蒸压加气混凝土养护中膨胀的探讨

2017
年第1期
墙材网
2017.1
蒸压加气混凝土养护中膨胀的探讨
王刘方（江苏
宿迁，泗洪
223900）
摘要：加气混凝土在蒸压养护后出现体积发生变化，困扰着很多工艺员，通过介绍水化反应过程解释这一现象，并得出，坯体硬化后，石灰进行剧烈的水化反应，导致膨胀。

关键词：蒸压加气混凝土；膨胀；水化反应；尺寸变化
Abstract ：Aerated concrete dimension changes in the autoclave curing which plagued by many technicians.This pa⁃per draws the hydration process to explain this phenomenon,and concludes that after the body is hardened,lime re⁃acts hydration,resulting in expansion
Key Words ：autoclaved aerated concrete,expansion,hydration reaction,dimensional change
WANG Liu-fang
加气混凝土在蒸压养护之后，发生膨胀，甚至长度增长2cm ，尤其是砖的两端和坯体的顶部，膨胀幅度最大。

阎志光在《对制品在蒸压养护中发生膨胀的理解》一文中，提到过如下两个现象：
例一：石灰偏老，在料浆已经稠化之后，却突然剧烈冒泡、下陷、又膨胀。

有的还能恢复到切割高度，但坯体表面出裂纹。

蒸压养护后制品在60cm 方向上增长2mm~3mm ；例二：消解时间25min~27min 的石灰，在釜外停留期间，不膨胀。

如果切割完毕后立刻进釜，膨胀就多些，大于10mm ，进入蒸压釜预养时间长些，膨胀就少些，小于10mm 。

阎志光的见解和笔者不同。

对于这个现象，我们可以从袁润章的《胶凝材料学》找到答案。

1石灰造成试件体积膨胀的原理分析
某条件下测试，石灰和水进行化学反应时，其固相的绝对体积反应后比反应前增加了97.92％。

但是，就石灰—水系统来说，反应后的总体积不仅没有增加，反而减少了4.54%。

事实上，所有的胶凝材料(包括石灰，水泥、石膏等)，和水进行化学反应时，都产生了化学减缩。

水化过程中，石灰—水系统绝对体积是缩小了，但固体的绝对体积增大了。

理论上石灰—水系统的体积是收缩的，但混凝土
外观体积增大，有试验测定了磨细生石灰试件膨胀率
达44％。

产生如此显著的体积增大的原因可从两个观点加以分析。

1.1从水化过程中物质的转移观点分析
当石灰与水拌和后，立即发生两类物质的转移过程。

一是水分子（或OH -）进入石灰粒子内部，并与之生成水化产物；二是水化反应产物向原来充水空间转移。

如果两者相适应，即水化速度与水化产物转移速度相适应时，石灰—水系统的体积不会发生膨胀。

但是，由于石灰的结构特性，即内比表面积大，水化速率很快，且常大于水化产物的转移速率，这时，由于石灰粒子周围的反应产物还没有转移，而里面的反应产物又大量地产生了，这些新的反应产物，将冲破原来的反应层，使粒子产生机械跳跃，因而使得试件膨胀，甚至使石灰浆体散裂成粉末（低水灰比水化时）。

按照这种观点，则欲控制石灰水化时体积增大的措施是降低水化反应速度，或是增大反应产物的转移速度，使二者相适应。

其具体养护过程微观示意如图1所示。

砌块与墙板
本栏编辑：马岸奇
中图分类号：TU522.3+2
文献标识码：A
文章编号：1001-6945
（2017）01-0050-03
图1蒸压过程微观示意图
Discussion on expansion of aerated concrete products during autoclave curing
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假设图示A 为进入蒸压釜时候石灰，硅质材料状态示意图，如果石灰消解过于急剧，石灰颗粒附近液相水化物迅速达到过饱和状态，则水化物来不及转移，就在石灰颗粒附近结晶，形成结晶压力，图示B ，而若消解速度平缓，石灰颗粒附近的液相达到过饱和速度比较慢，水化物有足够的时间进行转移，则可能在离石灰颗粒较远的区域结晶，形成图C 状态，因此，不难理解，图B 产生的体积增长要大于图C 。

