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  粉煤灰新型建材耐久性能的研究历程和实践成果(一)

http://www.fajc.com.cn   发布时间:2007.8.30  访问2132次
 
 
  
国家多项专利发明人:杜世永
 
 
主题预览
引言
粉煤灰、矿渣等固体废弃物新型建材的发展历程
粉煤灰渣新型建材的性能和耐久性差的原因
提高粉煤灰渣新型建材耐久性研究
粉煤灰新型建材建筑物的耐久性
关于养护方式的争议
结语
引言
    随着国家禁实和墙改政策力度的增大,各种粉煤灰渣新型建筑材料已逐步替代粘土砖而较为广泛的用于工业和民用建筑.大掺量粉煤灰渣新型建材是否耐久?怎样近一步提高其耐久性是大家最为关心的问题.下面我根据自己从事粉煤灰渣新型建材的研究、生产、推广与应用工作多年的经验,谈谈这方面的体会.
一、粉煤灰、矿渣等固体废弃物新型建材的发展历程
  利用粉煤灰、煤渣、矿渣等固体废弃物生产新型建筑材料,据前苏联и.п.格瓦兹达列夫著《蒸压硅酸盐砖》一书介绍,在国际上以有七十年左右的历史.前苏联国定全苏标准379-53,就已对粉煤灰砖的物理力学性能和使用范围等做出了明确规定.一九五八年,我国建筑工程部水泥研究院就已出版《煤灰砖》一书,根据书中介绍,1958年我国就研制成功了蒸压和非蒸压粉煤灰渣砖.后逐步建成了北京市烟灰制品厂,北京市云岗烟灰制品厂,武汉市第五砖瓦厂,黄石粉煤灰砖厂、吉林通化市灰渣砖厂、湖南株洲市建材厂等粉煤灰渣砖新型建材厂.年生产的粉煤灰渣建材制品已广泛用于当时的工业和民用建筑的基础、勒足、承重墙、承重柱、水塔、水沟等.
任何新生事物的发展都是要经过艰难曲折的.粉煤灰渣砖生产初期,由于缺乏经验,机器设备不够先进,产品质量不够稳定,各粉煤灰砖厂的制品强度大都波动在7.5~10Mpa之间,加之生产成本高于粘土砖和人们受秦砖汉瓦的传统守旧思想的影响,所以在市场竟争中处于不利而导致很多粉煤灰砖厂转产或关闭.
    我的家乡在四川,那里山清水秀,土地资源极为珍贵,1978年我们开始利用盐厂排出的粉煤灰渣研制新型建筑材料,后在武汉水利电力大学吕梁教授的指导下,一直坚持对粉煤灰渣新型建材的研制、生产、推广和应用工作.取得了一些成功经验.
二 .粉煤灰渣新型建材的性能和耐久性差的原因
(一) 抗冻性能
  抗冻是指粉煤灰渣新型建材抵抗反复冻融作用的能力,是耐久性的重要指标.对于墙体用粉煤灰新型建材的抗冻性要求,视地区气温而定,在我国南方对粉煤灰新型建材的抗冻性无一定要求,在寒冷的北方,外墙用粉煤灰新型建材必须考虑它的抗冻性能,应该优于粉煤灰砖JC239-2001标准的有关规定.
  粉煤灰新型建材的抗冻性能除与其本身的原始强度密切相关,还与粉煤灰渣中的含碳量,粉煤灰新型建材的层裂程度和生产工艺有关系.含碳量高于15%,粉煤灰新型建材原始强度低,吸水率大,抗冻性差.工艺配比不科学,成型设备选择失误,粉煤灰新型建材容易产生裂纹,抗冻性亦差.
(二) 抗碳化性能
  碳化作用是指粉煤灰新型建材在空气中二氧化碳作用下,水化产物发生分解形成碳酸钙晶体以及硅胶和铝胶,引起结构强度变化的过程.抗碳化性能是指粉煤灰新型建材抵抗这种结构强度的变化能力,它是粉煤灰新型建材耐久性能的重要因素之一.
在相对湿度下,空气中含有的二氧化碳会和硬化后的粉煤灰新型建材内的水化产物,如氢氧化钙,水化铝酸钙和水化硫铝酸钙作用,生成碳酸钙,并释放出水.水化硅酸钙与碳酸钙反应,其反应如下:
    3CaO.2SiO2.3H2O+CO2=CaCO3+2(CaO.SiO2H2O)+H2O
      水化硅酸钙      二氧化碳  碳酸钙     水化硅酸钙     水
  碳化形成的产物是碳酸钙与低C-S-H凝胶.由于上述反应的作用使得粉煤灰新型建材的结构强度发生变化.如粉煤灰新型建材抵抗不住这种结构强度变化的能力,就会发生表皮掉灰、麻面及墙面抹灰鼓包、脱落等现象.如单一依靠水泥胶凝粉煤灰渣生产的粉煤灰渣建材的水化产物种类差、数量少、碱度少、结晶度及密实度差,最易产生这种现象.
