利用粉煤灰—石灰—水泥胶凝体系制备高强砌块
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在众多的粉煤灰硅酸盐制品中，胶凝体系基本可分为2类：一类是 粉煤灰-石灰胶凝体 系的制品，其特点是原材料成本低，但因该体系中粉煤灰早期以物理活性(颗粒效应 、微集料效应等)为主，故制品的抗压强度和质量较低；另一类是粉煤灰-水泥胶凝体系， 要提高该体系的早期强度，增加水泥用量或用高标号水泥的效果是显而易见的，但原材 料成本也相应增大。 目前，为提高粉煤灰胶凝体系早期强度，最常用的方法是将其磨细。据上海建筑科学院调查 表明 ，我国大多数电厂粉煤灰品质偏低，多为Ⅲ级灰和等外灰，Ⅰ、Ⅱ级灰只占5%左右。用国产 新型 的高压悬辊磨研磨Ⅲ级或等外灰，使其达到国家标准Ⅱ级灰的粒度要求，需电费约10元/t； 达到Ⅰ级灰的粒度要求需电费约21元/t。故此，一般只将粉煤灰的粒度加工到Ⅱ级 灰的要求，活性改善有限。此灰在石灰和少量石膏的共同激发下具有一定的活性，在蒸汽养 护条件下，可使粉煤灰-石灰胶凝体系制品的7 d抗压强度达到20～25 MPa，但要再提高其 强度十分困难。 当市场要求研制粉煤灰掺量达60%～70%，抗压强度达35 MPa，材料成本不超过60元/m3的 实心粉煤灰砌块时，利用上述2种体系及将粉煤灰磨细处理，都无法满足要求。为此开发了 粉煤灰-石灰-水泥胶凝体系。采用这一体系的主要设想是发挥水泥和石灰各自的特点。水泥 可以提高产品的早期强度，并在胶结料的水化反应中起晶核作用；而石灰可以提供过饱和的 Ca(OH)2液相环境，激发粉煤灰的化学活性，并作为钙质材料参与同粉煤灰中活性SiO2 、Al2O3的水化反应，生成凝胶体。
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2.1 利用粉煤灰-石灰-水泥胶凝体系制备高强度砌块的工艺流程见图1。其中石灰和粉煤灰的混 合物加水产生热和OH-破坏粉煤灰颗粒表面结构的消化过程是一道十分重要的工序。
图1
2.2
在粉煤灰和生石灰按一定比例共磨的混灰中，细小的石灰颗粒均匀地分散在粉煤灰颗粒中。 当混灰与一定量的水搅拌时，由于石灰颗粒具有较大的内比表面和孔隙 ，水立刻渗入〖KG-*9〗孔内〖KG-*9〗，发生〖KG-*9〗强烈的〖KG-*9〗水化反应，在生成 Ca(OH)2的同时，体积膨胀，使细小的石灰颗粒xx为更细微的Ca(OH)2，均匀地分散在粉煤灰颗粒中。此外，这是一个 放热反应，散发的热量可使消化灰的温度达到80～90 ℃，并维持3～5 h。根据玻 璃侵蚀动力学，在50～150 ℃，碱液 对玻璃侵蚀速度［mg/(cm3·h)］的对数与温度成直线关系，一般情况下温度每增加1 0 ℃ ，相当于恒温下增加2～5 h的侵蚀。浸润水与均匀分散在粉煤灰中的Ca(OH)2产生高浓度 的OH-液态碱环境，加之石灰消化又提供了长达3～5 h之久的高温，为破坏粉煤灰颗粒表 面≡Si桹桽i≡和≡Si桹桝l≡网络构成的双层保护层提供了有利条件，使消化后的粉煤 灰具有较多的活性SiO2和Al2O3。图2为原状粉煤灰与消化粉煤灰的SEM对比照片。当 消化 灰与水泥、石膏混合均匀，加水搅拌时，由于消化阶段的预处理，提高了消化灰的水化胶凝 速度，使其不会过于落后水泥的水化胶凝速度，二者相继生成凝胶体为制品的强度做出贡献 。 图2
2.3
