）、氯盐激发剂(CaCl2和NaCl)等。 以Ca(OH)2为例，有水存在时，活性SiO2、Al2O3能与Ca(OH)2反应，生成水化硅酸钙(CS-H)和水化铝酸钙(C-A-H)，详见式（1）和式（2）。

丛英仕[25]等人研究了粉煤灰在高掺量下对砌块性能的影响。图1[25]为粉煤灰砌块的XRD分析结果。从中可以看到，粉煤灰的活性得到了激发，水化反应形成的水化铝酸钙和水化硅酸钙等产物越多，砌块后期强度越高。

图1 粉煤灰砌块的XRD分析[26]

需要说明的是，不同的激发剂激发效果各异。以石膏为例，它具有多种形态，虽然激发粉煤灰活性的物质是相同的[26]，但由于配方的不同，造成不同形态石膏对粉煤灰激发的程度却大不相同，相应的砌块性能也有明显的差异。

单一使用一种激发剂的激发效果有限，为了充分激发粉煤灰的水化活性，需要多种试剂混合使用。一般来说，多种试剂的激发效果要优于单独激发。在实际应用中，一般混合使用Ca(OH)2和石膏或NaSO3·10H2O来激发粉煤灰的水化活性。 习国华[27]等分别用80%和100%的干排灰代替52.5#水泥，掺入5%的石灰、4%的石膏和3%的复合激发剂生产混凝土砌块。试验结果表明，经蒸气养护4h后，砌块的抗压强度分别可达到25.3 MPa和20.1MPa。

目前，针对激发方法和激发剂的研究比较深入。其中，粉煤灰激发剂的复配和粉煤灰产品生产工艺的研究及应用将成为粉煤灰综合利用的研究热点。

3 粉煤灰砌块性能

粉煤灰砌块以粉煤灰、水泥等胶凝材料和天然轻骨料（砂，石）、工业废渣轻骨料、人造轻骨料为原料，外加石灰、石膏、芒硝等作为激发剂，经加水搅拌振动成型并养护而成。与传统普通混凝土砌块相比，粉煤灰砌块具有轻质、保温、隔热、环保、隔声、可加工性好等优点[28]。针对砌块性能，当前研究进展列述如下。

（1）热工性能：粉煤灰空心砌块可以大幅度改善墙体的热工性能。据试验，190mm的非承重粉煤灰砌块的当量导热系数约为0.18 W/(m·K)[29]，优于大多数同类砌块的热工性能。

（2）力学性能：粉煤灰砌块抗压强度能够满足MU10的强度要求[30]，具有良好的力学性能。李有光等人[31]以粉煤灰和钢渣为主要原料，在石灰和石膏以及少量水泥作激发剂的基础上，掺入适当配置的早强促进剂；研究表明，压制的390×190×190mm空心砌块28d抗压强度为6.9MPa左右，可作为承重砌块使用。

（3）隔声性能：目前，常用200mm厚空心砖墙体（两边各抹20mm厚的水泥砂浆）的计权隔声量约为43～44dB，并未达到分户墙计权隔声量大于45dB的标准要求；相较而言，粉煤灰混凝土砌块具有良好的隔声性能；牛季收等人研制的粉煤灰混凝土砌块可实现良好的隔声效果，其计权隔声量可达51dB[32]。

（4）耐火性能：耐火性能是衡量粉煤灰砌块质量的重要指标。研究表明[33]，粉煤灰加气砌块的耐火极限大于8h，耐火性能优于矿渣-砂加气制品，可广泛用于高防火等级要求的建筑。

（5）其他性能：自重大是普通混凝土砌块的一大缺点。研究表明[34]，粉煤灰小型空心砌块的容重比普通混凝土小型空心砌块低15%～30%，即每立方米砌块质量要降低约247kg左右。

4 存在的技术难点

（1）性能不稳定。主要体现在两方面：一是粉煤灰的化学成分和矿物组成影响因素较多；二是粉煤灰对混凝土的早期强度和抗冻性均有负面影响[35]。

（2）成型技术困难。由于高粉煤灰空心砌块拌和物粘滞性较大、流动性差，成型过程中卸料、布料困难，脱模时易形成真空，砌块的壁肋有被拉裂、破损的可能[36]。

（3）控制合适的加水量。物料的含水率对制品的外观和成品率影响较大，将加水量控制在适当的水平是难点。应实时监测物料的含水率，调整加水量。

（4）选用合适的养护方式。免蒸养粉煤灰砌块的养护方式非常重要，粉煤灰的特性就是适合湿热养护，如果温、湿度不能满足，即使是多加5%～8%的水泥，强度也会受到影响[37]。常用的养护方式有自然养护、太阳能养护、塑料薄膜覆盖养护等几种，其中太阳能养护是一种环保节能的科学养护方式，但先进的太阳能设备非常昂贵，而选用塑料大堋和温室养护等方式则要经济得多。

5 结语

加快粉煤灰砌块的研究和推广应用，有助于我国建筑节能事业的发展，促进资源节约型社会的建设。经过多年的研究，我国节能型墙材取得较大进展，但基于资源再利用策略的新型节能型墙材应用仍需进一步拓展。以粉煤灰、钢渣、煤矸石、废弃建筑混凝土等固体废弃物为主要原料研制保温砌块，既可解决了大量固体废弃物堆置对生态环境造成的巨大压力，又能实现资源的可再生综合利用，具有重要的现实意义。粉煤灰砌块技术的成熟及其规模化应用，必将对我国建筑节能与绿色建筑事业发展起到积极的促进作用。

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