固体废弃物制备蒸压加气混凝土的研究进展

蒸压加气混凝土(Autoclaved Aerated Concrete，简称AAC)是在硅质原料和钙质原料的配料中加入铝粉(膏)作发气剂，经加水搅拌、浇注成型、发气膨胀、预养切割，再经高压蒸汽养护而成的多孔硅酸盐材料。其体积密度为300～800 kg/m³，是红砖的1/3;导热系数为0.09～0.22 W/(m˙K)，仅为红砖的l/4～1/5。因其具有轻质、保温、隔热、吸声、防火、可加工等性能特点，被广泛应用于工业与民用建筑，成为一种节能环保的新型建筑材料。尤其是，蒸压加气混凝土可大量应用固体废弃物作硅质原料，顺应当今社会节能环保及循环经济的发展趋势，因而倍受关注。

随着我国工业化、城镇化建设的迅速发展，一方面固体废弃物大量排放和堆存占用宝贵土地，污染环境和危害人体健康：另一方面城乡建设发展对建材产品需求急剧增加，资源环境的约束矛盾日益突出。2011年，国家发展改革委出台的《“十二五”墙体材料革新指导意见》，明确指出了墙体材料革新重点工作：“实施利废新型墙体材料示范工程，推进大宗固体废弃物综合利用示范基地建设，通过技术研发，支持企业利用建筑废弃物、城市污泥、尾矿、磷石膏等固体废弃物生产新型墙体材料，提高综合利用效率。国家墙改政策提出到2015年，城镇新建建筑执行不低于65%的建筑节能标准，城镇新建建筑95%达到建筑节能强制性标准的要求。

毋庸置疑，保护环境与节约资源已成为基本国策，建筑节能是大势所趋，绿色环保型建筑材料的研发及推广应用成为实现建筑节能的关键。本文综述了利用固体废弃物制备蒸压加气混凝土墙体材料的研究进展，重点阐述了粉煤灰、石英尾砂和尾矿渣的特点及其材料化技术方法，并对当前研究中存在的问题及将来的发展方向进行探讨。

1 不同材质的加气混凝土

本质上讲，蒸压加气混凝土是由铝粉在料浆中发气、并在硬化过程中固定而形成气孔结构;由CaO与Si02在水热条件下反应生成水化硅酸钙(主要为CSH(I)胶凝、水石榴子石和托勃莫来石)，并与尚未反应的材料颗粒结合在一起，构成混凝土的整体强度。通常，CaO由石灰、水泥等提供，Si02则由硅质原料提供。一直以来，利用富硅固体废弃物制备加气混凝土的研究，主要集中在粉煤灰、石英尾砂和尾矿渣等方面。

1.1 粉煤灰加气混凝土

早在1958年，我国就开始研究蒸养粉煤灰加气混凝土。经过长期的探索和实践，已形成了较为成熟的制备技术。一般而言，Si02含量≥40%，粒度在180目(80 μm方孔筛筛余≤25%)左右的粉煤灰皆可用于生产蒸压加气混凝土制品。

目前，大量生产和应用的粉煤灰加气混凝土主要为B05-B07级的制品，其干容重较大(>500 kg/m³)，抗压强度较低(≥2.5MPa)，导热系数较高(≥0.14W(m˙K))，且存在抗冻融性较差、碳化能力低、砌墙易开裂等问题。因此，近年来的研究主要侧重于性能改良和强度高、容重小的加气混凝土制品开发。王立刚研究组尝试利用超细粉煤灰(5~15 um)制各加气混凝土，发现超细灰对加气混凝土有明显的增强效应。但由于超细灰粒径小，比表面积大，颗粒填充效应增强，使得制品孔隙率下降，容重增大;且由于其活性较原状灰高，使得料浆稠化快，浇注稳定性变差。杜传伟等人探讨了通过添加物理泡沫和促凝剂来改善孔结构，并通过增加水泥用量提高制品强度。结果表明，由于加入的泡沫在搅拌制浆过程中易被破坏，对孔结构和制品的强度的改良作用不明显。M.Serhat BaspinarE等人研究了水泥对制品性能的影响，发现降低水泥掺量反而可以提高制品的抗压强度。原因在于水泥掺量较高时，早期水化反应中会形成大量的钙矾石相;虽然钙矾石相有益于提高坯体的早期强度，但会造成制品开裂，降低了其耐久性。他们通过添加硅粉来抑制钙矾石相的形成，一定程度上改善了水化反应条件，提高了制品的强度，但却使制品的容重大幅增加。郑怀林等通过添加多种外加剂，并精确控制工艺参数，研发出B03级粉煤灰加气混凝土保温砌块。但其绝干抗压强度仅有O.89 MPa(国标要求为1.0 MPa)，实际应用价值不大。

