用工业废渣与水泥生产免烧免蒸砖的工艺介绍

混凝土 2013-06-19

工业废渣免烧免蒸砖是以工业废渣为集科，水泥、石灰等为胶结料，配以外剂压制成型后，经自然养护而成的。近年来，工业废渣免烧砖在我国发展很快，已成为重要的新型墙体材料之一。

　　工业废渣免烧免蒸砖（以下简称免烧砖）是以工业废渣为集科，水泥、石灰等为胶结料，配以外剂压制成型后，经自然养护而成的。近年来，工业废渣免烧砖在我国发展很快，已成为重要的新型墙体材料之一。　　

工业废渣免烧砖与烧结砖相比因其利用工业废渣，又不需烧结和蒸养，生产成本比烧结砖低等;吃渣量大，社会、环境效益突出;棱角整齐，尺寸准确，抗压强度高于7.5MPａ;密实度在，吸水性小，耐久性能好。　　

1、生产工业废渣免烧砖的原材料
　　生产工业废渣免烧砖的原材料一般包括3大部分：工业废渣、固化剂（水泥，石膏）和外加剂
　　1.1　工业废渣
　　工业废渣在免烧砖的生产中主要起集料作用。许多工业废渣都可以用来生产免烧砖，包括：电厂粉煤灰，钢厂矿渣，有色金属治炼厂冶炼渣，各种矿业尾矿，电解铜潭，化学废石膏及化学石灰，建筑废砖，建筑垃圾等。　　　　

各种工业废渣的化学成分、矿物成分、有害物质及在利用时的正副作用都不尽相同，因此利用工业废渣生产免烧砖时，应在分析各种废渣的特性之后，根据其强度形成机理，制定出合理的配方。有的工业废渣，在加入适量的固化剂和外加剂后，可以单独用来制造免烧砖：如利用粉煤灰，加入河砂和石灰、石膏、水泥及复合的外加剂，生产出28d强度达到31MPa的工业废渣免烧砖;又如，在经过预处理的铅锌尾矿中，加入适量水泥和外加剂，制造出不低于MU10的工业废渣免烧砖。而大部分研究是将几种工业废渣相互搭配，优劣互补或优势协同来进行利用：例如现在秦晋之好较多的，是将粉煤灰和钢渣结合起来制造免烧砖，粉煤灰和钢渣中的活性成分在固化剂和外加剂的作用下得以激发，满足砖的强度要求。粉煤灰料径比较小，单独制砖缺少大颗粒的骨料作用。而具有较大粒径分布的钢渣，就可以满足此条件，由此生产的免烧砖性能较优，如利用包钢的粉煤灰和钢渣制造出MU10－MU15的免烧砖。在确定工业废渣免烧砖配方时，不但要尽可能地提高废渣的掺量，同时应尽可能地利用各种废渣本身有利于生产免烧砖的特性，从而尽可能地降低剂和外加剂的加入量，以有效降低砖的生产成本。
　　此外，有些工业废渣因具有放射性，不宜或不能大量地用于制砖，使用前应先对其进行放射性检测。有些工业废渣如粉煤灰，使用前必须先进行预处理，除去草根及杂物，有的还需要研磨到需要的料径后才能使用;又如转炉排出的废钢渣，需先经过磁选，剔除块状钢块后，再通过湿法球磨磨到需要的粒径。
　　废渣粒径的大小决定生产工业废渣免烧砖时是否需要另外再加入骨料。在工业废渣免烧砖的配合料中，掺加适量颗粒级配合适的骨料，可防止砖分层，减少收缩，改善成型时砖坯的排气性能，增加密实度，从而提高砖的强度和耐久性，并可节约胶结料用量，降低成本。
　　作为骨料的砂有河砂、山砂和海砂3种。因山砂具有锐利的棱角，能和水泥较好地结合，而使砖具有较高听强度，所以选用山砂较好。不过一般能用于建材的砂，都可用于工业废渣免烧砖的生产。事实上，有的废渣本身就具有骨料的作用，如钢厂产生的钢渣、煤矸石、矿业尾渣等。
　　1.2　固化剂
　　工业废渣免烧砖的固化剂是指能将分散状的各种原材料在物理、化学的作用下，固结成具有一定强度的胶结材料，如水泥、石灰、石膏等。
　　1.2.1　水泥
　　水泥在生产工业废渣免烧砖时，既是胶结剂，又是活性激发剂。其有效硅酸二钙和硅酸三钙等成分对砖的初期强度和后期贡献较大。一般选用高碱性的32.5普通硅酸盐水泥。　　　

