利用商洛鉬尾礦制備混凝土保溫砌塊的試驗(yàn)研究

李建濤，崔杰，王之宇

（1.商洛學(xué)院 化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，陜西省尾礦資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 商洛 726000；2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司化學(xué)分公司，陜西 渭南 714000）

能源危機(jī)是現(xiàn)今人類面臨的重大問題之一，節(jié)能已被認(rèn)為是和煤炭、石油、天然氣、電力同等重要的第五能源而受到人類的高度重視[1]。我國建筑能耗比發(fā)達(dá)國家高2～3倍[2]，急需研發(fā)先進(jìn)材料和技術(shù)，降低建筑能耗，新型微孔混凝土保溫砌塊正是在這種形勢下應(yīng)運(yùn)而生。混凝土保溫砌塊具有不燃、質(zhì)輕、保溫、隔聲和建筑物同壽命等優(yōu)點(diǎn)[3]，從而應(yīng)用廣泛。

尾礦是精礦生產(chǎn)的副產(chǎn)品，我國對尾礦的綜合利用率較低，大量堆存的尾礦不僅占用大量土地和農(nóng)田，而且嚴(yán)重污染環(huán)境和危害人們健康。然而，尾礦大多屬于可再利用的資源，在礦產(chǎn)資源日漸枯竭的今天，尋求尾礦綜合利用的途徑，使之變廢為寶是當(dāng)前迫切需要解決的問題。商洛礦產(chǎn)資源豐富，洛南鉬礦儲(chǔ)量較大，在開采過程積存了大量的鉬尾礦，給周圍的生態(tài)環(huán)境和人們的生存健康帶來極大危害，存在極大的安全隱患，研究鉬尾礦的綜合利用具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究以水泥、石灰、石膏和鉬尾礦為主要原料，鋁粉為發(fā)氣劑，輔以其它助劑，制備微孔混凝土保溫砌塊。旨在變廢為寶，解決尾礦堆存所帶來的環(huán)境和社會(huì)問題。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：堯柏42.5R；石灰：CaO含量大于85%，產(chǎn)自商洛；石膏：80目，靈壽縣鵬顯礦產(chǎn)品加工廠；鋁粉：LVG-400目，淮安市楚州區(qū)恒諾金屬加工廠；聚丙烯纖維：12～15 mm，鄭州三聯(lián)化工建材有限公司；減水劑：FND萘系高效減水劑，鄭州市靖源實(shí)業(yè)有限公司；鉬尾礦砂：細(xì)度模數(shù)2.0，Ⅲ區(qū)細(xì)砂，按照GB 6566—2001《建筑材料放射性核素限量》對鉬尾礦砂放射性核素226Ra、232Th、40K的比活度進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，洛南某企業(yè)尾礦庫的鉬尾礦砂屬于A類裝修材料，使用不受限制，其化學(xué)成分見表1，粒度分布特性見表2。

表1 鉬尾礦砂的化學(xué)成分 %

表2 鉬尾礦砂的粒度分布特性

1.2 主要儀器設(shè)備

水泥砂漿攪拌器：JJ-5；微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)：WDW-50；電子天平：APTP457A；烘箱：DHG-9070A；導(dǎo)熱系數(shù)測試儀：DRM-1；養(yǎng)護(hù)箱：自制。

1.3 試驗(yàn)方法

將水泥、鉬尾礦砂、石灰、石膏、聚丙烯纖維、水、減水劑按一定配比加入攪拌器，轉(zhuǎn)速1000 r/min，攪拌8 min；把鋁粉加入少量水中分散后，倒入攪拌器，繼續(xù)攪拌1～2 min；然后迅速澆注入事先涂過脫模劑的模具中，放入恒溫養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)于50℃靜置養(yǎng)護(hù)2 h；拆模后置于30℃、濕度90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d。取出，進(jìn)行性能測試[4-9]。

1.4 保溫砌塊制備試驗(yàn)正交設(shè)計(jì)

在前期單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)，因素水平見表3。其中水泥用量為400 g，鉬尾礦砂用量為2028 g，石膏用量為178 g，聚丙烯纖維80.00 g，減水劑15.00 g，加水量1292 g，恒定。以砌塊抗壓強(qiáng)度和干密度為指標(biāo)，確定發(fā)泡條件。

表3 保溫砌塊制備正交試驗(yàn)因素-水平

1.5 測試方法

1.5.1 漿體稠度

測試料漿稠度的儀器由內(nèi)徑為Φ（50±0.1）mm，外徑為Φ60mm，高為（100±0.1）mm的不銹鋼筒體和面積為 40cm×40 cm的玻璃板組成。

將制備好的料漿均勻地注入圓筒，以鋼直尺沿圓筒上端面刮去多余的料漿，并垂直提起圓筒，整個(gè)動(dòng)作必須在30 s內(nèi)完成。然后用直尺測試整個(gè)料漿的擴(kuò)散度。以2個(gè)擴(kuò)散度的算術(shù)平均值作為料漿的稠度值。

