用紅砂巖制備加氣混凝土的試驗(yàn)研究

趙峰，范東林，張玉平，章杰，王康

（1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430000；2.湖北省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，湖北 武漢 430000）

用紅砂巖制備加氣混凝土的試驗(yàn)研究

趙峰1，范東林1，張玉平2，章杰2，王康2

（1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430000；2.湖北省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，湖北 武漢 430000）

以紅砂巖為硅質(zhì)原材料制備加氣混凝土，分析了紅砂巖細(xì)度、蒸養(yǎng)溫度和鋁粉膏摻量對(duì)加氣混凝土密度和強(qiáng)度的影響，通過正交試驗(yàn)確定加氣混凝土最佳配合比，并借助XRD和SEM等手段對(duì)樣品進(jìn)行了微觀分析。結(jié)果表明，當(dāng)紅砂巖細(xì)度為200目篩篩余6.8%，蒸養(yǎng)溫度為185℃，鋁粉膏用量為0.1%時(shí)，其最優(yōu)配合比為：紅砂巖58%、水泥12%、石灰28%、石膏2%，水料比0.62。所制備的加氣混凝土符合A3.5、B06級(jí)加氣混凝土優(yōu)等品要求，其產(chǎn)物主要有托貝莫來石和C-S-H凝膠，并相互穿插膠結(jié)，形成良好的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

紅砂巖；加氣混凝土；正交試驗(yàn)；托貝莫來石

近年來，我國建筑業(yè)發(fā)展迅速，建筑工程日益增加，墻體材料在房屋建筑材料中所占的比例高達(dá)70%[1]，加氣混凝土作為一種新型墻體材料發(fā)展迅速。加氣混凝土是以硅質(zhì)材料和鈣質(zhì)材料為主要原料，添加發(fā)氣劑及其它助劑，加水?dāng)嚢?、澆注成型，?jīng)預(yù)養(yǎng)切割、蒸壓養(yǎng)護(hù)等工藝制得的集保溫、防火、隔聲、施工方便等優(yōu)點(diǎn)于一體的新型輕質(zhì)墻體材料[2-4]。然而，河砂作為生產(chǎn)加氣混凝土的主要原材料之一，資源日益匱乏。尋求廉價(jià)且資源充足的硅質(zhì)原材料成為加氣混凝土材料可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。紅砂巖在我國分布廣泛，儲(chǔ)量豐富，且具有較高的硅含量，目前利用化程度較低，又因其工程性質(zhì)不良在施工中遭大量堆棄，造成一定環(huán)境破壞，有效的利用紅砂巖制備節(jié)能環(huán)保的建筑材料具有重要意義。本文以紅砂巖為主要材料制備加氣混凝土，探索紅砂巖加氣混凝土的主要制備制度，通過正交試驗(yàn)確定最優(yōu)配合比，并借助XRD、SEM等測試技術(shù)對(duì)紅砂巖加氣混凝土制品的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 原材料

紅砂巖：取自湖北恩施地區(qū)，其中SiO2含量達(dá)到75%，其XRD分析見圖1。

水泥：山東魯城水泥有限公司生產(chǎn)的P·Ⅰ42.5水泥。

石灰：來自上海江滬鈦白化工制品有限公司，有效CaO含量72%。

石膏：脫硫石膏，0.08 mm方孔篩篩余為8.5%，CaO含量45%。石膏可抑制石灰的消化速度，有利于料漿澆注的穩(wěn)定性，可提高胚體強(qiáng)度[5]。

鋁粉膏：來自鄭州金祥鋁業(yè)有限公司，活性鋁含量為90%，發(fā)氣率16 min時(shí)為91%，200目篩篩余為1.4%，水分散性好，無團(tuán)粒。

紅砂巖、水泥和石灰的化學(xué)成分見表1。

圖1 紅砂巖的XRD分析圖譜

表1 紅砂巖、水泥和石灰的化學(xué)成分 %

1.2 儀器設(shè)備

FTFS-180t型密閉式制樣粉碎機(jī)、DJ-50001數(shù)字式電子天平、85-2恒溫磁力攪拌器、水泥膠砂攪拌機(jī)、101-3AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱、標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱、蒸壓釜（Ф500×800）、微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、掃描電鏡、X射線衍射分析儀等。

