造纸白泥是制浆造纸行业中碱回收工艺产生的副产物，主要成分是碳酸钙，被认为是一种固体废弃物。按照我国造纸行业碱回收产能现状，每生产1 t纸或浆，平均会产生0.5 t的造纸白泥，白泥产量巨大［3-4］。因此，如果能合理利用白泥，不但解决了环境污染问题，而且可以大幅度降低企业的处治成本。吴倩倩等［5］利用造纸白泥加入少量氧化镁制成加镁白泥脱硫剂用于烟气脱硫；李莉［6］研究了造纸白泥对废水中氟、磷和阴离子染料的吸附性能。在建筑材料领域中，造纸白泥的应用更为广阔。傅其君等［7］利用造纸白泥代替生石灰生产水泥；Adesanya等［8］将造纸污泥与氢氧化钠进行预处理后，与高炉矿渣混合制备单组分地聚合物水泥；Goel等［9］利用造纸污泥与红土、冲积土混合制备烧制砖；刘来宝等［10］通过加入外加剂J，将造纸白泥制备成满足要求的新型墙体材料（造纸白泥砌墙砖），并研究了不同掺量造纸白泥对其物理性能的影响。
在资源环境可持续发展的背景下，“十四五”规划对我国经济高质量发展提出了全方位的要求。而在建材行业，发展装配式建筑是促进建筑业转型升级的重要手段之一，是推进我国住宅产业化发展的必由之路［11］。蒸压加气混凝土由于具有轻质、保温、隔热等优点，利用蒸压加气混凝土制备的蒸压加气混凝土板材在装配式建筑中有良好的发展前景［12］。因此，本课题组提出利用造纸白泥为原料，替代部分天然砂，开展利用造纸白泥制备蒸压加气混凝土的试验研究，为白泥的资源化利用以及废渣制备蒸压加气混凝土提供新思路。
1 实验部分
1.1 实验原料
造纸白泥的X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）图谱及氧化物含量见图1和表1，分析可知，白泥的主要成分为碳酸钙，含有少量的氧化钾和氧化钠；水泥采用P.O42.5水泥；石灰采用有效钙质量分数为78%的生石灰，满足JC/T 621—2009《硅酸盐建筑制品用生石灰》［13］的质量要求；石膏采用二水石膏；发气剂为工业铝粉，满足JC/T 407—2008《加气混凝土用铝粉膏》［14］要求；硅砂为石英砂，D50=40 μm，硅砂及硅灰的氧化物质量分数见表1。
<G:\武汉工程大学\2023\第2期\余泳幸-1.tif>[10 20 30 40 50 60 70 80
2θ / （°）][相对强度][1][1][1][1][1][1][1][1][1][1][1][1:CaCO3]
图1 造纸白泥的XRD图谱
Fig. 1 XRD pattern of papermaking white mud
1.2 实验方案
试验的配合比设计见表2，其中铝粉为外掺原料。在砂基的蒸压加气混凝土生产质量配合比（B0）的基础上，用20%、40%、60%质量分数的造纸白泥取代等质量的硅砂，研究造纸白泥掺量对蒸压加气混凝土强度与干密度的影响规律，配合比设计见表2；固定白泥的质量分数为40%，硅灰质量掺量取5%、10%、15%，等质量取代硅砂，对掺白泥蒸压加气混凝土（autoclaved aerated concrete mixed with white mud，MAAC）组成进行优化设计。
1.3 实验方案
（1）MAAC的制备。将白泥、水泥、硅砂、硅灰、石膏、铝粉等原料按配比混合均匀，加水后混合搅拌1.5~2.0 min，铝粉用少许水溶解后加入，搅拌40 s；浇筑于100 mm×100 mm×100 mm的模具中，并放入40 ℃的蒸汽养护箱中发气静停3~4 h后，切去发气产生的“面包头”；脱模后送入蒸压釜中蒸压养护（蒸压压力1.2 MPa，蒸压时间8 h），得到MAAC样品。
（2）MAAC的强度与干密度性能测试，依据GB/T 11969-2020《蒸压加气混凝土性能试验方法》［15］。
（3）利用XRD、傅里叶红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）以及热重-差示扫描量热法（thermo gravimetric-differential scanning calorimetry，TG-DSC）等分析MAAC的水化产物的种类。
