爱华网1. 在高压蒸汽养护条件下粉煤灰的水化反应
1.1 粉煤灰的水化反应
（1）粉煤灰属于火山灰质材料，其活性成分都是黏土质矿物在高温下形成的铝硅酸盐类无定形物质，即玻璃体中可溶性的氧化硅和氧化铝。它们在石灰和石膏存在的条件下经水热处理，经一系列物理，化学反应，生成胶状，丝状，纤维状和针叶状水化硅酸钙。这类水化产物相互交织连生，并以反应的玻璃体为骨架黏结在一起形成合生体，使制品具有强度和其他力学性能。
（2）石灰的掺量除了影响水化产物的数量外，还直接影响到产物的相组成。不论是蒸压或蒸养，对提高强度起主要作用的都是水化硅酸钙。随着石灰掺量的增加，存在着一个强度的最佳值，也就是石灰掺量的最佳值，大于这个最佳值或小于此最佳值，强度都偏低，我们称此最佳掺量为临界最佳掺量。对于不同品质的粉煤灰，这个最佳掺量是不同的。当处于临界掺量是时，水化产物是处于多相平衡的状态，如在蒸压条件下，托勃莫来石，CSH(I)，水化石榴子石等也是同时存在并具有适当的比例而平衡存在，使制品具有良好的综合性能。如果石灰掺量低于临界掺量，即使有蒸压条件，也不能生成结晶良好的托勃莫来石和水化石榴子石。制品中有托钵莫来石晶相很重要，它不仅可提高强度，而且对抵抗收缩和提高抗碳化性能非常有利。因此，粉煤灰制品中控制石灰的掺量是非常重要的。
（3）在一定范围内提高石灰掺量（有效氧化钙为20%），对形成托勃莫来石和水化石榴子石有利，但在水固比太低的情况下提高石灰掺量，反而不利于托勃莫来石的形成。
1.2 在高压蒸汽养护条件下粉煤灰的理化性能对粉煤灰水化反应的影响
蒸压粉煤灰硅酸盐制品与蒸养，免烧制品相比，有许多独特的优点，特别是在综合耐久性方面，是蒸养制品及免烧制品不可比拟的。粉煤灰在蒸压工艺条件下，与氧化钙，生石膏反应生成强度较高，结晶较稳定的水化硅酸钙系列矿物，主要以托勃莫来石晶相存在，并生成抗碳化性能较好的水化石榴子石，以使其制品有独特的优越性。
1.2.1 粉煤灰化学组成对水化的影响
在高温，高压气氛中，粉煤灰颗粒含有的活性氧化硅的三种形态全部都可以参加水化反应，与制品的强度呈显著正相关趋势。此种气氛对二氧化硅-氧化镁-水系统水化产物的生成是有利的，所以氧化镁的含量适当高一点对制品的强度有利。K2O,Na2O的作用与在蒸养条件下相同，只是它们的催化作用更为强烈。但MgO,K2O和Na2O的含量不能太多，否则将导致制品的开裂。在高温，高压气氛中，粉煤灰中所含有的三氧化二铝成分大多参与CaO-Al2O3-CaSO4-H2O系统水化反应，并直接生成水化石榴子石。虽然对制品的近期强度不起大的作用，但是对提高制品后期强度及综合耐久性极为有利。
水化产物的种类和量与粉煤灰玻璃体的化学组成有密切关系，粉煤灰玻璃体中SiO2/Al2O3比值小，产物中除水化硅酸钙等以外，有较多的水化石榴子石生成。随着SiO2/Al2O3比值的增大，水化硅酸钙数量增多，水化石榴子石的含量减少，但试件的强度是随着SiO2/Al2O3比值的增大而增大的。
粉煤灰化学组成中CaO的含量非常重要，无论在何种养护工艺条件下，CaO都是粉煤灰活性的重要来源之一，并对提高制品强度有重要作用。
1.2.2 粉煤灰物理性能对水化的影响
比表面积大，密度大，小颗粒组分多的粉煤灰，制品强度高。另外，粉煤灰本身的表观密度，孔隙率等因素直接影响其制品的表观密度及密实程度，因而与制品强度发展有密切关系
