蒸壓加氣混凝土(Autoclaved Aerated Concrete,簡(jiǎn)稱AAC)是在硅質(zhì)原料和鈣質(zhì)原料的配料中加入鋁粉(膏)作發(fā)氣劑,經(jīng)加水?dāng)嚢琛沧⒊尚?、發(fā)氣膨脹、預(yù)養(yǎng)切割,再經(jīng)高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)而成的多孔硅酸鹽材料。其體積密度為300~800 kg/m3,是紅磚的1/3;導(dǎo)熱系數(shù)為0.09~0.22 W/(m˙K),僅為紅磚的l/4~1/5。因其具有輕質(zhì)、保溫、隔熱、吸聲、防火、可加工等性能特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑,成為一種節(jié)能環(huán)保的新型建筑材料。尤其是,蒸壓加氣混凝土可大量應(yīng)用固體廢棄物作硅質(zhì)原料,順應(yīng)當(dāng)今社會(huì)節(jié)能環(huán)保及循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì),因而倍受關(guān)注。
隨著我國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化建設(shè)的迅速發(fā)展,一方面固體廢棄物大量排放和堆存占用寶貴土地,污染環(huán)境和危害人體健康:另一方面城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展對(duì)建材產(chǎn)品需求急劇增加,資源環(huán)境的約束矛盾日益突出。2011年,國(guó)家發(fā)展改革委出臺(tái)的《“十二五”墻體材料革新指導(dǎo)意見》,明確指出了墻體材料革新重點(diǎn)工作:“實(shí)施利廢新型墻體材料示范工程,推進(jìn)大宗固體廢棄物綜合利用示范基地建設(shè),通過(guò)技術(shù)研發(fā),支持企業(yè)利用建筑廢棄物、城市污泥、尾礦、磷石膏等固體廢棄物生產(chǎn)新型墻體材料,提高綜合利用效率。國(guó)家墻改政策提出到2015年,城鎮(zhèn)新建建筑執(zhí)行不低于65%的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),城鎮(zhèn)新建建筑95%達(dá)到建筑節(jié)能強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的要求。
毋庸置疑,保護(hù)環(huán)境與節(jié)約資源已成為基本國(guó)策,建筑節(jié)能是大勢(shì)所趨,綠色環(huán)保型建筑材料的研發(fā)及推廣應(yīng)用成為實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的關(guān)鍵。本文綜述了利用固體廢棄物制備蒸壓加氣混凝土墻體材料的研究進(jìn)展,重點(diǎn)闡述了粉煤灰、石英尾砂和尾礦渣的特點(diǎn)及其材料化技術(shù)方法,并對(duì)當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題及將來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行探討。
1 不同材質(zhì)的加氣混凝土
本質(zhì)上講,蒸壓加氣混凝土是由鋁粉在料漿中發(fā)氣、并在硬化過(guò)程中固定而形成氣孔結(jié)構(gòu);由CaO與Si02在水熱條件下反應(yīng)生成水化硅酸鈣(主要為CSH(I)膠凝、水石榴子石和托勃莫來(lái)石),并與尚未反應(yīng)的材料顆粒結(jié)合在一起,構(gòu)成混凝土的整體強(qiáng)度。通常,CaO由石灰、水泥等提供,Si02則由硅質(zhì)原料提供。一直以來(lái),利用富硅固體廢棄物制備加氣混凝土的研究,主要集中在粉煤灰、石英尾砂和尾礦渣等方面。
1.1 粉煤灰加氣混凝土
早在1958年,我國(guó)就開始研究蒸養(yǎng)粉煤灰加氣混凝土。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索和實(shí)踐,已形成了較為成熟的制備技術(shù)。一般而言,Si02含量≥40%,粒度在180目(80 μm方孔篩篩余≤25%)左右的粉煤灰皆可用于生產(chǎn)蒸壓加氣混凝土制品。