1.5.2 漿料溫度

采用量程大于100℃的溫度計(jì)插入料漿中測試料漿不同時(shí)段的溫度變化。

1.5.3 砌塊外觀

通過目視觀察試件的表面顏色及平整度等表面特性。

1.5.4 砌塊干密度

取3塊養(yǎng)護(hù)好的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊檢查外觀尺寸，量取長、寬、高3個(gè)方向尺寸，精確至1 mm，計(jì)算出試件的體積平均值V，并稱取試件的質(zhì)量平均值M0，精確至 1 g。

將上述3塊試件放入干燥箱內(nèi)，在60℃下保溫24 h，再在105℃下烘至恒質(zhì)算出平均值M0。砌塊的干密度為：R0=M0×106/V，單位為 kg/m3。

1.5.5 砌塊強(qiáng)度

砌塊的強(qiáng)度試驗(yàn)參照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》，采用濟(jì)南恒瑞金試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的WDW-50微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。

1.5.6 砌塊干縮值

砌塊的干燥收縮值參照GB/T 11969—2008進(jìn)行測試。

1.5.7 砌塊導(dǎo)熱系數(shù)

砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)參照GB/T 11969—2008，采用湘潭儀器有限公司生產(chǎn)的DRM-1型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

混凝土保溫砌塊正交試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

由表4可以看出，各因素對混凝土保溫砌塊抗壓強(qiáng)度的影響大小依次為：A＞D＞B＞C，即石灰摻量影響最大，這實(shí)質(zhì)上是堿度對發(fā)泡狀況的影響最大，從而決定了砌塊的空隙和結(jié)構(gòu)，反映在砌塊的抗壓強(qiáng)度上，再結(jié)合均值來看，混凝土發(fā)泡的最佳條件為：A1B1C2D2，即石灰用量為350 g，鋁粉用量為11.00 g，加入發(fā)泡劑后的攪拌時(shí)間為90 s，發(fā)泡漿體溫度為40℃，在此條件下制備的混凝土保溫砌塊抗壓強(qiáng)度為6.13 MPa，干密度617 kg/m3。結(jié)合表4中對應(yīng)的砌塊干密度來看，砌塊的干密度小于625 kg/m3，達(dá)到GB/T 11969—2008中B06合格品的要求。

由干密度極差分析可知，各因素對混凝土保溫砌塊干密度的影響權(quán)重為：A＞B＞C＞D，即石灰的加入量對干密度的影響最大，其次是鋁粉的用量，而攪拌時(shí)間和發(fā)泡溫度的影響大小相當(dāng)，由此可推測，堿度對鋁粉發(fā)泡反應(yīng)的速度和泡的特性有較大的影響作用。結(jié)合均值，以對干密度的影響來看，最佳條件為：A3B3C1D3，即石灰用量為450 g，鋁粉用量為13.00 g，加入發(fā)泡劑后的攪拌時(shí)間為60 s，發(fā)泡漿體溫度為45℃。這一結(jié)果與事實(shí)規(guī)律極其相符，該最佳條件中石灰用量、鋁粉用量和溫度均為最大值，即堿度越高，發(fā)泡劑鋁粉越多，水溫越高，越有利于氣泡的生成，氣泡越豐富，最終砌塊的密度就越小。攪拌速度過慢，攪拌不充分，原材料不能充分接觸，不利于發(fā)泡反應(yīng)的進(jìn)行；但是攪拌速度過快，則不利用穩(wěn)泡，因?yàn)閿嚢杷俣冗^快會(huì)使得小泡破裂聚集成大氣泡，大氣泡容易破裂，氣體逸出，如此氣泡不能在砌塊中穩(wěn)定的存在，結(jié)果是砌塊的干密度就會(huì)增大。所以其它3個(gè)因素都為最大時(shí)，攪拌時(shí)間卻是所選的3個(gè)水平中最小的最優(yōu)，原因就是60 s這個(gè)攪拌時(shí)間不僅能夠使反應(yīng)物充分混合均勻，同時(shí)又能達(dá)到穩(wěn)泡的目的。以此條件制得的砌塊測定其干密度為526 kg/m3，比9組試驗(yàn)所得砌塊的干密度均小，但是抗壓強(qiáng)度卻僅為2.93 MPa，不達(dá)標(biāo)。因?yàn)槠鰤K中氣泡過大過多，承受壓力的強(qiáng)度就會(huì)急劇下降。

綜上，砌塊制備最佳條件暫定為：A1B1C2D2，即石灰用量為350 g，鋁粉用量為11.00 g，加入發(fā)泡劑后的攪拌時(shí)間為90 s，發(fā)泡漿體溫度為40℃。

2.2 追加試驗(yàn)

鑒于正交試驗(yàn)確定的原料配比組成中石灰和鋁粉的用量均為最小，再以石灰用量為300 g、鋁粉用量為10.00 g，其它組分和條件不變，制備保溫砌塊，通過測試得到其抗壓強(qiáng)度為6.37 MPa，密度為763 kg/m3，雖然抗壓強(qiáng)度有所提高，但是密度增大顯著，故確定正交試驗(yàn)的結(jié)果為最佳發(fā)泡條件。