1.2.3 粉煤灰显微结构对水化的影响
经化学组分测定可知，小颗粒中所含硅，铝，钙的比例较高。粉煤灰中含钙量很低，而这些少量的钙主要富集在小颗粒玻璃微珠之中。经显微观察亦可知，粉煤灰水化产物首先在小颗粒玻璃微珠的周围生成，较好的晶体也逐渐在此周围长大。另一方面，玻璃微珠含量高的粉煤灰制品成型水分低，制品的致密度高，所以强度也高些。粉煤灰的显微结构与制品的相关性，严格地讲，是与组成粉煤灰基本结构单元硅氧四面体，铝氧三角体的聚合度密切相关。硅氧四面体，铝氧三角体的链状结构或网络结构聚合程度高的粉煤灰制品强度低，聚合程度低的粉煤灰制品强度高，所以激发粉煤灰活性一般是从降低聚合度着手。蒸压养护条件下，由于温度较高，极少量的活性激发剂就能对粉煤灰活性产生很好的激发效果，常用激发剂是碱，强碱弱酸的盐类或硫酸盐等。
1.2.4 粉煤灰的矿物组成对水化的影响
蒸压养护条件下的粉煤灰硅酸盐制品是在高温，高压的气氛中制成，粉煤灰所含的矿物质除碳以外，均参与水化反应，所以粉煤灰的矿物组成与其强度密切相关。石英含量，玻璃体含量与制品强度发展呈正相关趋势。研究证明，氧化硅的三种存在状态都不同程度的被高温，高压条件激发，发挥了活性，可以很快地与石灰进行水化反应。莫来石可以直接水化成CaO-Al2O3-SiO2-H2O系列水化产物，如水化石榴子石。但是粉煤灰的矿物组成与制品强度之间不一定完全正相关，因为晶体成分多了必定使玻璃体含量降低，而玻璃体才是制品强度的主要来源。
在蒸压条件下，由于粉煤灰能在高温，高压蒸汽中与氧化钙，生石膏等物质发生水热反应，生成强度较高且稳定性能较好的托勃莫来石以及生成抗碳化性能较好的水化石榴子石（其制品具有独特的良好性能），同时也使粉煤灰的活性得到充分发挥。因此，粉煤灰的化学组成对水化的影响最为显著。硅质含量越高，活性发挥越好，而其物理性能已不十分明显。显微结构仍对水化影响很大，小颗粒玻璃微珠含量愈多，活性发挥的愈好，这已被试验研究及工程实践所证实。
2. 粉煤灰硅酸盐制品的耐久性
实践表明，大多数粉煤灰硅酸盐制品建筑物和结构的破坏不是由材料强度不足引起的，而是由材料耐久性不足所致，通常所说的硅酸盐制品的耐久性，主要有碳化稳定性和抗冻性等。
2.1 粉煤灰硅酸盐制品的碳化稳定性
暴露于大气中的粉煤灰硅酸盐材料，经常受到空气中的碳酸气的作用而发生碳化，导致硅酸盐材料结构和物理力学性质的变化。
在粉煤灰硅酸盐制品中，除了生成水化硅酸钙胶凝物质外，还将形成水化石榴子石，三硫型硫铝酸钙，单硫型硫铝酸钙等水化产物。这类制品的抗碳化性能不仅取决于材料中所形成的水化硅酸钙，也取决于其他水化产物的碳化稳定性。水化石榴子石的抗碳化性能良好，其碳化速度极慢。三硫型硫铝酸钙的抗碳化性能较差，碳化速度较快，碳化后密实度减小，强度急剧降低。单硫型硅铝酸钙则相反，碳化后密实度增加，强度大幅度提高。
为了改善粉煤灰硅酸盐制品的碳化稳定性，可采取如下措施：
（1） 适当提高混合料中活性石灰的用量，酌情减少石膏的掺量，以利于提高水化硅酸钙的碱度和造成生成单硫型硫铝酸钙的条件。
（2）采用蒸压处理（压力一般不低于0.785MPa，相应的温度为174.5℃以上），以提高水化硅酸钙的结晶度，此外，蒸压处理可使水化石榴子石的SiO2含量增加，促进抗碳化性能良好的水化石榴子石生成。
