黄河泥沙制备高强蒸压砖及其性能研究

摘 要：水少沙多、水沙关系不协调是黄河复杂难治的症结所在。为探索泥沙资源利用新模式，以黄河泥沙为主要原料制备高强蒸压砖样品并测试其性能，采用XRD、SEM等手段分析蒸压砖物相及微观形貌，研究蒸压工艺、原料与掺和料配比对蒸压砖性能的影响。结果表明：随着蒸压温度升高、蒸压时间增加，不同配比的蒸压砖抗压强度均逐渐提高；黄河泥沙、生石灰、矿渣掺量分别为54%、16%、20%，蒸压温度为180℃，蒸压时间为8h时，制备的蒸压砖抗压强度高达38.76MPa；掺合料对蒸压砖性能影响的大小排序为矿渣>生石灰>粉煤灰；C-S-H、硬硅钙石、托勃莫来石等水化产物是赋予蒸压砖强度的主要物质。所制备的高强蒸压砖适用于各类民用、公用建筑物的内外墙及房屋的基础建设。

关键词：黄河泥沙；蒸压砖；抗压强度；水化产物；蒸压工艺

中图分类号：TV41；TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2025.02.021

引用格式：李昆鹏，王振凡，陈琛，等.黄河泥沙制备高强蒸压砖及其性能研究[J].人民黄河，2025，47（2）：137-141.

基金项目：黄委优秀青年人才科技项目（HQK-202310）；水利部重大科技项目（SKS-2022088）；水利部水利技术示范项目（SF-202204）；河南省重大科技专项（231100320100）

PreparationandPerformancesStudyofHighStrengthAutoclavedBricks fromtheYellowRiverSediment

LIKunpeng1，2，WANGZhenfan3，CHENChen1，2，SHIHuawei1，2，LIZhen3

（1.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch，Zhengzhou450003，China；2.HenanProvincialEngineeringResearchCenter ofReservoir？LakeFunctionRestoringandMaintaining，Zhengzhou450003，China；3.YellowRiverWaterConservancy andHydropowerDevelopmentGroupCo.，Ltd.，Zhengzhou450003，China）

Abstract：Lesswaterandmoresedimentandtheuncoordinatedrelationshipbetweenwaterandsedimentarethecruxofthecomplicatedand difficultYellowRivertocontrol.Inordertoexploreanewmodeofutilizingsedimentresources，highstrengthautoclavedbricksampleswere preparedbyusingtheYellowRiversedimentasthemainrawmaterialandtheirpropertiesweretested.BasedonXRD，SEMandotheranalyt？ icalcharacterization，thephaseandmicrostructureofautoclavedbrickswereanalyzed.Theeffectsofproportionofmixture，autoclavetime andtemperatureonthepropertiesofautoclavedbrickswereinvestigated.Theresultsshowthatasthesteampressingtemperatureandtimein？ crease，thecompressivestrengthofsteampressedbrickswithdifferentratiosgraduallyincreases.WhenthecontentoftheYellowRiversedi？ ment，quicklimeandslagis54%，16%and20%respectively，theautoclavingtemperatureis180℃andtheautoclavingtimeis8h，the mechanicalstrengthofautoclavedbrickreachesup38.76MPa.Theorderoftheinfluenceofadmixtureontheperformanceofautoclavedbrick isslag>quicklime>flyash.ThehydrationproductssuchasC？S？H，xonotliteandtobermolitearethemainsubstancesthatgivestrengthto autoclavedbricks.HighStrengthAutoclavedBrickfromtheYellowRiversedimentissuitablefortheinteriorandexteriorwallsofvariousciv？ il，publicbuildingsandthefoundationofhouses.

