低硅銅尾礦加氣混凝土的試驗研究

低硅銅尾礦加氣混凝土的試驗研究

中國95%的能源和85%的原材料依賴礦產(chǎn)資源，最終產(chǎn)量增加。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國尾礦堆存總量已超過70億t。2008年,全國尾礦排放量達(dá)6億t以上。近年來,尾礦的綜合利用受到各界所關(guān)注,已成為各礦山資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)的重要課題之一。加氣混凝土是集輕質(zhì)、保溫、防火、吸聲、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)于一身的新型建筑材料,而尾礦作為含硅量較高的工業(yè)廢渣適宜作為加氣混凝土的主要原材料之一,這樣變廢為寶,實現(xiàn)其再資源化,有顯著的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益。1測試1.1原材料1.1.1化學(xué)成分和x射線衍射圖譜(1)采用河北省承德市壽王墳銅礦尾礦,原尾礦98%粒徑在0.45mm以下,約有50%粒徑在0.074mm以下,其主要化學(xué)成分見表1,X射線衍射譜圖見圖1。(2)因采用的銅尾礦中SiO2含量約為44%,而且石英態(tài)的SiO2極少,未達(dá)到生產(chǎn)加氣混凝土對原料中SiO2含量的一般要求(用于生產(chǎn)加氣混凝土的砂,一般要求SiO2含量大于70%,并要求石英含量大于40%),因此,選用SiO2含量80%以上的硅砂以提供一部分硅質(zhì)材料,其主要化學(xué)成分見表2,X射線衍射譜圖見圖2。1.1.2中性消解石灰(1)石灰:采用北京市金隅加氣混凝土公司生產(chǎn)所用中速消解石灰,活性CaO含量在65%左右、MgO含量小于6%,消解時間12min,消解溫度可達(dá)65℃。(2)水泥:采用P·O42.5水泥。1.1.3其他材料(1)發(fā)氣劑:哈爾濱東輕金屬粉業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的親水發(fā)氣鋁粉。(2)調(diào)節(jié)劑:天然石膏,200目篩篩余8%。1.2實驗儀器和設(shè)備WL-1型微粒球磨機(jī)、YH-40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱、YES-300型數(shù)顯液壓壓力試驗機(jī)、JM-B30001數(shù)字式電子天平(最大稱量3000g,分度值0.1g)、JM-B6002數(shù)字式電子天平(最大稱量600g,分度值0.01g)、CS101-3E電熱鼓風(fēng)干燥箱、HH-1數(shù)顯恒溫水浴鍋、燒杯、攪拌棒若干等。1.3銅尾礦加壓混凝土的制備見圖31.4試驗基準(zhǔn)配合比根據(jù)北京金隅加氣混凝土公司生產(chǎn)經(jīng)驗、試驗?zāi)繕?biāo)(確定設(shè)計密度為B06級,強(qiáng)度以A3.5為基本要求)以及前期大量探索試驗,得出試驗基準(zhǔn)配合比(M)為:銅尾礦30%、硅砂35%、石灰20%、水泥10%、石膏5%、鋁粉0.06%,水料比暫定為0.54,料漿澆注溫度44~47℃,養(yǎng)護(hù)溫度45℃。1.5尾礦粉磨和粉磨對混凝土試塊性能的影響控制磨料時間分別為10、20、30、40、50min,遵循基準(zhǔn)配比M制備加氣混凝土試塊。當(dāng)尾礦經(jīng)20min粉磨、硅砂經(jīng)30min粉磨時,試塊的性能最佳?？紤]到時間、能耗、經(jīng)濟(jì)等因素,確定后續(xù)試驗中銅尾礦粉磨時間為20min(200目篩篩余1.1%),硅砂粉磨時間為30min(200目篩篩余5.2%)。2結(jié)果與討論2.1銅尾礦的用量對加固混凝土的性能的影響見圖4從圖4可以看出,隨著銅尾礦摻量的增加,制品的比強(qiáng)度也隨之降低。為了充分利用銅尾礦,降低成本,應(yīng)選擇較低的絕干比強(qiáng)度為宜。