　　水泥的加入量越多，对工业废渣免烧砖的耐久性越有益;可是随着水泥加入量的增大，砖的成本会随着提高。为了降低成本，许多生产厂家试图采用适当的工业废渣相互配合或是借助外加剂的作用，在保证砖强度的前提下，尽量少加以至于不加水泥。如在利用赤泥和粉煤灰制造免烧砖时，只加入一些碱性激发剂和硫酸盐激发剂，砖的强度能达到MU15以上。
　　1.2.2　石灰
　　石灰熟化生成氢氧化钙，对水泥的早期强度和后期强度均有重要的作用，它同时是工业废渣免烧砖成型的胶结剂的胶结剂和碱性激发剂。但是有些工艺，特别是后期需采用蒸汽养护的工业废渣免烧砖，利用熟石灰可以简化工艺，减少砖在厂里停留的时间，缩短砖及资金的周转时间。
　　1.2.3　石膏
　　石膏是生产工业废渣免烧砖的硫酸盐激发剂，同时它和石灰能力协同效应，起着促进剂的作用，对工业废渣免烧砖的强度起着直接和间接的作用。一般使用天然石膏效果较好，当然，为了降低成本，也可以使用工业化学石膏，如工业磷石膏。
　　在工业废渣免烧砖的生产中，固化剂可以单独使用，如水泥。而大多数情况下，视具体情况可将几种固化剂结合起来使用，如将石灰和石膏结合使用，或是石膏、石灰、水泥一起使用，效果都不错。当然，应用在工业废渣免烧砖中的固化剂远不止上面3种，还有一些硫酸盐类等。同时，一些工业废渣（如碱渣等）也可以在砖的配合料中，充当激发剂的作用。
　　1.3　外加剂
　　工业废渣免烧砖可以借助外剂来提高强度，改善性能，稳定质量。外加剂有很多种，用于工业废渣免烧砖的主要有：塑化剂（即减水剂）、早强剂、抗冻剂等。
　　工业废渣免烧砖配合料混合的均匀性会直接影响砖的最终强度。一般情况下，为了提高配合料的混合均匀度，除了加强搅拌外，加入减水剂能有效地增加配合料的流动性，大幅度减少拌合用水量，从而提高砖的密实度、强度、抗冻、抗渗等性有也因此得到改善;另一方面，由于减水剂的分散作用，使得各物料接触的表面积增加，从而有利于提高反应机率。
　　生产工业废渣免烧砖时，掺入的减水剂多是亲水性的表面活性物质，常用的有木质素类，如木质素磺酸钙等。早强剂是提高制品早期强度的外加剂，无论是无机盐类、有机盐类，还是无机－－有机复合早强剂，他们都依靠加速配合料的水化速度来提高砖的早期强度。使用较多的早强剂有氯化钠、氯化钙、三乙醇胺、乙酸胺硫盐复合早强剂等。
　　另外，生产工业废渣免烧砖时，几种外加剂复合使用会产生协同效应，比单独使用某种外加剂的效果更明显。　　