1.2从孔隙体积增量观点分析
孔隙体积增量效应如图2所示。

小球为固相最初体积；大球为固相最终体积；小球之间的间隔为孔隙的最初体积；画有斜线的部分—孔隙的体积增量；包括斜线部分的球之间的间隔—孔隙的最终体积。

固相体积的增加引起孔隙体积的增加可用简单
的几何模型来加以近似的说明。

B.B.奥新认为，固相体积增加包括两个因素，一个因素是指CaO 与H 2O 反应时候，生成Ca(OH)2的固相体积要比CaO 的固相体积大97.92％，另一个因素指石灰水化过程中，石灰粒子分散，比表面积增大，这时，在分散粒子的表面上吸附水分子，它具有某种固体性质，被吸附的水分子也看作固相体积的增加，固相体积的增加就是这两者的总和。

假定石灰粒子水化前后均为球形粒子，图示中看，当石灰水化时，固相体积增大，必然会引起孔隙的增大，固相体积和孔隙体积增量之和就可能超过石灰—水系统的空间，从而引起石灰浆体的体积的增大。

1.3总结
1.1观点与1.2观点不矛盾，因为水化反应速度越快，水化物向充水空间迁移机会越少，球就越大，大球占据的空间越大，孔隙的最终体积也越大。

如果水化物生成速度和水化物迁移速度一致，水化物逐步向原有的充水空间（孔隙）中迁移，石灰-水体系并不膨胀。

因此对于加气混凝土而言，石灰水化物生成速度大于水化物迁移速度的时候，才会产生膨胀，水化速度越快，膨胀越大。

2推断
石灰水化反应速度随着水化温度的提高而显著增加。

在0℃～100℃的范围内进行的试验表明，温度每升高10℃，其消化速度增加1倍，即当反应温度由20℃提高到100℃时，石灰的水化反应速率加快2256倍。

要使水化物生成的速度大于水化物迁移的速度，石灰消解就必须达到某一速率，需要达到某个特定温度，假设称为起点温度，快速石灰亚稳的假晶多，活性大，起点温度很低，而过烧石灰需要比较高的温度才能实现，烧结越严重，起点温度越高。

3对蒸压产生膨胀的探讨3.1案例一分析
当石灰比较老的时候，消解速度比较慢，完成稠化之后，继续消解，由于稠化后温度提高，加速了老灰的消解，使后期氢气热膨胀值大，部分气泡穿孔，形成冒泡后下沉，当坯体稠化后，石灰继续大量消解，温度迅速提高，氢气产生膨胀，所以冒泡后反而会膨胀长高。

3.2案例二分析
对于过老的石灰，静停完成后还有大量的石灰没有消解，切割温度虽然比较高，但对于过老的石灰而言，静停期间的温度远低于起点温度，并不能让其快速消解，切割后室外静停期间，水化的速度和转移的速度相适应，膨胀不明显，同时水分蒸发，以及热量损失造成温度降低，水化慢，尺寸未见变化。

放入蒸压釜中立刻升压，由于蒸汽温度很高，加速了石灰水化反应速度，达到起点温度之后，水化反应剧烈进行，此时水化生成物转移速度滞后于水化物生成速度，粒子机械跳跃，形成大的结晶压力，造成膨胀。

而放入蒸压釜中一段时间后升压，在狭小的空间内，水分损失和热量损失要小，且釜内温度比室外高很多，虽然达不到起点温度，但水化反应速度要比放在室外快得多，石灰产生大量消解，等到升压的时候，所剩余的未水化的CaO 相对较少，所以膨胀的幅度要小于未在蒸压釜中静停的坯体。

3.3砌块的两端和坯体的顶部膨胀幅度最大的原因分析
浇注完成后在育养室静停期间，坯体各个部分温度是不均匀的，坯体四周和环境或模框接触，热量损
失大，切割之后，两端损失热量和水份最多，所以，越
图2孔隙体积增量效应
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靠近端部和外部，水化反应速度越慢，剩余未水化的CaO 越多，当进入蒸压釜升压之后，蒸汽温度很高，率先和坯体外部接触，且两端和顶部由于受热面多，因此含水率和温度增幅远大于内部，形成剧烈的水化反应，产生比较大的膨胀。