2 主要試驗(yàn)條件的選擇

分析紅砂巖細(xì)度、蒸養(yǎng)溫度、鋁粉膏用量這3個(gè)主要因素制度對(duì)加氣混凝土的密度、強(qiáng)度的影響。在現(xiàn)有加氣混凝土的研究基礎(chǔ)上[6]，結(jié)合前期試驗(yàn)，選定試驗(yàn)條件為：紅砂巖60%、水泥15%、石灰22%、石膏3%，水料比0.60；拌合及靜停養(yǎng)護(hù)溫度50℃，靜養(yǎng)時(shí)間3 h，蒸養(yǎng)時(shí)間8 h。

2.1 紅砂巖細(xì)度

磨料時(shí)間分別為1、3、6、10、15 min，采用負(fù)壓篩法測試篩余量，蒸養(yǎng)壓力為1.2 MPa，鋁粉膏摻量為0.11%（外摻），觀察制品外觀，測試制品干密度和抗壓強(qiáng)度，分析紅砂巖細(xì)度對(duì)加氣混凝土制品品質(zhì)的影響，結(jié)果見表2。

表2 紅砂巖細(xì)度對(duì)加氣混凝土品質(zhì)的影響

從表2可以看出，隨著紅砂巖細(xì)度增大，制品密度降低，分層和開裂情況逐步改善，其抗壓強(qiáng)度也越來越高，當(dāng)粉磨時(shí)間為10 min，制品抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高4.37 MPa；但當(dāng)粉磨時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，其抗壓強(qiáng)度稍有下降，分析推測是因?yàn)榇藭r(shí)紅砂巖粒徑過小，缺少大粒徑砂作為骨架支撐，制品強(qiáng)度受到影響。所以，紅砂巖最佳粉磨時(shí)間為10min，細(xì)度200目篩篩余6.8%。

2.2 蒸養(yǎng)溫度

蒸壓養(yǎng)護(hù)工序是制品實(shí)現(xiàn)水熱合成的具體方法和手段，它直接關(guān)系到制品的性能[7]。要使制品在短時(shí)間內(nèi)獲得所需的強(qiáng)度，蒸養(yǎng)溫度是關(guān)鍵。固定紅砂巖細(xì)度為200目篩篩余6.8%，鋁粉膏摻量為0.11%（外摻），分別在170、175、180、185、190、195℃溫度下蒸養(yǎng)胚體，并測試制品的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖2。

圖2 蒸養(yǎng)溫度對(duì)制品抗壓強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，隨著蒸養(yǎng)溫度升高，制品的抗壓強(qiáng)度也提高，當(dāng)蒸養(yǎng)溫度從170℃提升到180℃時(shí)，制品的抗壓強(qiáng)度明顯提高。蒸養(yǎng)溫度越高，越有利于水熱反應(yīng)充分進(jìn)行。但蒸養(yǎng)溫度達(dá)到185℃并繼續(xù)升高時(shí)，制品的強(qiáng)度提高較小，從降低能耗的角度出發(fā)，185℃為最適宜蒸養(yǎng)溫度。

2.3 鋁粉膏用量

目前，在加氣混凝土的生產(chǎn)中，鋁粉膏是最常用的發(fā)氣劑，鋁粉膏中的鋁粉在加氣混凝土中能與堿性物質(zhì)反應(yīng)放出氫氣[8]，產(chǎn)生氣泡，使加氣混凝土料漿膨脹，形成多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)加氣混凝土的成形十分關(guān)鍵，其摻量對(duì)加氣混凝土的密度亦有直接的影響。本試驗(yàn)僅就鋁粉膏的摻量對(duì)紅砂巖加氣混凝土干密度的影響進(jìn)行研究，其中紅砂巖細(xì)度為200目篩篩余6.8%，蒸養(yǎng)溫度為185℃，結(jié)果見圖3。