目前,大量生產(chǎn)和應(yīng)用的粉煤灰加氣混凝土主要為B05-B07級(jí)的制品,其干容重較大(>500 kg/m3),抗壓強(qiáng)度較低(≥2.5MPa),導(dǎo)熱系數(shù)較高(≥0.14W(m˙K)),且存在抗凍融性較差、碳化能力低、砌墻易開裂等問(wèn)題。因此,近年來(lái)的研究主要側(cè)重于性能改良和強(qiáng)度高、容重小的加氣混凝土制品開發(fā)。王立剛研究組嘗試?yán)贸?xì)粉煤灰(5~15 um)制各加氣混凝土,發(fā)現(xiàn)超細(xì)灰對(duì)加氣混凝土有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)。但由于超細(xì)灰粒徑小,比表面積大,顆粒填充效應(yīng)增強(qiáng),使得制品孔隙率下降,容重增大;且由于其活性較原狀灰高,使得料漿稠化快,澆注穩(wěn)定性變差。杜傳偉等人探討了通過(guò)添加物理泡沫和促凝劑來(lái)改善孔結(jié)構(gòu),并通過(guò)增加水泥用量提高制品強(qiáng)度。結(jié)果表明,由于加入的泡沫在攪拌制漿過(guò)程中易被破壞,對(duì)孔結(jié)構(gòu)和制品的強(qiáng)度的改良作用不明顯。M.Serhat BaspinarE等人研究了水泥對(duì)制品性能的影響,發(fā)現(xiàn)降低水泥摻量反而可以提高制品的抗壓強(qiáng)度。原因在于水泥摻量較高時(shí),早期水化反應(yīng)中會(huì)形成大量的鈣礬石相;雖然鈣礬石相有益于提高坯體的早期強(qiáng)度,但會(huì)造成制品開裂,降低了其耐久性。他們通過(guò)添加硅粉來(lái)抑制鈣礬石相的形成,一定程度上改善了水化反應(yīng)條件,提高了制品的強(qiáng)度,但卻使制品的容重大幅增加。鄭懷林等通過(guò)添加多種外加劑,并精確控制工藝參數(shù),研發(fā)出B03級(jí)粉煤灰加氣混凝土保溫砌塊。但其絕干抗壓強(qiáng)度僅有O.89 MPa(國(guó)標(biāo)要求為1.0 MPa),實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大。
總起來(lái)講,粉煤灰加氣混凝土的研究未出現(xiàn)突破性進(jìn)展,尤其對(duì)起始物的反應(yīng)機(jī)制及制品的物相、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系等基礎(chǔ)問(wèn)題缺乏深入研究。
1.2 石英尾砂加氣混凝土
石英尾砂是玻璃生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)粉碎篩選后產(chǎn)生的大量廢棄物,主要為結(jié)晶質(zhì)石英,Si02含量達(dá)90%以上,經(jīng)處理后可作為加氣混凝土的硅質(zhì)原料。由此既拓寬了制備加氣混凝土的原料選擇范圍,又可解決其造成的污染問(wèn)題。
汪洋等人將石英尾砂細(xì)度控制在0.08 mm篩篩余12%作為制備加氣砌塊的主要原料,研究了鈣質(zhì)材料(石灰、水泥)用量對(duì)制品性能的影響,發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)材料添加量過(guò)少,生成的水化產(chǎn)物量不足,殘余Si02過(guò)多,制品強(qiáng)度低;鈣質(zhì)材料添加量過(guò)多,Ca過(guò)量,在堿性環(huán)境下易生成強(qiáng)度低的高堿水化物。通過(guò)實(shí)驗(yàn),在鈣質(zhì)材料添加量為39%(水泥6%,石灰33%)時(shí),制備出干容重為523 kg/m3的樣品,其抗壓強(qiáng)度達(dá)3.9 MPa,干燥收縮(快速法)0.7mm/m。王長(zhǎng)龍等人研究了石英尾砂的細(xì)度對(duì)料漿穩(wěn)定性和制品性能的影響。結(jié)果表明,尾砂太粗,料漿流動(dòng)性差,澆注后料漿易沉析導(dǎo)致塌模;提高尾砂的細(xì)度,可增加其比表面積,提高反應(yīng)活性;但若顆粒太細(xì),料漿稠化快,發(fā)氣受阻,易產(chǎn)生憋氣,使制品出現(xiàn)裂紋,孔隙率下降,容重增大。通過(guò)實(shí)驗(yàn),將石英尾砂粉磨至比表面積為321.57 ㎡/kg,制得的樣品干容重為562kg/m3,抗壓強(qiáng)度為4.34 MPa。由于石英尾砂易磨性差,晶體結(jié)構(gòu)致密,水化反應(yīng)活性低,導(dǎo)致尾砂有效利用率偏低。
