固废基免烧保温砖的制备及性能研究

陈刚，蔡国俊，黄峰，梅江涛，许斌

（中建八局第三建设有限公司，江苏 南京 210046）

0 引言

随着国家对矿产需求的不断提高，因选矿产生的尾矿量也在逐年攀升。根据相关统计，2020～2021年我国工业固废利用量约20.59亿t[1]，其中尾矿仅占3.12亿t。传统的建库堆放、就地填埋等措施不仅占用土地、污染生态环境，且在当地构成重大安全隐患。如何将尾矿砂高效利用，服务于国家发展建设，成为当前亟待解决的问题。

程云虹等[2]将高硅型铁尾矿进行机械力化学活化，并利用其替代部分水泥制备混凝土。研究表明，适量掺入可提高混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力；杜颜胜等[3]利用铜尾矿作骨料制备矩形钢管再生混凝土，并探究其抗震性能。分析显示，该混凝土具有良好的变形能力；侯云芬等[4]利用铁尾矿粉为部分原材料制备水泥砂浆，并探究其掺量对砂浆性能的影响。分析表明，铁尾矿粉可减少砂浆的有害孔数量和整体孔隙率，将掺量控制在50%以内可有效改善砂浆的流动性；徐珊等[5]以尾矿、黏土以及活性污泥等为原材料，制备出抗压强度大于10MPa、透水系数为1.0×10-2cm/s的环保型透水砖；丁正东和孙家瑛[6]利用水玻璃为活性激发剂，珍珠岩尾矿、粒化高炉矿渣微粉为主要原料，经标准养护28 d制备出筒压强度大于7.0 MPa、密度等级900kg/m3的无熟料免烧陶粒。结合现有研究情况来看，部分尾矿存在一定的力学性能和化学活性，具备制作建筑材料的基础。

作为主要粮食生产大国，2020年我国的秸秆产量已达到8.56×108t[7]。受技术水平限制，农村常采用就地焚烧或自然降解等方式处理。不仅利用率较低，且容易造成大气污染。另一方面，废弃聚苯乙烯（EPS）因质量轻、回收难且无法自然降解，容易造成“白色污染”。就性能特征来看，秸秆和废弃EPS具有质量轻、隔热效果好等优点，利用其研制建筑保温材料，可显著提高二者的综合利用率。

本研究以超细尾矿粉为主要原材料，以改性EPS和小麦秸秆为填充料，水泥作胶凝材料，在活性激发剂的作用下，经自然养护研制出具有一定力学性能、耐久性和保温性能的固废基免烧保温砖。研究了秸秆和改性EPS用量对保温砖主要性能的影响，并对其配比进行优化设计。

1 实验内容

1.1 原材料

活性激发剂（AA）：由水玻璃、Na2SO4和NaOH按质量分数4%、4%和2%配制形成，其余为自来水。其中水玻璃模数为1.5，波美度40；Na2SO4为粉末状，纯度≥98%；NaOH呈片状，纯度≥97%。

超细尾矿粉（STP）：取自江苏省镇江市某矿场，由铜尾矿和铁尾矿按质量比1∶1混合形成。先置于高温环境下干燥，除去结合水等易挥发性物质，之后经高度研磨形成细度在1200～1500目的超细粉末，主要矿物组分见表1。活性激发剂用量分别为超细尾矿粉的1.0%、2.0%和3.0%时，其7、28 d活性指数满足S95级矿粉要求，具体指数见表2。

表1 超细尾矿粉化学组分 %

表2 超细尾矿粉活性指数

改性EPS：粒径约1.5～2.0 mm，堆积密度约5.3 kg/m3。使用前将表面清洗干净，于自然条件下风干后采用纯度≥98%的三乙醇胺改性，可有效缓解其上浮及憎水性。三乙醇胺用量以刚好完全包裹住EPS表面为宜。