圖3 鋁粉膏摻量對(duì)加氣混凝土制品干密度的影響

由圖3可知，當(dāng)鋁粉膏摻量較少時(shí)，隨著鋁粉膏用量的增加，加氣混凝土制品干密度急劇降低，當(dāng)鋁粉膏用量達(dá)到0.10%（外摻）以上時(shí)，制品干密度降低趨于平緩。從干密度角度出發(fā)，鋁粉膏摻量越多，對(duì)密度越有利，但鋁粉膏摻量過大時(shí)，發(fā)氣速度過快，與料漿稠化速度不協(xié)調(diào)，會(huì)出現(xiàn)許多大的氣泡，并使得制品中出現(xiàn)大的連通孔結(jié)構(gòu)，從而降低制品的強(qiáng)度，另外，鋁粉膏摻量多，其造價(jià)高不經(jīng)濟(jì)。綜合分析，0.10%是鋁粉膏適宜用量。

3 正交試驗(yàn)

3.1 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

本試驗(yàn)研究在澆注穩(wěn)定的前提下，采用正交試驗(yàn)來確定水料比以及紅砂巖、石灰、石膏優(yōu)化配合比方案。選取4因素4水平，用L16（44）正交表安排試驗(yàn)，因素水平見表3。試驗(yàn)條件為：紅砂巖粉磨10 min，鋁粉膏摻量為0.10%，拌合及靜停養(yǎng)護(hù)溫度50℃，靜養(yǎng)時(shí)間3h，蒸養(yǎng)溫度為185℃，蒸養(yǎng)時(shí)間8h。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能測試結(jié)果見表4，極差分析見表5。

表3 正交試驗(yàn)因素水平

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能測試結(jié)果

表5 正交試驗(yàn)極差分析

從表5可以看出，影響紅砂巖加氣混凝土干密度的因素主次順序?yàn)椋篋>A>B>C，最優(yōu)配合比為：A1B4C2D4；影響紅砂巖加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的因素主次順序?yàn)椋築>A>C>D，最優(yōu)配合比為：A4B4C2D3。

3.2 最佳配合比驗(yàn)證試驗(yàn)

以干密度的較優(yōu)配合比A1B4C2D4（記為E1組），抗壓強(qiáng)度較優(yōu)配合比A4B4C2D3（記為E2組），并通過考慮各因素對(duì)紅砂巖加氣混凝土干密度和抗壓強(qiáng)度的綜合影響，增加1組驗(yàn)證配合比A2B4C2D3（記為E3組），以此3組配合比進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，其它試驗(yàn)條件不變，結(jié)果見表6。

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

從表6可以看出，以E1和E3配合比制備的加氣混凝土制品均達(dá)到了A3.5、B06級(jí)優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)要求，2組制品在干密度和導(dǎo)熱系數(shù)上差別不明顯，而以E2配合比制備的加氣混凝土制品抗壓強(qiáng)度明顯更高，但是干密度和導(dǎo)熱系數(shù)受到了較大的影響，故綜合考慮，原材料最佳配合比為：紅砂巖58%、水泥12%、石灰28%、石膏2%，水料比0.62。

3.3 礦物組成與微觀結(jié)構(gòu)分析

按照原材料最佳配比：紅砂巖58%、水泥12%、石灰28%、石膏2%，水料比0.62，在紅砂巖細(xì)度為200目篩篩余6.8%，鋁粉膏用量為0.10%（外摻），拌合及靜停養(yǎng)護(hù)溫度為50℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間3 h，蒸養(yǎng)溫度為185℃，蒸壓8 h的條件下制備加氣混凝土，并對(duì)其進(jìn)行微觀分析。加氣混凝土制品XRD分析見圖4，SEM照片見圖5。

從圖4可以看出，紅砂巖加氣混凝土制品中有一些未完全反應(yīng)的石英（SiO2），水化產(chǎn)物主要有托貝莫來石和水化石榴子石。此外，圖4中有一些彌散背景，證明有無定形（無衍射性）物質(zhì)存在于制品之中，這些無定形物質(zhì)導(dǎo)致衍射峰寬化[9]。

圖4 紅砂巖加氣混凝土制品的XRD分析圖譜

圖5 紅砂巖加氣混凝土制品的SEM照片

從圖5可以看出，水化生成了大量的針棒狀、柳葉狀的托貝莫來石晶體，其結(jié)晶完好，還有一些絮凝狀的結(jié)晶較差的C-S-H凝膠。托貝莫來石晶體互相穿插并與C-S-H凝膠膠結(jié)在一起，共同構(gòu)成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，保證了制品的強(qiáng)度及隔熱保溫性能。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)紅砂巖細(xì)度為200目篩篩余6.8%、蒸養(yǎng)溫度185℃、鋁粉膏用量為0.10%時(shí)，有利于紅砂巖加氣混凝土強(qiáng)度的發(fā)展和降低密度。