l.3 尾礦質(zhì)加氣混凝土
隨著社會(huì)對(duì)礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)利用,礦山固體廢棄物逐年增加,大量的含硅尾礦堆積如山,如鐵尾礦、黃金尾礦、磷尾礦、銅尾礦、鎢尾礦、鉛鋅尾礦等。目前,尾礦的處理主要是回收利用其有價(jià)組分,但這樣并未減少尾礦的存量,其占用土地和污染環(huán)境等問(wèn)題不能得到根治。利用富硅尾礦制備新型建筑材料,成為大量消納尾礦的可行之路。
鄭文新用化學(xué)方法對(duì)黃金尾礦進(jìn)行預(yù)活化處理,激發(fā)其活性后作為硅質(zhì)原料,制備出B06級(jí)加氣混凝土材料。王長(zhǎng)龍等人將低硅鐵尾礦細(xì)磨至200目篩余7.3%,再添加部分高硅原料,制備了容重為637 kg/m3、抗壓強(qiáng)度達(dá)4.31 MPa的加氣砌塊。錢嘉偉利用銅尾礦替代32%的硅砂制備B06級(jí)加氣砌塊。Huang等人嘗試?yán)勉~尾礦和水淬高爐礦渣制備蒸壓加氣混凝土,認(rèn)為水淬渣的活性CaO含量較高,無(wú)需添加生石灰即可滿足鈣質(zhì)的需求,由此可降低原料成本。但因其MgO含量過(guò)高且消化極慢,在坯體硬化或蒸壓過(guò)程中持續(xù)水化反應(yīng),易造成體積膨脹而破壞。
由于大多數(shù)尾礦的顆粒較粗,且礦物組成復(fù)雜,SiO2以石英態(tài)產(chǎn)出的量較小,主要以化合物形式存在于各種礦物相中,因而反應(yīng)活性較差。欲提高其反應(yīng)活性,目前有效的方法是磨細(xì)或化學(xué)激活。這無(wú)疑會(huì)增加其利用的難度和成本,限制了尾礦質(zhì)加氣混凝土的規(guī)?;a(chǎn)。因此,尾礦的低成本活化方法研究有待于加強(qiáng)。
2 問(wèn)題及展望
加氣混凝土業(yè)界存在著一個(gè)難以突破的瓶頸,即原料細(xì)度不能低于180目,這使得大量富硅質(zhì)廢渣微粉難于得以應(yīng)用。因此,如何充分利用超細(xì)粉料無(wú)需細(xì)磨加工、比表面積大、反應(yīng)活性高等特點(diǎn),制備性能優(yōu)良的輕質(zhì)保溫墻體材料成為亟待解決的難題。
原料與制品的關(guān)聯(lián)性研究有待加強(qiáng),尤其是根據(jù)固體廢棄物的資源情況,因地制宜,開發(fā)新的制備技術(shù)方法,提高工業(yè)廢渣的綜合利用水平。在加氣混凝土的硅質(zhì)原料選擇方面,一直是以SiO2的含量為標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上,制品的性能取決于水化硅酸鈣的形成,而原料中Si02的有效釋放并與CaO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)是關(guān)鍵。因此,需要強(qiáng)化原料的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)等基礎(chǔ)研究,針對(duì)Si02的不同賦存狀態(tài),開發(fā)活性激發(fā)技術(shù),以最大限度的利用低硅固體廢棄物資源。
隨著“十二五”時(shí)期工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,大宗固體廢棄物產(chǎn)生和堆存占用大量土地,污染環(huán)境的問(wèn)題日趨嚴(yán)重。同時(shí),隨著城鄉(xiāng)建設(shè)的快速發(fā)展和現(xiàn)代建筑節(jié)能要求的不斷提高,迫切需要開發(fā)超輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐久性好,保溫性能優(yōu)良,能夠適應(yīng)外墻自保溫一體化工程需要的新型加氣混凝土墻體材料。因此,利用固體廢棄物制備節(jié)能型建筑材料的研發(fā)及推廣應(yīng)用將成為重點(diǎn)領(lǐng)域。