秸秆（WS）：选用小麦秸秆，先置于水中浸泡6 h，使其中糖分和纤维素析出，待自然条件下风干后切割成长度约1 cm、宽度小于1 mm的丝状体。

水泥：海螺牌P·O42.5水泥，其主要物理力学性能见表3。

表3 水泥的主要物理力学性能

1.2 固废基免烧保温砖的制备

先将活性激发剂、超细尾矿粉、小麦秸秆和水泥按设计比例混合均匀，经加水拌和形成具有可塑性而无明显泌水现象的混合体。将改性EPS与混合体拌和均匀，之后投入挤砖机，经2 MPa的挤出应力制成尺寸为240 mm×115 mm×90 mm，圆孔直径10 mm，孔隙率约40%的坯体。将坯体置于常温环境下养护28d，制备固废基免烧保温砖。坯体的外观形状见图1。

图1 坯体外观形状

1.3 试验方案

结合保温砖性能特征以及大量试验，确定活性激发剂、改性EPS和小麦秸秆用量为影响保温砖力学性能、耐久性和保温性能的主要因素。结合表2数据，控制活性激发剂和水泥分别取代超细尾矿粉质量的3%和12%不变，采用单因素试验方法探究改性EPS和秸秆用量对保温砖抗压抗折强度、质量与强度损失率以及导热系数的影响，并对其配比进行优化设计。

1.4 性能测试方法

1.4.1 力学性能

按GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》，测试试件在标准条件下养护7、28 d的抗压、抗折强度。

1.4.2 耐久性

根据GB/T 2542—2012，对试件进行连续50次冻融循环试验，采用质量与强度损失率评价保温砖的耐久性，其中每10次冻融循环采集1次数据。

1.4.3 保温性能

待试件养护至28 d时，采用XIATECH-TC3000E型导热系数仪测定试件在25℃下的导热系数，每组试件为3块。为降低含水率对导热系数测试结果的影响，于试验前将各组试件统一放置在50℃环境下烘干12 h，待冷却至室温后进行导热系数测试。

2 结果与分析

2.1 改性EPS用量对保温砖性能的影响

以超细尾矿粉质量为基准，将活性激发剂和水泥取代量维持在3%和12%，在仅使用改性EPS为填充料的情况下考察其用量对保温砖力学性能、耐久性和保温性能的影响。

2.1.1 力学性能分析（见表4）

表4 改性EPS用量对保温砖力学性能的影响

由表4可见，提高改性EPS用量使不同龄期抗压、抗折强度均降低。未掺改性EPS时，材料7 d抗压和抗折强度分别为19.63 MPa和4.78 MPa。将改性EPS用量增加至1.5%、3.0%、4.5%和6.0%时，上述强度分别为18.17 MPa和4.33MPa，17.37 MPa和3.97 MPa，16.85 MPa和3.57 MPa，13.56 MPa和2.28 MPa，较未掺入时分别降低了7.4%和9.4%，11.5%和16.9%，14.2%和25.3%，30.9%和52.3%。

未掺入改性EPS时，28 d抗压和抗折强度分别为25.78 MPa和7.16 MPa。当改性EPS用量增加至1.5%、3.0%、4.5%和6.0%时，上述强度分别为24.93 MPa和6.58 MPa，23.62 MPa和6.03 MPa，21.97 MPa和5.36 MPa，18.02 MPa和3.87 MPa，较未掺改性EPS时降低了3.3%和8.1%，8.4%和15.8%，14.8%和25.1%，30.1%和45.9%。

2.1.2 耐久性分析

将改性EPS用量控制在0～6%，考察0～50次冻融循环下的质量及抗压强度损失率，结果见图2。

图2 改性EPS用量对保温砖耐久性的影响

根据图2可知，随着改性EPS用量增加，保温砖的抗压强度损失率先减小后增大。未掺入改性EPS时，经50次冻融循环后的抗压强度损失率为1.63%。将用量增加至1.5%时，抗压强度损失率减小至1.5%；将改性EPS用量继续增加至3.0%、4.5%和6.0%时，抗压强度损失率分别为1.78%、1.96%和2.58%，较未掺改性EPS时增大9.2%、20.2%和58.3%。