Keywords：YellowRiversediment；autoclavedbrick；compressivestrength；hydrationproduct；steampressureprocess

水少沙多、水沙关系不协调是黄河复杂难治的症结所在，深入研究泥沙资源综合利用技术和模式，对实现黄河长治久安具有重要意义。《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》提出“创新泥沙综合处理技术，探索泥沙资源利用新模式”要求，《中华人民共和国黄河保护法》明确“国家鼓励、支持开展黄河流域泥沙综合利用等重大科技问题研究，推广应用先进适用技术”。目前，对于河道、水库、湖泊等清淤疏浚泥沙的处理，已从堆放、吹填等传统处理方式逐渐发展为建筑材料、填方材料、污水处理材料等资源利用处理方式[1-4]。蒸压砖是一种以泥沙、粉煤灰、石灰等为主要原料，不经高温煅烧制造的新型墙体材料[5]，已成为我国重点推广的建材产品，广泛用于各类建筑的内外填充墙[6]。利用黄河泥沙制备蒸压砖，可以将泥沙变废为宝，带来良好的经济效益[7]。本研究以黄河细颗粒泥沙为主要原料，添加一定量的掺合料，经蒸压养护制备高性能蒸压砖，探究蒸压工艺、原料配比对蒸压砖性能的影响。

1 原料及掺合料特性

以黄河泥沙为主要原料，生石灰、粉煤灰、矿渣为掺合料制备蒸压砖。黄河泥沙中值粒径为0.095 mm；生石灰源自市场销售的磨细生石灰，其性质符合《硅酸盐建筑制品用石灰》（JC/T621—2021）规范要求；粉煤灰源自热电厂煤燃烧后烟气中的细灰，中值粒径为0.019mm，比表面积为4540cm2/g，火山灰活性率为16.84%，性质符合《硅酸盐建筑制品用粉煤灰》（JC/T409—2016）规范要求；矿渣中值粒径为0.013mm，水硬性系数为2.17，活性系数为0.48，碱性系数为1.14，性质符合《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T18046—2017）规范要求。黄河泥沙、粉煤灰、矿渣的化学成分（含量）见表1。

2 蒸压砖制备工艺流程及仪器设备

首先用搅拌机将干燥的黄河泥沙、掺合料（石灰、粉煤灰、矿渣）、水以一定比例混合均匀，混合物料在室温下静置4h后再加水混合。然后将物料置于定制模具中，使用压力试验机对物料施加800kN的压力压制60s成型后，将砖坯置于室温下静养4～12h。最后把砖坯放到蒸压托板上送入蒸压釜，设定蒸压升温速度为1℃/min，经一定蒸压时间后，以2～5℃/min的降温速度降至室温，打开釜盖即得到蒸压砖。

本试验采用500mm×600mm型蒸压釜制备蒸压砖，采用电液式压力试验机测试蒸压砖抗压性能，采用岛津能量色散X射线光谱仪（EDX-8100）分析原料化学成分，采用日本理学X射线衍射仪（XRD-Ultima IV）分析原料及蒸压砖物相，采用日立扫描电子显微镜（SEM-SU3500）观察蒸压砖微观形貌。

3 结果分析

3.1 蒸压工艺对蒸压砖性能的影响

表2为采用黄河泥沙制备蒸压砖的初设配比，通过单因素试验分析蒸压工艺（蒸压温度、蒸压时间）对蒸压砖抗压强度的影响[8]，确定制备蒸压砖的最佳工艺。

表3为采用不同配比、蒸压工艺时蒸压砖的抗压强度（表3中组号数字对应表2中组号数字）。分析表3可知：1）各试件蒸压砖抗压强度随着蒸压温度的升高均有不同程度的提高。LL-1～LL-3和HL-1～HL-3蒸压时间均为8h，当蒸压温度从140℃升至180℃时，3号配比的蒸压砖抗压强度从23.02MPa提高至35.68MPa；LS-1～LS-3和HS-1～HS-3蒸压时间均为4h，当蒸压温度从140℃升至180℃时，3号配比的蒸压砖抗压强度由21.87MPa提高至23.83MPa。2）各试件蒸压砖抗压强度随着蒸压时间的延长均有不同程度的提高。HS-1～HS-3和HL-1～HL-3蒸压温度均为180℃，当蒸压时间从4h延长至8h时，3号配比的蒸压砖抗压强度由23.83MPa提高至35.68MPa；LS-1～LS-3和LL-1～LL-3蒸压温度均为140℃，当蒸压时间从4h延长至8h时，3号配比的蒸压砖抗压强度由21.87MPa提高至23.02MPa。