2 结果与讨论
2.1 白泥掺入质量分数对MAAC抗压强度与干密度的影响
白泥掺入质量分数对MAAC抗压强度与干密度的影响如图2（a）所示。结果表明：砂基蒸压加气混凝土的抗压强度与干密度分别为5.33 MPa和627 kg/m3；随着白泥掺入质量分数增加，MAAC的干密度变化不显著，均在590~630 kg/m3之间，在B06等级范围内，可见造纸白泥对MAAC的干密度影响较小。而MAAC制品的抗压强度变化明显，当白泥掺入质量分数为40%时，制品抗压强度降至3.07 MPa；当白泥掺入质量分数达到60%时，MAAC的制品抗压强度仅有1.20 MPa。尾矿渣、粉煤灰等固废中含有二氧化硅，在蒸压过程中能与氧化钙反应，因此在高掺量替代时，能为抗压强度提供一定的贡献［16］；而白泥的主要成分是碳酸钙，在蒸压过程中难以反应生成胶凝产物，白泥掺量提升替代砂的过程中，体系中能产生蒸压反应的硅质材料减少，因此白泥掺量提升会导致制品抗压强度显著下降。
2.2 硅灰掺入质量分数对MAAC抗压强度与干密度的影响
为保证造纸白泥的高掺量使用，需要对MAAC中能产生胶凝产物的硅质材料进行优化设计。本文在白泥质量掺量为40%时，研究硅灰掺入质量分数对MAAC抗压强度与干密度的影响，试验结果见图2（b）。研究结果表明：随着硅灰掺入质量分数的增加，MAAC的干密度变化不显著，在590~620 kg/m3范围内波动，在B06干密度等级范围内；当硅灰掺入质量分数为5%时，试件抗压强度达到3.47 MPa；当硅灰掺入质量分数为10%时，试件抗压强度3.87 MPa；当硅灰掺入质量分数为15%时，试件的抗压强度提高至4.25 MPa，强度提升明显。这是由于硅灰中SiO2的含量为93.18%，比硅砂中SiO2含量高；其次，硅砂中的SiO2以晶体为主，而硅灰中的SiO2以不定形态为主，在蒸压条件下，硅灰中SiO2能够生成更多的水化产物。当硅灰掺入质量分数为10%时，MAAC的抗压强度与干密度已经达到A3.5强度等级和B06干密度等级的要求，同时也能够满足蒸压加气混凝土板材的要求。
<G:\武汉工程大学\2023\第2期\余泳幸-2-1.tif><G:\武汉工程大学\2023\第2期\余泳幸-2-2.tif>[0 20 40 60
造纸白泥掺入质量分数 / %][6
5
4
3
2
1][抗压强度 / MPa][0 5 10 15
硅灰掺入质量分数 / %][660
640
620
600
580
560
540][干密度 / （kg/m3）][抗压强度
干密度][640
620
600
580][干密度 / （kg/m3）][5
4
3
2][抗压强度 / MPa][抗压强度
干密度][ a ][ b ]
图2 MAAC强度与干密度的影响因素：
（a）造纸白泥掺入质量分数，（b）硅灰掺入质量分数
Fig. 2 Influence factors of MAAC strength and dry density：（a）mass fraction of papermaking white mud，
（b）mass fraction of silica fume
2.3 MAAC水化产物分析
图3为样品B0、B40-G15的XRD图谱，B0为砂基的蒸压加气混凝土样品，B40-G15为白泥质量分数40%，硅灰质量分数15%的MAAC样品。研究结果表明：B0与B40-G15的水化产物接近，均含有硬硅钙石、托贝莫来石的衍射峰；一般情况下，硅质材料与氧化钙在蒸压条件下会生成C-S-H产物［17］，但是，由于C-S-H为不定形态，XRD图谱中未出现C-S-H的衍射峰；B40-G15中还能够看到较强的碳酸钙衍射峰，这是由样品B4-G15中掺入白泥造成的。