2.2石膏摻量的影響在加氣混凝土中,摻入少量石膏作為調(diào)節(jié)劑,主要有以下幾方面的作用:(1)參與水泥的水化反應(yīng),調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時間;(2)可以抑制石灰的消化速度,有利于料漿澆注的穩(wěn)定性;(3)可提高胚體強(qiáng)度;(4)可提高試驗制品強(qiáng)度、降低收縮值。石膏摻量對加氣混凝土絕干強(qiáng)度和絕干比強(qiáng)度的影響分別見圖5、圖6。由圖5、圖6可知,隨著石膏摻量的增加,制品比強(qiáng)度出現(xiàn)1個峰值,在石膏摻量達(dá)5%時,制品的絕干強(qiáng)度最大(為4.98MPa),比強(qiáng)度也最大(為8.24×10-3),然后隨著摻量的增加絕干強(qiáng)度與絕干比強(qiáng)度逐漸降低。這是因為在料漿中摻加過多石膏,一方面使其難以稠化,不能支撐自重而塌模,使已形成的多孔結(jié)構(gòu)遭到破壞,導(dǎo)致制品強(qiáng)度降低。另一方面即使形成坯體,其內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)不均勻,在蒸壓養(yǎng)護(hù)時,坯體承受不了高壓釜內(nèi)的壓差和溫差,使制品內(nèi)部產(chǎn)生蒸壓微裂紋,強(qiáng)度遭到破壞。2.3水熱合成反應(yīng)水泥是加氣混凝土重要鈣質(zhì)材料之一,其作用主要是在澆注過程中調(diào)節(jié)料漿稠度、保證料漿適當(dāng)?shù)酿ざ群涂伤苄砸约皾沧⒎€(wěn)定性、加速坯體硬化和促進(jìn)蒸壓過程中的水熱合成反應(yīng)等。水泥摻量對加氣混凝土比強(qiáng)度的影響見圖7。由圖7可知,當(dāng)水泥摻量從5%遞增到9%時,制品比強(qiáng)度隨之增大;繼續(xù)增加水泥用量值至14%時,比強(qiáng)度反而有所下降。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因主要是水泥摻量過多時,鈣質(zhì)材料總量太高,其提供的CaO量超過了制品在水化反應(yīng)中需求CaO的量,多余的水泥水化后不能生成低堿硅酸鹽C-S-H(B),而生成強(qiáng)度較低的棱柱薄片狀的雙堿水化硅酸鈣C2SH(A),同時纖維狀的C2SH(B)也相應(yīng)減少。2.4石灰摻量對催化劑性能的影響石灰在加氣混凝土生產(chǎn)中的主要作用:(1)向加氣混凝土提供CaO,使之在濕熱條件下與硅質(zhì)材料中的SiO2、Al2O3作用,生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣,從而使制品獲得強(qiáng)度;(2)提高加氣混凝土料漿的堿度,滿足鋁粉發(fā)氣條件;(3)在加氣混凝土料漿發(fā)氣、稠化和坯體硬化階段,提供足夠的熱量,促進(jìn)坯體的硬化。石灰摻量對加氣混凝土強(qiáng)度和比強(qiáng)度的影響分別見圖8、圖9。從圖8、圖9可以看出,隨著石灰摻量從15%增加到21%,制品出釜抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度提高;當(dāng)石灰摻量為21%時,其絕干抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度分別為5.04MPa和8.27×10-3;之后隨著石灰摻量的增加,絕干抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度逐漸降低。2.5水料比對試驗制品性能的影響水料比是影響加氣混凝土澆注穩(wěn)定性的重要因素,不僅對制品性能有較大影響,而且對料漿的稠化速度及發(fā)氣過程有至關(guān)重要的作用。水料比過低,料漿稠度高、稠化速度過快,影響氣孔均勻形成以及胚體脹大;水料比過高,稠度低、稠化時間過長,氣孔容易聚集形成大氣孔以致造成塌模。水料比對試驗制品性能影響見圖10~圖12。從圖10~圖12可以看出,制品密度的大小除了與鋁粉摻量有關(guān)外,水料比也對密度有很大的影響;加氣混凝土的強(qiáng)度隨著密度的增大而提高;水料比過大或過小會導(dǎo)致制品比強(qiáng)度的降低。