（3）提高制品的密实度，降低碳酸气与制品的相互作用。应该注意的是，尽管双碱水化硅酸钙和单硫型铝酸钙的抗碳化性能良好，碳化后的强度急剧增加，但是,它们碳化前的强度却相应地大大低于低碱水化硅酸钙和三硫型硫铝酸钙碳化前的强度。因此，应根据制品的碳化稳定性和强度指标综合考虑来调整混合料的配合比。
2.2 粉煤灰硅酸盐制品的抗冻性
在粉煤灰硅酸盐制品中常常掺入石膏作为激发剂，可形成钙矾石（三硫型硫铝酸钙，单硫型硫铝酸钙等水化产物的总称）具有良好的物理力学性能，能够使制品产生微膨胀，若数量过多，则能使制品崩裂而损坏。因此，在粉煤灰硅酸盐制品中掺入石膏，其抗冻性一般比不惨石膏的低，所以在生产有抗冻性要求的粉煤灰硅酸盐制品时，应严格控制石膏的掺量。
改善制品结构的途径在于降低混合料的含水量，同时采用相应的成型方法使之充分密实。此外，制品的密实度和强度增加，而孔隙和毛细管减少，抗冻性提高。除了提高密实度外，提高制品的强度是保证高抗冻性的基础。
水化硅酸钙的单体研究表明：抗冻性依C2SH(A)-C3SH(C)-硬硅钙石-托勃莫来石-CSH(B)的顺序降低。因此，从提高粉煤灰硅酸盐制品的抗冻性出发，不但要求含有低碱性水化硅酸钙，以保证混凝土的强度，而且要求含有高碱性的水化物，以提高粉煤灰硅酸盐混凝土的抗冻性。
3. 原料及其配比与蒸压粉煤灰砖的耐久性能
蒸压粉煤灰砖是以粉煤灰，石灰，石膏以及细集料（煤渣，其他工业废渣或砂）为原料，按一定比例配合，经搅拌，沉化，轮碾，压制成型，经高压蒸汽养护制成。耐久性受到多种因素的制约，所用原材料性能及其配比对此有重要影响。
3.1原料与蒸压粉煤灰砖的性能
3.1.1 粉煤灰的细度和含碳量
由上可知，粉煤灰的化学组成对粉煤灰的水化反应有着重要影响，从而影响蒸压粉煤灰砖的强度和耐久性。粉煤灰的细度和含碳量不仅影响粉煤灰的水化反应，而且对蒸压粉煤灰砖的密实度有着重要影响，细度愈小，含碳量愈低，砖越密实，砖的强度愈高，耐久性愈好。
生产高质量的蒸压粉煤灰砖，其所用粉煤灰的质量应符合行业标准JC409《硅酸盐制品用粉煤灰》规定的Ⅰ，Ⅱ级灰的要求，其中烧失量越低越好，以利于提高制品的耐久性。
3.1.2 石灰
生产蒸压粉煤灰砖宜采用生石灰。生石灰作为主要的钙质材料，在高温水化反应中与粉煤灰中的二氧化硅和三氧化二铝反应生成水化硅酸盐和水化铝酸盐，从而使制品具有强度，因此生石灰掺量对制品性能有重要影响。
粉煤灰砖中的石灰用量是以活性氧化钙含量计算的，生石灰应尽可能采用活性氧化钙含量高，消化速度快，消化温度高的正火新鲜生石灰。采用活性氧化钙含量高的石灰，可减少石灰在制品中的用量，从而降低成本，而且还可以提高砖的强度和其他性能。石灰消化速度快，可缩短混合料消化工序周期，提高生产效率。消化温度高则有利于砖坯在养护前初始强度的提高。
3.1.3 石膏
石膏作为粉煤灰砖的工艺过程调节剂和活性激发剂，在制品中主要起调凝和增强作用。石膏掺量多时，可抑制生石灰的消解，延缓砖坯的凝结速度;适量时，可加速水化反应，提高早起强度，特别是抗折强度，还可减少砖坯的收缩开裂。
3.1.4 细集料
细集料即粉煤灰砖中的骨料，其种类和掺量对砖的强度和收缩值有直接影响。可采用工业废渣，砂以及细石粉等。本文仅就煤渣对砖的影响进行讨论。
