蒸压粉煤灰砖冻融试验后强度提高的原因及对策

段秉煜 青海省建筑建材科学研究院有限责任公司工程师

蒸压粉煤灰砖是以粉煤灰、石灰、石膏等为原料，经高压、蒸汽、养护等工艺过程制成的实心砖，因可以使用燃煤发电厂排放的粉煤灰，所以是一种节能、利废、环保的绿色墙体材料。其实早在20世纪70年代我国就将蒸压粉煤灰砖应用于建筑中，由于当时的技术不够完善以及缺乏相应的配套设施，没有得到大规模的推广使用。近些年随着国家制定了相应技术规程并进行了相关试验论证，为这种蒸压粉煤灰砖的实际应用提供了相应的理论依据。其中抗冻性是衡量蒸压粉煤灰砖的重要指标，因为砖在吸水饱和后，外部环境温度降低会使砖内部的水分冷冻，产生一定的应力，导致表面出现裂纹，外部环境温度再次降低后，这种开裂现象又会消失。如此反复对于砖的内部结构破坏严重，所以研究蒸压粉煤灰砖冻融试验后强度提高的原因及相关对策具有非常重要的意义。

1 蒸压粉煤灰砖冻融试验

1.1 冻融试验原理

首先，相关的操作人员要将试样置于电热鼓风干燥箱内，然后于105℃±5℃条件下开始进行干燥处理，一直达到恒重的效果。接着，操作人员再把试样浸泡在10～20℃的水体内，安置24小时后移出，擦拭掉表层携带的水分，大面侧向安置在降温到-15℃以下的低温箱内，注意间隔距离大致为20mm；如果低温箱温度接着再下降到-15℃之下，那么就可以开始计算时间，于-15℃～ -20℃的温度条件下继续冰冻5h。接着，相关的操作人员还需要将试样取出安置在10℃至20℃的水内融化， 持续时长不超过3h，构成一次冻融循环；通过15 次冻融测试试样之后，安置在电热鼓风干燥箱内，接着再放置于105℃±5℃下干燥到恒重；然后于WEW-1000_W61-25 型微机屏显示液压万能试验装置上获取干燥之后的试样以及未经冻融测验试样的强度值，期间要做好相应的信息登记工作。

1.2 试验步骤

首先，需要对试验的工件表面进行清洁工作，可以采用毛刷清理，随后将该工件放入温度为105 ℃±5 ℃的鼓风干燥机内进行干燥直至最终重量不再发生变化为止，记录此时的工件质量并进行相应的外观检查。其次，将该实验工件完全浸入到水中，水的温度选择10～20 ℃均可，放置一天一夜后将其取出，用干布擦去工件表面的水分，然后将该工件的大面侧向放置，立在提前预冷的冷冻箱里面，冷冻箱温度不得高于﹣15 ℃。当温度降到﹣15 ℃，开始计时，使得该工件在﹣15 ℃以下环境内静置时间不少于5 h。最后，将该工件取出并再次将其放置在10～20 ℃的水内融化，融化时间不得少于3 h，至此一次完整的冻融循环试验完成，每经过5次冻融循环试验就要检查工件表面的破损情况并进行记录，最后经过15次冻融循环试验后，再次将该工件放到温度为105 ℃±5 ℃的鼓风干燥机内进行干燥直至最终重量不再发生变化为止，然后采用相关的仪器设备对该工件进行抗压强度试验，测得冻融后的抗压强度，并进行记录[1]。

1.3 试验结果

本次试验所用的样品为河南恒通源新型材料股份有限公司生产的一批蒸压粉煤灰砖试样，共计10块，每块砖均完好无损，外形尺寸为长240 mm，宽115 mm，高53 mm，在试验开始前将每块砖进行1～10的编号，其中编号为1～5的砖块未进行冻融试验，6～10号砖进行冻融试验，这样方便对蒸压粉煤灰砖经过冻融试验后和冻融试验前的数据进行对比分析。从结果可以看出，该蒸压粉煤灰砖未进行冻融试验，其强度的平均值为16.86 MPa（1#～5#砖强度的平均值），进行冻融试验后，其强度的平均值为17.56 MPa（6#～10#砖强度的平均值）。通过该数据可以看出，冻融后的蒸压粉煤灰砖强度不仅没有降低，反而提高了[2]。

2 蒸压粉煤灰砖冻融试验后强度提高的原因

蒸压粉煤灰砖冻融试验后强度提高的原因与其自身的组成材料有关。粉煤灰砖的主要制作原料为粉煤灰，粉煤灰中含有大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3等，还有少量未燃尽的炭颗粒，以及CaO、MaO、Na2O等，整体呈酸性，是一种潜在的活性水硬性材料。在特定的环境下，该蒸压粉煤灰砖中的活性组成部分能够继续发生水化反应，使砖的内部结构更加密实，有利于强度的提高[3]。