改性EPS用量对质量损失率的影响规律与强度相似。未掺改性EPS时50次冻融循环后的质量损失率为1.07%；当用量为1.5%时，质量损失率减小至1.01%；将用量进一步增加至3.0%、4.5%和6.0%时，质量损失率分别为1.12%、1.16%和1.56%，较未掺入时增大4.7%、8.4%和45.8%。

2.1.3 保温性能分析

在不同改性EPS用量下，保温砖的导热系数见表5。

表5 改性EPS用量对保温砖的保温性能影响分析

由表5可见，增加改性EPS用量使材料的导热系数逐渐降低。未掺EPS组的导热系数为0.1173 W/（m·K），将改性EPS用量增加至1.5%、3.0%、4.5%和6.0%时，导热系数分别为0.0934、0.0805、0.0726和0.0621 W/（m·K），较未掺入时降低了20.4%、31.4%、38.1%和47.1%。

综合以上分析，利用改性EPS为填充料可提高材料的保温性能，但力学性能降低。材料的耐久性受其用量影响，呈先提高后降低的趋势。当改性EPS用量增加至6.0%时，对材料的力学性能和耐久性已产生较大影响。结合以上数据分析，确定改性EPS的最佳用量为4.5%。

2.2 秸秆用量对保温砖性能的影响

在固定改性EPS用量为超细尾矿粉质量4.5%的基础上，将秸秆用量控制在2%～8%。考察秸秆用量对保温砖力学性能、耐久性和保温性能的影响规律。

2.2.1 力学性能分析（见表6）

表6 秸秆用量对保温砖力学性能的影响

观察表6，增加秸秆用量，材料7、28 d强度均提高。秸秆用量为2%、4%、6%和8%时，7 d抗压和抗折强度分别为17.03 MPa和3.85 MPa、17.67 MPa和4.16 MPa、18.87 MPa和4.58 MPa、19.36 MPa和4.88 MPa，较未掺入组提高了1.1%和7.8%、4.9%和16.5%、12.0%和28.3%、14.9%和36.7%。

秸秆用量为2%、4%、6%和8%时，28 d抗压和抗折强度分别为22.58 MPa和5.63 MPa、23.06 MPa和5.91 MPa、23.89 MPa和6.17 MPa、24.36 MPa和6.29 MPa，较未掺入时提高了2.8%和5.0%，5.0%和10.3%，8.7%和15.1%，10.9%和17.4%。

为探究固废基免烧保温砖的强度形成机理，待试件养护至7、28 d时，对改性EPS用量6%，秸秆用量8%的保温砖进行X射线衍射分析，结果如图3所示。

结合图3分析，将试件养护至7 d时，其主要成分为石英和钙矾石。在早期养护阶段，水泥先参与水化反应，生成C-SH凝胶和钙矾石。在尾矿砂的精细化处理过程中，因破碎、高度研磨使颗粒体表面的致密结构破坏，造成部分Si—O和Al—O键的断裂。结合活性激发剂的作用，使其具备一定的化学活性。其中部分SiO2与Ca（OH）2反应，继续生成C-S-H凝胶，Al2O3经历一系列反应形成钙矾石。将小麦秸秆浸泡可降低其可溶性纤维质素及糖分含量，因其具有一定的韧性，适当掺入可改善保温砖力学性能。改性EPS本身不具备化学活性和胶凝作用，故提高其用量使抗压、抗折强度均降低。

随着养护时间的延长，活性激发剂的作用逐渐凸显。Na2SO4在碱性环境下可与游离Ca2+及AlO2-等反应继续生成钙矾石、沸石和钠长石；在碱性环境下，超细尾矿粉中的部分SiO2、Al2O3与OH-反应生成C-S-H凝胶以及钙沸石；水玻璃水解不仅释放大量H4SiO4凝胶和OH-，在与Na＋、K＋及水玻璃中的游离态基团反应后可生成其他胶凝产物。本试验采用的超细尾矿粉细度在1200～1500目，比表面积大，可使上述反应进行得更快、更充分。图4为保温砖的SEM照片。