2.3 最佳發(fā)泡條件試驗(yàn)

按最佳發(fā)泡條件制備的砌塊的性能測試結(jié)果見表5。

表5 最佳發(fā)泡條件制備的保溫砌塊性能

由表5可見，按最佳發(fā)泡條件制備的混凝土保溫砌塊的性能符合GB/T 11969—2008中B06級(jí)合格品要求，并且多項(xiàng)指標(biāo)符合優(yōu)等品要求。

2.4 混凝土保溫砌塊各組分的作用分析

水泥是生產(chǎn)砂加氣混凝土的膠凝材料，主要起調(diào)節(jié)料漿性能作用，改善稠化速度，提高制品的強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)所用的42.5R為早強(qiáng)水泥，使得漿體能夠在短時(shí)間能具有足夠的強(qiáng)度。

鉬尾礦砂是混凝土保溫砌塊強(qiáng)度的主要來源，本實(shí)驗(yàn)利用當(dāng)?shù)匚驳V砂代替河砂，旨在減少河砂的開采，利用堆積的尾礦，變廢為寶，保護(hù)環(huán)境，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

石灰的化學(xué)成分主要是氧化鈣，與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，同時(shí)產(chǎn)生大量的熱。不僅增加了漿體的堿度，也使得漿體的溫度在短時(shí)間內(nèi)升高，為鋁粉快速充分發(fā)泡提供了條件，提升水泥的水化速度，另外，石灰也會(huì)與水泥組分反應(yīng)生成硅酸鈣，提高砌塊的強(qiáng)度。

鋁粉的作用是在料漿中與Ca（OH）2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)放出氫氣，形成細(xì)小而均勻的氣孔，使混凝土砌塊具有良好的氣孔結(jié)構(gòu)。鋁粉在堿性介質(zhì)中的發(fā)氣反應(yīng)[10]如下：

因?yàn)殇X粉的活性很強(qiáng)，在空氣中會(huì)生成致密的氧化物，阻礙反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行?；炷亮蠞{中的水泥和石灰呈較強(qiáng)的堿性，在水的作用下首先會(huì)發(fā)生下列反應(yīng)：

可以看出，發(fā)氣劑的主要作用是在料漿中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，放出氣體形成細(xì)小而均勻的氣泡，使混凝土砌塊具有多孔結(jié)構(gòu)，達(dá)到輕質(zhì)目的，提高料漿堿度可以有效促使鋁粉發(fā)氣。

加入聚丙烯纖維的主要目的是提高砌塊的強(qiáng)度，短纖維縱橫交錯(cuò)地穿插于水泥、砂子等其它組分之間，起到加強(qiáng)筋的作用，從而提高了砌塊的強(qiáng)度。

減水劑能減少拌合用水量、提高混凝土強(qiáng)度，能夠?qū)λ嗥鸬椒稚⒆饔煤蜐櫥饔茫纳扑嗟暮鸵仔浴?/p>

3 結(jié)語

（1）影響發(fā)泡砌塊抗壓強(qiáng)度大小的順序?yàn)椋菏矣昧?發(fā)泡溫度>鋁粉用量>攪拌時(shí)間，得出的最佳條件為：A1B1C2D2，即石灰用量為350 g（水泥質(zhì)量的87.5%），鋁粉用量為11.00 g（水泥質(zhì)量的2.75%），加入發(fā)泡劑后的攪拌時(shí)間為90 s，漿體發(fā)泡溫度為40℃，在此條件下制備的混凝土保溫砌塊抗壓強(qiáng)度為6.13 MPa，干密度為617 kg/m3。

（2）影響發(fā)泡砌塊干密度大小的順序?yàn)椋菏矣昧?鋁粉用量>攪拌時(shí)間>發(fā)泡溫度，得出的最佳條件為：A3B3C1D3，即石灰用量為450 g（水泥質(zhì)量的112.5%），鋁粉用量為13.00 g（水泥質(zhì)量的3.25%），加入發(fā)泡劑后的攪拌時(shí)間為60 s，漿體發(fā)泡溫度為45℃，以此條件制得的砌塊測定其干密度為526 kg/m3，比9組試驗(yàn)所得砌塊的干密度均小，但是抗壓強(qiáng)度卻僅為2.93 MPa，不達(dá)標(biāo)。

（3）最終確定的工藝條件為：石灰用量為水泥質(zhì)量的87.5%，鋁粉用量為水泥質(zhì)量的2.75%，加入發(fā)泡劑后的攪拌時(shí)間為90 s，漿體發(fā)泡溫度為40℃。在此條件下制備的混凝土保溫砌塊性能符合B06級(jí)合格品要求，并且多項(xiàng)指標(biāo)符合B06級(jí)優(yōu)等品要求。

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