3.2 原料与掺合料配比对蒸压砖性能的影响

采用正交试验设计方法确定制备蒸压砖的最佳配比，选取生石灰掺量、粉煤灰掺量、矿渣掺量作为敏感性因素进行分析，分别设为A、B、C因素，各因素水平见表4。

按照正交试验表L9（3⁴），共设计9个试验方案，见表5。

将不同因素水平样品的抗压强度总和表示为K，将抗压强度平均值表示为k。计算因素A（生石灰掺量）、因素B（粉煤灰掺量）、因素C（矿渣掺量）各水平的K、k值，结果见表6。

通过分析以上K值，认为制备蒸压砖的最佳配比即黄河泥沙、生石灰、矿渣、水的最佳比例分别为54%、16%、20%、10%。按最佳配比制备的蒸压砖的抗压强度可达38.76MPa，抗压强度达到《蒸压灰砂实心砖和实心砌块》（GB/T11945—2019）标准中的最高强度等级MU30，可用于各类民用、公用建筑内外墙及房屋的建设。

因素A、B、C的极差R值（反映因素的影响程度）分别为RA=5.88、RB=5.73、RC=13.77，RC>RA>RB，即3种因素对蒸压砖性能的影响大小排序为矿渣>生石灰>粉煤灰。

3.3 蒸压砖物相分析

3.3.1 不同蒸压工艺的蒸压砖物相

蒸压温度是影响蒸压砖性能的重要因素，当蒸压温度较低时，水化产物形成速度慢且数量少，导致蒸压砖内部强度不足、表面易掉渣[9]。蒸压砖体系中硅质、钙质材料的溶解以及水化产物生成、过饱、析晶都需要一定的时间来完成，因此蒸压时间会对蒸压砖性能产生一定影响。

图1为不同蒸压工艺条件下表2中3号配比蒸压砖的XRD图（图中2θ为衍射角）。分析图1（a）可知，蒸压时间较短时，方解石峰强度较高，则体系中Ca（OH）2峰强度较高，表明只有部分Ca（OH）2与SiO2（石英）发生水化反应，生成较少的C-S-H凝胶。随着蒸压时间增加，体系中SiO2含量由37%减小到32%，C-S-H凝胶物质增加。早期活性SiO2和Al2O3与Ca（OH）2反应生成C-S-H，再进一步反应生成高强度水化产物，如托勃莫来石。继续延长蒸压时间，水化反应进一步发生，水化产物结晶度不断提高，托勃莫来石逐渐转化为硬硅钙石，这些产物相互穿插形成强度更高的致密层网络结构，进而赋予蒸压砖更优异的性能。

对图1（b）XRD进行定量分析可知，随着蒸压温度升高，体系中SiO2的含量由39%减少到32%，C-S-H的峰面积增加，原因是泥沙中的活性组分随着温度升高水化速率加快，产生大量C-S-H，使蒸压砖具有更高的抗压强度。同时，托勃莫来石、硬硅钙石在高温高压条件下大量形成，进一步提高了蒸压砖抗压强度。

3.3.2 不同原料与掺和料配比的蒸压砖物相

图2为s-1～s-9号蒸压砖样品的XRD图谱。蒸压砖的主要矿物组分为石英、钠长石、方解石、微斜长石、C-S-H凝胶产物、托勃莫来石、硬硅钙石等[10]。蒸压后样品中长石和石英含量均减小，说明长石和石英在蒸压过程中参与反应，生成了CaCO3、C-S-H等水化产物。对比s-1号与s-3号样品，s-3号样品中C-S-H含量大于s-1号样品，原因是s-3号样品粉煤灰中活性SiO2与Ca（OH）2发生反应，生成了更多水化产物，提高了样品抗压强度。对比s-1号、s-4号、s-7号样品，随着矿渣和石灰含量增大，体系中石英含量减小、方解石含量增大，原因是矿渣中较高含量的CaO能够更好激发SiO2和Al2O3，为蒸压体系补充活性硅、铝，使得蒸压体系中生成较多的水化产物，从而提高样品抗压强度。

经对比分析，s-7号样品的石英、钠长石、微斜长石含量均最小，钠长石和微斜长石在蒸压过程中参与化学反应生成了C-S-H，从而使蒸压砖强度提高[11]。同时，蒸压过程中产生的水化硅酸钙凝胶进一步反应，生成了强度更高的硬硅钙石和托勃莫来石，进一步提高蒸压砖抗压强度。