2.　工业废渣免烧砖的生产工艺
　　生产时注意事项如下：
　　（1）如果用的是干料，需在轮碾时加入适量的水;如果料中本身已含有水分，视具体情况可不加或少加水。
　　（2）陈化与否应视具体情况而定，一般使用生石灰作固化剂就需要陈化，而使用熟石灰则可以免去陈化过程。
　　（3）如需要加水和水泥的，应在成型之前加入。
　　（4）加水量、成型压力等工艺参数对砖强度的影响比较大，相应的参数均需要通过试验确定。
3.　强度形成的机理分析
　　工业废渣免烧砖的强度主要来源于以下4个方面：（1）物理机械作用;（2）水化反应; (3)颗粒表面的离子交换和团料化作用;(4）相间的界面作用。
　　3.1　物理机械作用
　　生产工业废渣免烧砖时，搅拌机和轮碾机对配合料的充分混合，有利外加剂对物料活性的激发和物料之间的反应，对砖的强度提高起到更要作用。
　　工业废渣免烧砖的初期强度是在砖坯压力成型过程中获得的。成型不仅使砖坯具有一定的强度，同时由于原材料颗粒间紧密接触，保证了物料颗粒之间的物理化学作用能够高效进行，为后期强度的形成提供了条件。一般工业废渣免烧砖成型压力要求不低于20MPａ。实验结果表明
　　在其它条件相同时，工业废渣免烧砖试件的强度随成型压力增加而提高;如果没有高压成型作用，即使加入水泥和石灰，也无法形成高强度。
　　3.2　水化反应
　　水泥、石灰等胶凝材料的水化产物提供工业废渣免烧砖的早期强度，主要的水化反应如下：
　　3Ca0.SiO₂＋ｍH₂O->xCaO.SiO₂.yH₂O+(3-x)CA(OH)₂　　2Ca0.SiO2＋ｍH2O->xCaO.SiO2.yH2O+(2-x)CA(OH)₂　　4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃+7H₂O->3CaO.Al₂O₃.6H₂O+CaO.Fe₂O₃.H₂O
　　Ca0+H₂O->Ca(OH)₂　　生产工业废渣免烧砖的原料（如粉煤灰、粘土、炉渣）中，含有的大量活性氧化硅和活件氧化铝等，在外加剂的作用下与氢化钙发生水化反应，生成类似于水泥水化产物的水硬性胶凝物质：水化硅酸钙、水化铝酸钙等，从而不断提高砖的强度。反应式如下：
　　xCa(OH)2+SiO2+mH2O->xCaO.SiO₂.nH₂O(水化硅酸钙）
　　xCa(OH)2+Al2O3+mH2O->xCaO.Al₂O₃.nH₂O(水化铝酸钙）
　　另外，Ca(OH)₂吸收空气中的CO₂生成CaCO₃晶体结构，即:
　　Ca(OH)₂+CO₂->CaCo₃+H₂O
　　原料中如有石膏存在时，还有如下反应：
　　xCaO.AlO₃.nH₂O+CaSO₂.2H₂O->xCaO.Al₂O₃.(n+2)H₂O(钙矾石）
　　3.3　颗粒表面的交换和团料化作用
　　工业废渣免烧砖颗粒物料在水分子的作用下，表面形成1层薄薄的水化膜，2个带有水化膜作用下，一部分化学键开始断裂、电离，形成胶体颗粒体系。胶体颗粒大多数表面带有负电荷，可以吸附阳离子。而不同价、不同离子半径的阳离子可以与反应生成的Cａ（OH）₂中的Ca²⁺等当量吸附交换。
　　由于这些胶体颗粒表面的离子吸附与交换作用，改变了颗粒表面的带电状态，使颗粒形成了一个个小的聚集体，从而在后期反应中产生强度。
　　3.4　相间的界面反应
　　界面科学家认为一切化学都是从界面开始的。在工业废渣免烧砖的强度形成过程中，有着液相与固相及气相与固相之间的反应。比如加水后，水泥等发生的水化反应，就是液相和固相之间的反应；而配合料中的Aｃ（OH）₂被空气中的CO₂碳化生成CａCO₃的反应，就是气相与固相间的反应。这些反应都
　　是从两相的界面开始，不断地深入，使砖的强度不断增强。
　　综上所述，配合料的充分混合和成型过程中的加压，为砖的后期强度奠定了坚实的基础；通过颗粒表面的离子交换和团料化作用、水泥和石灰的水解和原料间的水化反应及各相间的界面作用，生成的各种晶体交叉搭接在一起，形成空间网格结构，使工业废渣免烧砖的强度逐步增强。
　　4.　结语
　　据统计，日前利用工业废渣生产免烧砖年产量正在以15%的速度增长。但是，在生产和使用中仍然存在不少问题。首先，一部分人的观念中，始终不能真正地接受免烧砖，觉得砖需要经过烧结其性能才可靠。其实不然，无数的实验，如利用矿渣、粉煤灰制成的免烧砖，养护28ｄ后性能到GB11945要求的MU25。
　　其次，现在许多生产工业废渣免烧砖的厂家停产或倒闭，其大多是因为采用蒸养或者是没有合适地利用废渣，过多在加入外加剂，造成成本太高。为此，广大的科研工作者应该帮助企业选择合适的原料配比、工艺和设备，以提高企业的经济效益。