(三) 收缩性
  收缩几乎是所有粉煤灰硅酸盐建材制品的共性.引起收缩的原因,一是干燥过程中逐渐失去游离水份,称为干燥收缩;粉煤灰新型建材在使用时,干燥和碳化两个过程同时进行,所以往往用自然收缩来表示实际使用时所产生的收缩.自然收缩是引起粉煤灰新型建材建筑物墙体裂缝的主要原因.如成型料配制不科学,制品水化和水热合成反应不完全,强度低制品收缩值就大.
(四)长期强度稳定性
  测定粉煤灰新型建材在各种使用条件下的长期强度,有助于对耐久性作出正确的估价,通常模拟使用环境测定粉煤灰新型建材在各种条件下的长期强度.
为了更切实际的说明粉煤灰新型建材的耐久性,在经过几年和二十多年实际使用的建筑物上进行调查和取样,检查其强度和碳化深度,发现与模拟实验结果相符合.粉煤灰新型建材的抗压强度不管使用在什么部位都有增加;而抗折强度,使用在潮湿的基础中有所增加,而与大气接触且经常受到剧烈干湿交替作用和女儿墙部位则降低较多.这说明,粉煤灰新型建材抗干湿循环性能还应提高.
三 提高粉煤灰渣新型建材耐久性研究
(一) 原材料的质量要求
1. 粉煤灰
  由于各地的燃煤种类和产地不一样,燃烧方式和温度不一样,粉煤灰的排放方式不一样,因而,粉煤灰的化学成份和物理形态就不一样.粉煤灰渣结构的非常不均匀性,成为燃料灰渣不稳定之原因.因此,用粉煤灰渣生产粉煤灰新型建材的质量也难于控制,所以必须对每种粉煤灰渣要进行一系列的分析与试验.
  粉煤灰渣中的三氧化二铝(Al2O3)含量高,烧失量少时,则活性就高,可采用下式来表示粉煤灰渣的活性高低:
                Y= Al2O3/烧失量
  粉煤灰渣活性较高时,生产的粉煤灰新型建材质量就愈好,因而生产中最好采用活性较高的粉煤灰渣.
2. 钙质材料
  电石渣、高炉水淬矿渣、磷渣或石灰等.
3. 骨料
  可选用煤渣、钢渣、煤矸石、矿渣、磷渣、尾矿渣、石屑、砂子、建筑垃圾等,要求轻质高强时,可采用粉煤灰免烧陶粒.
4. 外加剂
  可优先选用化工厂、碱厂、纸厂等工厂的工业废渣,也可选用一部份市售化工原料.
(二) 配合比设计
  根据粉煤灰新型建材使用的地区,建筑物的部位,以及对粉煤灰新型建材需要的冻融次数,抗碳化性能、干燥收缩值、长期强度稳定性等的不同要求,再根据水泥的有关化学成份,适宜的对粉煤灰补钙补外加剂等,实现粉煤灰胶凝材料化学平衡.调整成型料中骨料的种类、数量和颗粒级配,提高制品成型性能.
(三)粉煤灰新型建材的养护方式
  粉煤灰和氢氧化钙Ca(OH2)在常温下很难发生反应,就是28天以后,其反应程度只在1-2%范围.为了制得强度高,耐久性好的优质粉煤灰新型建材,参考水泥的水化机理,针对粉煤灰的特性,给粉煤灰新型建材半成品,创造适宜的水化和水热合成反应的条件.这些反应条件,可以根据各地原材料的化学成份和物理形态,以及所在的地理、气候条件,以及所需粉煤灰新型建材的冻融次数,抗压强度、抗碳化、干燥收缩值等的不同要求,分别采用蒸压养护、常压蒸汽低温养护新工艺、蒸养机养护等工艺.
如对粉煤灰新型建材的抗冻要求较高时,可以根据配制粉煤灰胶凝材料化学平衡的机理调整配合比和外加剂,适量增加矿渣或其它废渣,改变养护方式,使粉煤灰新型建材反应后生成的水化产物主要有:低碱度C-S-H凝胶(一般C/S≤1);碱土铝酸盐水化物和碱-碱土铝硅酸盐水化物;沸石类:方钠石3(Na2O.Al2O3.2SiO2).2NaCl,钠沸石Na2O.Al2O3 .3SiO2.2H2O,杆沸石 .lOSiO2.12H2O;霞石、长石类等等.
  这些水化产物的细微晶体不仅具有很高的强度,在热力学上也很稳定,极难溶于水,并且大多与自然界中钠、钾-钙-铝硅酸盐矿物的组成、结构及形成过程很相似,因而非常稳定.其强度、抗冻性,耐久性能均优于硅酸盐水泥制品.所以用粉煤灰渣制成的人造石材的耐久性是非常好的.
 