2.6試驗設(shè)備及蒸壓蒸壓蒸養(yǎng)過程是加氣混凝土壞體水熱反應(yīng)形成結(jié)晶體的過程,制品強(qiáng)度及其收縮性與蒸壓制度密切相關(guān)。本試驗采用北京金隅加氣混凝土公司生產(chǎn)線的蒸壓制度,即抽真空0.5h至-0.06MPa,升溫(升壓)1.5h,恒溫(恒壓)7.0h(砌塊)、8.0h(板材),降溫2.0h,蒸養(yǎng)壓力為1.30MPa(砌塊)、1.35MPa(板材),最高恒溫溫度為180~200℃。2.7加固區(qū)試驗結(jié)果本試驗研究的目的是在確保澆注穩(wěn)定的前提下,確定試驗用水料比及水泥、石灰、石膏、銅尾礦的優(yōu)化配合比方案。而上述的試驗結(jié)果是建立在單因素的基礎(chǔ)上,并不能確定在加氣混凝土生產(chǎn)中哪個因素起主要作用,所以選擇L16(45)正交表來安排,以期得到更多的參數(shù)。試驗因素水平見表3。試驗(55℃熱水?dāng)嚢琛?5℃恒溫養(yǎng)護(hù))次數(shù)為16次,每組成型6個試件(100mm×100mm×100mm),試驗結(jié)果取該組加氣混凝土的干密度、抗壓強(qiáng)度的平均值以及比強(qiáng)度,并對比強(qiáng)度進(jìn)行極差分析。上述各因素對加氣混凝土絕干比強(qiáng)度的影響見圖13。從圖13可以看出,各因素對比強(qiáng)度影響的主次順序如下:銅尾礦摻量對比強(qiáng)度的影響最大、石膏摻量和水料比次之、水泥和石灰影響相對最小。銅尾礦制備加氣混凝土的最佳配合比為:銅尾礦32%、硅砂34%、石灰20%、水泥8%、石膏6%,水料比0.53,穩(wěn)泡劑適量。工藝條件為50℃熱水?dāng)嚢?料漿澆注溫度44℃左右),45℃恒溫養(yǎng)護(hù)。2.8加標(biāo)混凝土最優(yōu)配合比試驗根據(jù)北京金隅加氣混凝土公司的生產(chǎn)經(jīng)驗,降低鋁粉用量可以提高加氣混凝土制品的干密度,另外,加入少許穩(wěn)泡劑可以很好地改善加氣混凝土氣孔結(jié)構(gòu),最終提高加氣混凝土制品的強(qiáng)度。銅尾礦制備加氣混凝土最優(yōu)配合比調(diào)整為:銅尾礦32%、硅砂34%、石灰20%、水泥8%、天然石膏6%、鋁粉0.057%,水料比0.53。為了驗證銅尾礦加氣混凝土最優(yōu)配合比以及上述分析的正確性,按上述最優(yōu)配合比進(jìn)行試驗,成型的加氣試件(100mm×100mm×100mm)按GB11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》中的規(guī)定測試,結(jié)果見表4。從表4可以看出,主要指標(biāo)抗壓強(qiáng)度和干密度均達(dá)到GB11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》規(guī)定的A3.5、B06級加氣混凝土合格品的要求,表明采用低硅銅尾礦生產(chǎn)加氣混凝土是可行的。2.9托勃莫來石與礦物的性質(zhì)為了進(jìn)一步考查試驗樣品的性能,對最優(yōu)配合比下所制備的試樣進(jìn)行SEM掃描電鏡和XRD譜圖分析,分別見圖14、圖15。從圖14可以看到,蒸壓條件下試樣斷面上是葉片狀和針狀托勃莫來石與結(jié)晶較差、凝膠狀、纖維狀的C-S-H(B)膠結(jié)在一起,大量葉片狀和針狀結(jié)晶良好的托勃莫來石長度在1~2μm;氣孔內(nèi)壁多為一簇簇長2~3μm、寬約1μm的柳葉狀托勃莫來石和少量的水石榴子石。從圖15可以看出,銅尾礦加氣混凝土試樣的水化產(chǎn)物主要為托勃莫來石、C-S-H、水石榴子石,還有未參加反應(yīng)的石英(SiO2),這與通過SEM分析結(jié)果基本一致。加氣混凝土中必須有足夠量的托勃莫來石以及C-S-H凝膠才能得到性能良好的產(chǎn)品,這與樣品測試結(jié)果基本一致。3硅銅尾礦與改性混凝土的配合比(1)利用低硅銅尾礦生產(chǎn)加氣混凝土是可行的,產(chǎn)品屬低能耗、環(huán)保型新型墻材,具有節(jié)能、節(jié)土的優(yōu)點(diǎn),充分體現(xiàn)環(huán)保利廢和建筑節(jié)能的要求。(2)利用低硅銅尾礦制備加