在蒸压粉煤灰砖中，煤渣作为调整级配料的粗颗粒，要求粉料少（小于1.2mm的颗粒不大于25%，且大于5mm-10mm的应小于15%），具有一定的颗粒强度，安定性良好，一般要求煤渣的烧失量小于20%即可。笔者认为，这样不利于提高蒸压粉煤灰砖的耐久性。无论是粉煤灰还是煤渣，烧失量实际反映的是未燃尽碳的含量，未燃尽的碳是以焦炭形式存在，其体积比较安定，属多孔颗粒，密度小。如果含量高，不仅使混合料的需水量增加，密实度降低，而且会吸收过多的分化产物，对水化反应不利，还会是制品的吸水率增加，从而对制品的耐久性造成不良影响。为提高制品在严寒地区使用的耐久性，降低煤渣烧失量的限值是非常必要的，应以不超过10%为宜。
3.2 原料配合比与蒸压粉煤灰砖的性能
蒸压粉煤灰砖的各项性能指标，都取决于原材料中各种成分相互反应的水化产物及组成的结构，因而在一定工艺条件下，配合比在保证产品性能方面起着关键作用。
3.2.1 石灰掺量
混合料的活性石灰用量对硅酸盐制品的强度影响很大，如前述，在粉煤灰砖的混合料中，存在一个最佳的活性CaO含量，如果活性CaO含量不足时，水化产物数量少，产品强度低，碳化后强度降低比例大（碳化系数小），其他性能也难保证，如果活性CaO过量，强度却不显著增加，而且蒸汽养护中易于产生体积膨胀，产品尺寸偏差大，发生微裂纹等缺陷，此种情况下，强度反而降低。对于不同品质的粉煤灰，最佳活性CaO掺量及对强度影响的具体数值不同，但其与强度之间的关系曲线是相似的，呈抛物线关系。
从一些资料给出的曲线和数值看，最佳活性CaO的含量范围为8%--11%（粉煤灰颗粒粗时取上限，颗粒细时取下限）。确切的数值应根据所采用的粉煤灰和石灰质量实际情况，通过实验确定。
蒸压粉煤灰砖的配合比中，石灰掺量根据上述活性CaO的最佳含量取值范围选定混合料中所需活性CaO含量，以下式计算：
石灰掺量=（混合料中所需活性CaO含量÷所用石灰中活性CaO含量）×100%
粉煤灰掺量（%）100%-石灰掺量
3.2.2 石膏掺量
配料中是否掺入石膏，应根据试验决定，在所确定的工艺条件下，如果砖可以达到预期的强度（包括抗压和抗折强度）要求，则可以不掺石膏。
蒸压粉煤灰砖的石膏掺量以控制在1%-2%（外掺）为宜。掺量过多，并不能有效提高强度，反而对砖的碳化稳定性和抗冻性产生不利影响。
如上所述，在粉煤灰硅酸盐制品中掺入石膏的抗冻性比不掺的低，因此，生产在严寒地区应用的蒸压粉煤灰砖，应严格控制石膏的掺量，尽量不掺或少掺。
3.2.3 煤渣（或其他细集料）掺量
混合料中应掺入足够的煤渣等集料，以增加透气性，使得砖坯在压制时避免产生分层裂缝。蒸压粉煤灰砖中的煤渣（或其他细集料）是为补充粉煤灰中粗颗粒的不足而加入的。因而，其掺量可控制在12%-28%，并应以组成最佳颗粒级配位目标加以确定。
3.2.4 成型含水量
成型含水量是影响蒸压粉煤灰砖产品质量和成型工艺的重要因素。含税量应保证在工艺过程中消化和形成水化产物的需要，还需保证成型时和易性良好。含水量与成型制品的密实度有直接关系，如果含水量过少，因和易性不好而不能被充分压实，制品强度将因密度差而降低；如果含水量过高，在硅酸盐石中的微孔微管等孔隙体积将增多，制品的密实度也同样低，其强度也低。另外，水分过少会产生砖坯过厚，易产生层裂，这些都影响砖的外观和质量。
成型含水量应在19%-23%，最佳含水量可通过实验确定，尽量降低成型含水量是改善制品结构的有效途径，同时采用相应的成型方法使之充分密实，可使制品的密实度和强度增加，从而减少孔隙和毛细管，提高耐久性。
摘自中国知网