  如(图1)(图2):这是三块粉煤灰砖粘合在一起的粉煤灰渣砖环内切面,该粉煤灰砖是从房改拆房时的旧承重柱中敲下的一小块.其寿命已经20多年了,目前该标本在今天论坛的现场。其强度已经超过20Mpa,由于配合比实现了化学平衡,因而制品在使用过程中继续反应,这种粉煤灰砖的后期强度较大.
 
  如(图3)(图4):这是刚刚成型的粉煤灰砖坯是可以直接承受一个人直立上面,该实验是采用我公司的技术分别于2005年4月在天津某建材厂和2006年3月在定州某建材厂进行的实验结果。
四. 粉煤灰新型建材建筑物的耐久性
  用粉煤灰新型建筑材料砌筑的房屋能否耐久,需要时间和实践的检验. 我们根据自己从事粉煤灰新型建材的研究、生产、推广与应用工作的经验和对各地用粉煤灰新型建材砌筑的建筑物考查,谈谈自己的体会,供各位老师参考和指证.
  笔者认为:粉煤灰新型建材砌筑的建筑物耐久与否,其关键在于生产粉煤灰新型建材的工艺、配方必须科学,其次是采用适宜的养护方式.工艺配方不科学,不管采用何种养护方式也不一定能生产出合格、耐久的粉煤灰新型建材。工艺、配方先进科学,蒸压非蒸压养护生产的优质粉煤灰新型建材砌筑的建筑物也有较好耐久性.
  根据中国建筑工业出版社1975年初出版的《蒸制粉煤灰砖》一书介绍:砌体强度是计算承载能力的依据.粉煤灰砖砌体强度试验按《砖石结构设计规范》GBJ3-73进行.
根据对北京市烟灰制品厂,武汉市第五砖瓦厂,黄石粉煤灰砖厂等厂砌体试验结果证明,粉煤灰砖砌体的轴心抗压极限强度超过理论计算强度.例本书表7-2
  据武汉水利电力大学教授吕梁在2005年“第二届国际粉煤灰综合利用墙材革新和建筑节能高级论坛”上讲,武汉现在还有1958年用粉煤灰砖建筑的房屋。我们所拍的录像和照片,有建于三十多年前的粉煤灰砖建筑,如今仍完好.(如图6)
 
    
 
(图5)某地1981年建成的库房                  (图6)建于70年代初的某地职工宿舍
  笔者和他人合作生产的常压养护粉煤灰渣砖某地1982年建成的住宅楼(如图8)某地1983年建成的党校机关楼(如图9).某地1981年建成的办公楼正面贴瓷砖,三面为清水墙体(如图10).
 
(图7)建于1981年的某建材厂生产车间          (图9)某地1983年建成的党校机关楼
(图8)某地1982年建成的住宅楼                      (图10)某地1981年建成的办公楼
                             正面贴瓷砖,三面为清水墙体
建于1998年的河北某钢厂薄板车间,高19米,清水墙(如图11)
建于1982年的某地厂房勒脚部位(如图12)
建于1981年的某地办公楼勒脚部位(如图13)
 
 
 
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