冻融试验过程中砖中的水在低温状态下结成了冰，这使得砖的体积发生了膨胀，从而产生一定的膨胀应力，当砖在高温或者通风状态下这种水分就随即蒸发掉了。经历15次冻融循环试验，蒸压粉煤灰砖就要经历这样15次的体积变大再到体积变小的过程，理论上这样操作会使得砖内部结构发生变化，产生开裂现象，即砖的强度变低。由此我们能够看出砖的吸水率是影响砖抗冻性的重要因素，即砖的吸水率越大，经过冻融试验后质量损失率和强度损失率就会越大。为了保证蒸压粉煤灰砖能够具有足够的抗冻性，在实际的生产过程中，采用了合理的配料及先进的技术工艺。首先，对于水量的控制有严格的要求，水量不能过多也不能过少，水量过少会造成水热反应不完全，后期制品表面不够光滑；水量过多就会像上面那样出现结冰问题，内部产生过大的压力，最终会引起收缩开裂。其次，粉煤灰砖内部活性成分SiO2和Al2O3都可以在特定的高温高压蒸汽下被激活，从而迅速地与石灰相结合发生水化反应。最后，在粉煤灰砖养护过程中也要制定合理的蒸压养护控制条件，使得砖内部的水化物可以处以多项平衡的状态下，这样砖才具有较高的强度。

在蒸压养护过程中，充分激发了粉煤灰的活性并快速发生了水化反应，在粉煤灰球表面产生了一层致密的水化产物层，然而在该阶段由于粉煤灰的表面碱性离子较少，导致水化活性较低，最终造成蒸压粉煤灰在该阶段的水化程度较低。在冻融过程中，会对蒸压粉煤灰砖的内部产生一定的损伤，使得产物的内部出现一定的裂痕，随着冻融次数增加，水分迁移的速度不断加快，这样在碱性离子较多的环境下粉煤灰会继续发生水化反应。如果砖在生产过程中由于某种原因，使得砖内部组成成分并没有完全地发生水化反应，在冻融试验过程中，就会给砖提供有利的条件，使其发生了二次水化反应，这种经过二次水化反应的砖内部的组成成分更接近于合适的平衡状态存在，从而增加砖的强度[4]。

3 提高蒸压粉煤灰砖抗冻性的措施和方法

第一，对于蒸压粉煤灰砖来说，需要严格控制原材料质量和配比，因为这是影响蒸压粉煤灰砖强度及耐久性的基本因素，也是决定蒸压粉煤灰砖是否具有一定抗冻性的基础。在制作过程中必须严格按照相关的标准执行，其中水是整个蒸压粉煤灰砖中反应剂及物质迁移所需的介质，所以添加合适的水量是保证。后期成型砖的质量及耐久性的重要步骤，同时，不能为了多利用排放物粉煤灰，而不顾其用量比例及颗粒级别[5]。

第二，需要采用先进的制砖设备，常温状态下粉煤灰本身是不具有胶结性能的，因此蒸压粉煤灰砖在制作过程中，需要采用压制成型设备。对其进行加压排气，减小砖内部的孔隙率。这样砖的吸水率就会降低，同时可以让内部颗粒较好地粘接在一起，内部就会变得更加密实。在生产过程中，有的砖厂采用具有多次加压排气功能的液压压砖机来完成此工序。

第三，需要制定合理、先进的高压蒸汽养护方法及制度。有学者研究了养护制度对蒸压粉煤灰砖强度的影响规律，发现蒸压养护可以分为3个阶段，分别是上升阶段、恒温阶段和降温阶段。3个阶段的最佳养护保持时间分别为2 h、8 h和2 h，同时研究发现最佳饱和蒸汽压力为0.8～1.2 MPa。在该情形下，蒸压粉煤灰砖才会进行充分的水化反应，得到较高的强度。

4 结语

通过对蒸压粉煤灰砖进行冻融循环试验，发现在经过15次冻融后，蒸压粉煤灰砖强度不仅没有降低，反而提高了。主要是因为粉煤灰硅酸盐制品具有潜在的活性，在冻融过程中能够从周围吸收水分，从而进行水化反应，使得粉煤灰砖的内部结构更加密实。目前，我国的蒸压粉煤灰砖已经在全国范围内得到了广泛的应用和推广，每年可以减少因烧结传统粘土砖而排放的有害气体近6 000万吨，并且可以利用有害的固体废弃料近15亿吨，蒸压粉煤灰砖的成功使用为我国带来了巨大的经济效益与社会效益。