<G:\武汉工程大学\2023\第2期\余泳幸-3.tif>[5 15 25 35 45 55 65 75 85
2θ / （°）][相对强度][1-SiO2
2-CaCO3
3-托贝莫来石
4-硬硅钙石][B0][B40-G15][3][3][3][3][4][4][1][1][1][1][1][3][2][1][1][1][1][3][3][2][1][4][3][3][2][2][2][2][2][2][3][1][2]
图3 W0、B4-G15样品的XRD谱图
Fig. 3 XRD patterns of B0 and B40-G15 samples
图4为FT-IR图谱的分析结果。蒸压加气混凝土水化过程，实则是硅酸盐化合物的形成过程，其中硅酸盐化合物一般是以硅氧四面体作为结构单元，因此，重点分析Si-O键的振动吸收峰变化。由于Si-O键的振动吸收峰一般在1 000 cm-1附近，其局部放大图见图4（右）。硅砂中，1 083 cm-1处是Si-O键伸缩振动吸收峰；硅灰中，1 118 cm-1处是Si-O伸缩振动吸收峰；水泥中，926 cm-1为水泥C3S和C2S中Si-O键伸缩振动吸收峰；B40-G15中，971 cm-1为水化产物中Si-O键伸缩振动吸收峰。对比分析可知，水泥水化后Si-O键的振动从低波数往高波数移动，硅灰和砂水化后Si-O键的振动从高波数往低波数移动。由于未水化水泥中的C2S与C3S的硅氧四面体为岛状结构，即硅氧四面体在结构中彼此不连接以孤立状态存在，聚合度低，因此其Si-O键伸缩振动吸收峰的波数低；砂和硅灰中硅氧四面体的聚合高，所以其Si-O键伸缩振动吸收峰的波数高；蒸压反应后的水化产物C-S-H凝胶和托贝莫来石中硅氧四面体的聚合度介于未水化水泥与硅质材料（硅灰、砂）之间。通过以上分析可知：在蒸压条件下，水泥水化主要表现为硅氧四面体进行聚合的过程，而砂和硅灰水化则是硅氧四面体先解聚再聚合的过程。
图5是B40-G15的TG-DSC曲线。由DSC曲线可以看到在754 ℃时有明显的吸热峰并伴随失重，主要是造纸白泥中碳酸钙吸热分解形成的。同时由于这一段涉及的反应较多，如C-S-H的吸热脱水、硬钙硅石的吸热脱水［18］。在碳酸钙强吸热效应下，部分脱水峰被覆盖。通过图5中TG-DSC的局部放大图可以看到，在800 ℃之后，强吸热脱水的反应基本反应完全，热重损失基本不变，主要是化合物的晶型转变，其中834、860 ℃处的2个放热峰，可能主要是低碱度C-S-H向β-硅灰石转变而形成的［19］，说明MAAC制品中也生成了低碱度的C-S-H。
<G:\武汉工程大学\2023\第2期\余泳幸-5.tif>[105
100
95
90
85
80
75
70][残余质量分数 / %][7
6
5
4
3
2
1
0][热流率 / （mW/mg）][0 200 400 600 800
温度 / ℃][76
75
74][残余质量分数 / %][7
6
5][热流率 / （mW/mg）][810 840 870][834][860][残余质量分数
热流率]
图5 B40-G15样品的TG-DSC曲线
Fig. 5 TG-DSC curves of B40-G15 sample
3 结 论
（1）在普通砂基蒸压加气混凝土中，采用造纸白泥取代砂，制品强度显著下降，在高掺量的情况下难以满足蒸压加气混凝土的要求；造纸白泥在蒸压加气混凝土替代砂的过程中表现为惰性，对强度贡献较低。
（2）通过对MAAC硅质材料优化，能够在40%造纸白泥质量掺量下，制备出强度与干密度等级符合要求的MAAC。综合表明，在白泥质量掺量为40%时，硅灰质量掺量为10%时，制备的MAAC强度达到3.87 MPa、干密度为613 kg/m3，达到了 A3.5强度等级和B06干密度等级。
（3）通过对MAAC样品进行XRD、FI-IR、TG-DSC分析可知：MAAC的水化产物有托贝莫来石、硬硅钙石和低碱度C-S-H。