（2）利用紅砂巖制備加氣混凝土最優(yōu)配合比為：紅砂巖58%、水泥12%、石灰28%、石膏2%、鋁粉膏0.10%、水料比0.62，此時(shí)制品的平均密度590 kg/m3，平均抗壓強(qiáng)度4.96 MPa，符合A3.5、B06級(jí)加氣混凝土優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）按最優(yōu)配合比制備的紅砂巖加氣混凝土水化產(chǎn)物主要有托貝莫來石和C-S-H凝膠，并相互穿插膠結(jié)在一起，形成良好的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

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黑龍江最大秸稈灰保溫砂漿項(xiàng)目建成投產(chǎn)

日前，由黑龍江省望奎縣佳興保溫材料有限公司與鑫達(dá)能源環(huán)保設(shè)備制造有限公司合作的“利用秸稈灰生產(chǎn)保溫砂漿”項(xiàng)目在黑龍江省綏化市望奎縣建成投產(chǎn)。據(jù)了解，該項(xiàng)目占地面積3萬m2，建筑面積8500 m2，年生產(chǎn)能力為秸稈灰保溫砂漿10萬m3、秸稈灰整體別墅整體移動(dòng)別墅100套、秸稈灰多功能床500套、秸稈灰防火裝飾門500套、生產(chǎn)?；⒅?萬m3的項(xiàng)目，是目前黑龍江省最大的綜合利用秸稈灰專業(yè)生產(chǎn)秸稈灰系列產(chǎn)品的工廠。

秸稈發(fā)電廠是望奎縣支柱產(chǎn)業(yè)之一，以農(nóng)作物秸稈為主要原料，每年利用秸稈200萬t以上，每年排放秸稈灰20萬m3以上。秸稈灰堆積不但占用大量土地，而且造成很大的環(huán)境污染。佳興保溫材料有限公司的“秸稈灰”系列保溫產(chǎn)品，經(jīng)過中國科學(xué)院和黑龍江省寒地研究院鑒定，是目前同類產(chǎn)品最先進(jìn)的內(nèi)外墻保溫材料之一。利用秸稈灰生產(chǎn)的保溫材料，防火阻燃、節(jié)能環(huán)保，保溫效果好，節(jié)約了國家資源，而且解決了國能秸稈發(fā)電廠秸稈灰無法處理、污染環(huán)境等諸多題。為當(dāng)?shù)匮h(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，環(huán)境保護(hù)做出突出貢獻(xiàn)。

（徐）

Experimental research on aerated concrete preparation with red sandstone

ZHAO Feng1，F(xiàn)AN Donglin1，ZHANG Yuping2，ZHANG Jie2，WANG Kang2
（1.College of Urban Construction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430000，China
2.Hubei Provincial Center for Quality Supervision and Test of Construction Engineering，Wuhan 430000，China）

The aerated concrete was prepared by taking the red sandstone as the siliceous raw material.The fineness of red sandstone，the steaming temperature and the dosage of aluminum paste which would have effects on density and compression strength of the aerated concrete were investigated.By orthogonal test，the optimal proportion of red sandstone aerated concrete（RSAC）was determined.Then the samples were characterized by XRD and SEM.The orthogonal test results show that，the optimal proportion of RSAC is as follows：58%red sandstone，12%cement，28%lime，2%gypsum，the water-solid ratio is 0.62，when red sandstone mill to 200 mesh sieve 6.8%，the steaming temperature is 185℃and the dosage of aluminum paste is 0.1%.The RSAC mentioned above meets the standard requirement of the A3.5、B06 superior product of aerated concrete，the main hydration products are tobermorite and C-S-H gel，which are interspersed and cemented with each other as net-construction.

red sandstone，aerated concrete，orthogonal test，tobermorite

TU528.2

A

1001-702X（2016）11-0043-04

2016-04-06

趙峰，男，1963年生，遼寧葫蘆島人，教授。