图4 保温砖的SEM分析

根据图4所示的形貌特征可观察到明显的C-S-H凝胶、针尖状钙矾石、条状长石和纤维状沸石。

2.2.2 耐久性分析

将改性EPS用量控制在4.5%，改变秸秆用量，计算0～50次冻融循环下的质量及抗压强度损失率，结果见图5。

图5 秸秆用量对保温砖耐久性的影响

结合图5分析，提高秸秆用量使材料的抗压强度及质量损失率均增大。秸秆用量为2%、4%、6%和8%时，抗压强度及质量损失率分别为2.11%和1.21%，2.31%和1.33%，2.55%和1.55%，3.26%和1.89%。较未掺入时分别增大了7.7%和4.3%，17.9%和14.7%，30.1%和33.6%，66.3%和62.9%。

2.2.3 保温性能分析（见表7）

表7 秸秆用量对保温砖导热系数的影响

分析表7数据，材料导热系数随秸秆用量的增加而逐渐降低。秸秆用量分别为2%、4%、6%和8%时，导热系数分别较未掺入时降低8.7%、21.6%、34.7%和46.1%。

为研究改性EPS和秸秆用量对材料保温性能和耐久性的影响机理，待试件养护至28 d时，对其内部填充料进行扫描电镜分析，结果如图6所示。

图6 填充料的SEM照片

由图6可见，秸秆的表面较为致密，未发现明显孔隙。受超细尾矿粉和活性激发剂中部分盐溶液的封堵作用，将秸秆表面的孔隙转化成若干个封闭的孔洞，在提高其整体密实度的同时，也能适当改善保温性能。因其具有一定的韧性，使得材料抗压、抗折强度提高，导热系数降低。但考虑到秸秆的抗冻及耐腐蚀能力差，使得材料强度及质量损失率增大。改性EPS分布在材料内表面上，因其抗冻能力强，少量掺入可改善保温砖的耐久性。观察其周边没有明显胶凝类物质，从形貌角度说明了改性EPS与其他材料间的粘结效果较差，故降低了胶凝材料的整体效果。

结合以上分析，在改性EPS用量在4.5%的基础上，将秸秆用量控制在4%～6%，固废基免烧保温砖满足GB/T 2542—2012规定的7 d抗压强度≥17.5 MPa，抗折强度≥3.5 MPa，28 d抗压强度≥23.0 MPa，抗折强度≥5.5 MPa，冻融循环50次下的抗压强度损失率≤2.5%，质量损失率≤1.5%，导热系数≤0.055 W/（m·K）。

3 结论

（1）保温砖在养护过程中，水泥先参与水化反应生成CS-H凝胶、钙矾石并提供碱性环境。在活性激发剂作用下，超细微矿粉中的部分SiO2、Al2O3与Ca（OH）2等反应继续生成C-S-H凝胶以及新的硅铝酸盐产物，如钙矾石、沸石和钠长石等。在C-S-H凝胶和新的化学结合力作用下，使其产生强度和耐久性。

（2）形貌分析显示，改性EPS与其他材料间的粘结效果较差，造成保温砖力学性能和耐久性的降低；秸秆经超细尾矿粉和部分盐溶液的封堵作用，将表面的孔隙转化为若干封闭的孔洞，又因为其本身具有一定韧性，可提高保温砖的力学性能和保温性能。

（3）综合分析，将改性EPS用量维持在4.5%，秸秆用量控制在4%～6%，固废基免烧保温砖满足GB/T 2542—2012规定的7 d抗压强度≥17.5 MPa，抗折强度≥3.5 MPa，28 d抗压强度≥23.0 MPa，抗折强度≥5.5 MPa，冻融循环50次下的抗压强度损失率≤2.5%，质量损失率≤1.5%，导热系数≤0.055 W/（m·K）。