消化时加入的水量应当比较xx。水量过多会使粉煤灰-石灰发生水化反应而结块，使后 续加入的水泥和石膏难以同消化灰混合均匀，甚至在消化灰同水泥和石膏干搅拌时，水泥就 发生水化反应，形成内部仍处于干粉状的较大的水泥团块。水量过少，又无法较好地浸透粉 煤灰，破坏其表面结构。消化时合适的加水量是：除供给氧化钙转化为氢氧化钙外，剩余 水量应恰好能够浸润并破坏粉煤灰颗粒的表面结构，却没有或仅有极少量的水分能与已释放 的可溶性SiO2和Al2O3发生水化反应。此时消化灰应呈细颗粒的湿粉状。 将石灰中的CaO转变成Ca(OH)2所需用水量，可根据石灰中有效CaO含量计算出。但浸润由 粉煤灰、氢氧化钙和石灰未消化残渣组成的干粉所需水量，却较难确定。粉煤灰在干粉中 所占比例达80%以上，这部分需水量同粉煤灰自身的需水量有关，也同该体系的总水灰 比有关。研究表明粉煤灰自身需水量越小，对制品强度的提高越有利，并且对早期强度的提 高作用强于对后期强度的提高作用。另外，该体系真正的水灰比值应从总需水量中减去氧化 钙转变为氢氧化钙所消耗的水量 后，剩余水量与总原灰量加上氧化钙转变为氢氧化钙增加的质量之和的比。因此，该体系的 用水量虽然多一些，但实际水灰比却并不高。该体系消化需水量(〖WT5，5擝X〗W1〖WT 〗)和总需水量(〖WT5，5擝X〗W)可分别由下列式(1)和式(2)求出。 W1=η(F+S)+0.32ρ(1+η)S
W=W(F+C+E+S)/H+0.32ρ(1+W/H)S
式中：η椣苯蟾煞鄣乃冶戎担酥涤敕勖夯倚杷坑泄兀菔匝椋庇芒蚣?粉煤灰时，此值在0.15～0.17； ρ検抑醒趸坪浚华?/P> F椃勖夯矣昧浚华?/P> S検矣昧浚华?/P> C椝嘤昧浚华?/P> E検嘤昧浚华?/P> W/H椞逑嫡嬲乃冶泉?/P> 表1中的设计用水量和消化用水量为按上述公式(1)、(2)的计算结果，它与 实验室多次试验的平均 用水量值十分接近。该表中的抗压强度为采用设计用水量和蒸汽养护24 h，制品的7 d抗压 强度测试值，结果比较理想。 表1
2.4
粉煤灰-石灰-水泥体系中，石灰掺量为15%～26%，水泥掺量为7%～15%。加水拌合后，体系 中Ca(OH)2 溶于水生成的OH-，使体系中 的粉煤灰颗粒处于较高浓度的碱液环境下，OH-xx粉煤灰的活性SiO2、Al2O3中的 Si-O、Al-O键；在石膏的作用下，Ca2+与xx的Si-O、Al-O键反应，生成水硬性凝胶 材料，产生强度，其水化产物主要是CSH和AFt，反应式为：
(活性)SiO2+Ca2++OH-→CaO 0.8～1.5SiO2·H2O0.5～2.0 (活性)Al2O3〖HT5，5擲S〗+Ca2++OH-+SO 2-4→C3A·3CaSO4·32H2O
虽然粉煤灰的水化反应略滞后于水泥，但对粉煤灰掺量达60%～70%的胶凝体 系，在蒸养条件下，它的水化产物将成为高强度砌块凝胶材料的主体。
当水泥先于粉煤灰发生水化反应时，其水化物形成过饱和溶液，分散在粉煤灰颗粒周围 ，成为粉煤灰水化新相形成的晶核。它对离子优先吸附的界面作用和优先沉淀的结晶中心作 用，使它能够吸附随后粉煤灰颗粒生成的水化产物，从而缓和这些水化物在粉煤灰颗粒周围的屏蔽作用和界面近程结晶现象，xx 了水化产物优先在粉煤灰颗粒孔区生长的局部现象， 使Ca2+渗透和活性SiO2和Al2O3释放的渠道通畅，增加了胶凝物质的反应率， 改善了水化产物的相分布、相尺寸及相粘接。
图3为水泥掺量与砌块抗压强度的关系曲线。
图3 水泥掺量与粉煤灰砌块抗压强度关系
试验表明，在粉煤灰-石灰-水泥体系中，如掺入的水泥适量，用该体系制备的粉煤灰实心砌 块的单向抗压强度可达35 MPa(由山东省交通建设工程检测中心检验)，材料成本低于60元/m 3，粉煤灰掺量可达60%～70%。
3 结 论
(1)采用粉煤灰-石灰-水泥胶凝体系时，消化是一道十分重要的工序，消 化预先破坏了粉 煤灰颗粒的表面结构和网络结构，使粉煤灰具有较多的活性SiO2和Al2O3。此工序的 用水量应十分准确。该体系水化反应时，水泥的晶核作用对促进粉煤灰的水化反应和形成 凝胶起着相当大的作用。
(2)采用该体系可制备粉煤灰掺量达60%～70%，抗压强度达35 MPa，材料成本低于60元/m3 的粉煤灰实心砌块。