3.4 蒸压砖微观形貌分析

3.4.1 不同蒸压工艺的蒸压砖微观形貌

图3为不同蒸压工艺的蒸压砖SEM图像，其配比统一为表2中3号配比。由图3可以看出，随着蒸压温度升高，蒸压砖骨料表面生成了大量水化产物，砖体结构致密、孔隙少，颗粒之间更紧密，原因是泥沙中的活性组分随着温度升高水化速率加快，产生的大量C-S-H凝胶物质使蒸压砖胶黏性更强[12]。对比不同蒸压时间的SEM图像，蒸压时间为4h时，可以看到泥沙颗粒和粉煤灰颗粒，表明在蒸压时间较短的情况下水化反应不完全，没有足够的时间使泥沙颗粒、粉煤灰颗粒参与反应，且在较短时间内只有少量的水化产物生成；蒸压时间为8h时，体系中出现柳叶状凝胶物质，且没有看到未反应的泥沙颗粒、粉煤灰颗粒，表明在蒸压时间为8h时体系中水化反应更彻底，生成了更多的水化产物，使得蒸压砖的强度提高。

3.4.2 不同配比的蒸压砖微观形貌

图4为不同配比的蒸压砖SEM图像。s-1号样品的颗粒形态明显，说明其水化反应程度较低，水化不完全，有少量的絮状结构附着在颗粒表面，絮状物质是C-S-H[13]；s-3号样品的絮状结构增多，且有柳叶状的水化产物出现；s-7号样品中柳叶状水化产物彼此穿插，水化产物生成量最多；s-1号、s-3号和s-7号样品均产生了片状水化产物，都是托勃莫来石的形貌；s-7、s-8号样品的纤维状水化产物为硬硅钙石[14]。与其他样品相比，s-7号样品中的托勃莫来石、硬硅钙石交错生长，水化程度较高，水化产物数量较多且呈现致密网络结构，因此具有较高抗压强度。

根据表5中s-1～s-9样品抗压强度数据，影响蒸压砖抗压强度的首要因素是生石灰含量，其次是矿渣含量，最后是粉煤灰含量。s-7号样品在所有样品中石灰、矿渣含量最高，没有添加粉煤灰，其强度最高，SEM图像中s-7号样品呈现的最优微观形貌结构也印证了该结果。

3.5 优化条件下制备的蒸压砖物理性能

采用最佳配比和蒸压工艺制备蒸压砖，其性能测试结果见表7。蒸压砖的抗压强度可达38.76MPa，抗压强度等级达到《蒸压灰砂实心砖和实心砌块》（GB/T11945—2019）中的最高强度等级MU30；放射性内照射指数（IRa）、外照射指数（Ir）分别为0.2、0.4；经25次冻融循环，蒸压砖的最大质量损失率及强度损失率分别为2.2%及15.7%，符合蒸压砖25次冻融循环后质量损失率小于3%、强度损失率小于20%的要求；吸水率为11.7%，干燥收缩率为0.036%，软化系数为0.90，碳化系数为1.03，同样都满足标准要求。采用黄河泥沙制备的蒸压砖属于高强蒸压砖，可用于各类民用、公用建筑的内外墙及房屋的基础建设。

4 结论

以黄河泥沙为主要原料制备蒸压砖，分别对不同蒸压工艺、配比样品的性能进行测试和形貌进行分析，得出结论如下。

1）随着蒸压温度升高、蒸压时间增加，不同配比的蒸压砖抗压强度均逐渐提高。

2）影响蒸压砖抗压强度的掺合料排序为矿渣>生石灰>粉煤灰。

3）黄河泥沙、生石灰、矿渣掺量比例分别为54%、16%、20%，蒸压温度为180℃，蒸压时间为8h时，蒸压砖抗压强度为38.76MPa，达到《蒸压灰砂实心砖和实心砌块》（GB/T11945—2019）标准中最高强度等级MU30，可用于各类民用、公用建筑内外墙及房屋的基础建设。

4）蒸压过程中产生的C-S-H、硬硅钙石、托勃莫来石等水化产物是赋予蒸压砖强度的主要物质。

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