总起来讲，粉煤灰加气混凝土的研究未出现突破性进展，尤其对起始物的反应机制及制品的物相、结构与性能的关系等基础问题缺乏深入研究。

1.2 石英尾砂加气混凝土

石英尾砂是玻璃生产过程中经粉碎筛选后产生的大量废弃物，主要为结晶质石英，Si02含量达90%以上，经处理后可作为加气混凝土的硅质原料。由此既拓宽了制备加气混凝土的原料选择范围，又可解决其造成的污染问题。

汪洋等人将石英尾砂细度控制在0.08 mm筛筛余12%作为制备加气砌块的主要原料，研究了钙质材料(石灰、水泥)用量对制品性能的影响，发现钙质材料添加量过少，生成的水化产物量不足，残余Si02过多，制品强度低;钙质材料添加量过多，Ca过量，在碱性环境下易生成强度低的高碱水化物。通过实验，在钙质材料添加量为39%(水泥6%，石灰33%)时，制备出干容重为523 kg/m³的样品，其抗压强度达3.9 MPa，干燥收缩(快速法)0.7mm/m。王长龙等人研究了石英尾砂的细度对料浆稳定性和制品性能的影响。结果表明，尾砂太粗，料浆流动性差，浇注后料浆易沉析导致塌模;提高尾砂的细度，可增加其比表面积，提高反应活性;但若颗粒太细，料浆稠化快，发气受阻，易产生憋气，使制品出现裂纹，孔隙率下降，容重增大。通过实验，将石英尾砂粉磨至比表面积为321.57 ㎡/kg，制得的样品干容重为562kg/m³，抗压强度为4.34 MPa。由于石英尾砂易磨性差，晶体结构致密，水化反应活性低，导致尾砂有效利用率偏低。

l.3 尾矿质加气混凝土

随着社会对矿产资源的不断开发利用，矿山固体废弃物逐年增加，大量的含硅尾矿堆积如山，如铁尾矿、黄金尾矿、磷尾矿、铜尾矿、钨尾矿、铅锌尾矿等。目前，尾矿的处理主要是回收利用其有价组分，但这样并未减少尾矿的存量，其占用土地和污染环境等问题不能得到根治。利用富硅尾矿制备新型建筑材料，成为大量消纳尾矿的可行之路。

郑文新用化学方法对黄金尾矿进行预活化处理，激发其活性后作为硅质原料，制备出B06级加气混凝土材料。王长龙等人将低硅铁尾矿细磨至200目筛余7.3%，再添加部分高硅原料，制备了容重为637 kg/m³、抗压强度达4.31 MPa的加气砌块。钱嘉伟利用铜尾矿替代32%的硅砂制备B06级加气砌块。Huang等人尝试利用铜尾矿和水淬高炉矿渣制备蒸压加气混凝土，认为水淬渣的活性CaO含量较高，无需添加生石灰即可满足钙质的需求，由此可降低原料成本。但因其MgO含量过高且消化极慢，在坯体硬化或蒸压过程中持续水化反应，易造成体积膨胀而破坏。

由于大多数尾矿的颗粒较粗，且矿物组成复杂，SiO2以石英态产出的量较小，主要以化合物形式存在于各种矿物相中，因而反应活性较差。欲提高其反应活性，目前有效的方法是磨细或化学激活。这无疑会增加其利用的难度和成本，限制了尾矿质加气混凝土的规模化生产。因此，尾矿的低成本活化方法研究有待于加强。

2 问题及展望

加气混凝土业界存在着一个难以突破的瓶颈，即原料细度不能低于180目，这使得大量富硅质废渣微粉难于得以应用。因此，如何充分利用超细粉料无需细磨加工、比表面积大、反应活性高等特点，制备性能优良的轻质保温墙体材料成为亟待解决的难题。

原料与制品的关联性研究有待加强，尤其是根据固体废弃物的资源情况，因地制宜，开发新的制备技术方法，提高工业废渣的综合利用水平。在加气混凝土的硅质原料选择方面，一直是以SiO2的含量为标准。实际上，制品的性能取决于水化硅酸钙的形成，而原料中Si02的有效释放并与CaO发生化学反应是关键。因此，需要强化原料的结构及理化性质等基础研究，针对Si02的不同赋存状态，开发活性激发技术，以最大限度的利用低硅固体废弃物资源。

随着“十二五”时期工业化、城镇化进程加快，大宗固体废弃物产生和堆存占用大量土地，污染环境的问题日趋严重。同时，随着城乡建设的快速发展和现代建筑节能要求的不断提高，迫切需要开发超轻质、高强度、耐久性好，保温性能优良，能够适应外墙自保温一体化工程需要的新型加气混凝土墙体材料。因此，利用固体废弃物制备节能型建筑材料的研发及推广应用将成为重点领域。

原标题：固体废弃物制备蒸压加气混凝土的研究进展