而内部，由于温度升高大幅度滞后于外部，温升速度比较慢，因此，水化反应剧烈程度要远低于端部，因此膨胀幅度要小。

类似，蒸压釜由于釜底空气和冷凝水较多，顶部温度和向坯体传热速率都要高于底部，因此坯体顶部膨胀明显，这恰好证明，尺寸变形的是温升过快造成的。

3.4总结
石灰消解时间不同，发生膨胀发生的时间段不同：
①石灰活性较好，速度合适，起点温度低，快速消解发生在料浆失去流动性之前，后期不发生剧烈水化反应，石灰膨胀对生产不构成影响；②石灰活性较低，起点温度增加，发生快速消解时间会推迟，可能会在在硬化后发生急剧消解，表现出对坯体施加结晶应力，同时造成坯体剧烈失水，塑性变差，切割时候就容易斜裂；③如果石灰活性更低，起点温度进一步增加，发生快速消解时间进一步推迟，切割时候不发生裂缝，切割后继续消解，产生膨胀，而外表水分和热量损失，产生收缩，表现是切割完成后，过一段时间，砖外表出现裂纹，石灰有效钙高，用量大时候容易出现；④石灰消解时间过长（如上述25min~27min ），石灰中烧结部分多，起点温度更高，在蒸压釜中才开始急剧消解，引起坯体尺寸变形。

因此，产生尺寸变形，必须具备两个条件，一个是石灰活性较低，起点温度较高，坯体进入蒸压釜仍然有较多石灰的没有消解结束，另一个是条件是升温速度剧烈，使短期温度有较大增长，从而产生剧烈消解，产生水化物来不及迁移就在石灰颗粒附近达到过饱和，结晶析出。

那么，在加气混凝土生产过程中，石灰中过烧的成分不能过多。

否则，一旦硬化之后超过起点温度值，就会形成质量问题。

笔者曾经使用某地石灰，有效钙很高，石灰比较老，在浇注温度44℃情况下，80℃之前升温速度合理，超过80℃后，升温明显加速，仅5min 时间，坯体由84℃温度上升超过90℃，稍有耽搁，坯体明显失水，塑性变得很差，坯体切割时候出现大量的斜裂。

如果石灰中含有氧化镁，由于氧化镁处于过烧状
态，即使石灰速度比较合适，也可能发生上述情况。

我们最常见到产生尺寸变形的就是氧化镁含量超标。

4改善方法措施
a.将石灰磨细：试验表明，石灰磨得愈细，消化时的体积变化就愈小。

因为分散度愈大，物质转移在整个体积内就愈均匀，同时所引起的孔隙体积增量也就愈小。

而且细度大，比表面积也大，可以让比较老的石灰提前水化，使水化不至于集中在某个时段，造成膨胀。

b.水料比和温度：随着水料比增大，加快了水化生成物的转移速度，石灰在其水化期的膨胀值减少。

浇注温度提高时候，石灰反应速度加快，加速老灰的消解速度。

这两种方法，会对浇注产生其他影响。

c.石灰中掺5%左右的石膏，对于石灰消化时的体积变化，在任何水灰比及介质温度下，都将使其膨胀值显著减小。

一方面是由于它是一种石灰水化抑制剂，可以延缓石灰的水化速率，不至于发生过于剧烈的反应，从而使石灰水化速率与水化产物转移速率相适应；另一方面，由于石膏的存在，压缩了石灰水化时吸附水扩散层的厚度，从而减少了孔隙体积增量。

d.升温速度：对生产而言，前三项都有一定的困难，石灰磨过细需要消耗过大的电能，水料比，温度和石膏掺量受到工艺要求限制，因此不可以做太大的改变，那么，控制好升温速度是付出成本最低的办法，平缓升温，特别是进入蒸压釜的初期，升温速度放慢，避免温度急剧升高，可以有效解决体积增加问题，原理不复杂，就是避免入釜后石灰急剧消解产生粒子机械跳跃，从而避免了体积膨胀变形。

笔者经验看，即使是中速灰，升温过快，也可以产生体积变形。

参考文献：
[1]阎志光.对制品在蒸压养护中发生膨胀的理解
[J].加气混凝土，2006（4）：17-17.
[2]袁润章.胶凝材料学（第二版）[M].武汉：武汉
理工大学出版社，1996.
[3]吴卫国.石灰品质在加气混凝土生产中的影响
作用[J]，砖瓦，2012(4):21-23.
[4]唐明阳.粉煤灰蒸压加气混凝土坯体开裂的原
因及解决方法[J].砖瓦，2015(5):43-44.
收稿日期：2016-12-12
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