顧曉薇 王屾宇 劉劍平 寧寶寬 劉 朋 張延年

(1.東北大學(xué)智慧水利與資源環(huán)境科技創(chuàng)新中心,遼寧 沈陽 110819;2.沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870;3.沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)

鐵尾礦砂是鐵礦石選礦的副產(chǎn)物,粒徑多在1.0 mm以下[1],且活性低[2-3],因而作為膠凝材料摻合料[4-5]或混凝土細(xì)骨料[6-7]使用時均難以實(shí)現(xiàn)較高的利用率(一般在40%以下),受鐵尾礦砂成分影響,目前仍以堆存為主。鐵尾礦砂的堆存不僅占用大量的土地資源,還可能在水力滲透條件下污染周圍土壤[8],因此提高鐵尾礦砂的利用率是亟待解決的問題。

蒸壓加氣輕質(zhì)混凝土(Autoclaved Aerated Lightweight Concrete,ALC)是一種輕質(zhì)、保溫、耐火、抗凍、抗?jié)B、隔音的新型墻體材料[9-10],可作為裝配式建筑的外墻、隔墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件[11]。但由于需要采用SiO2含量較高的硅砂或細(xì)石英砂為原材料,導(dǎo)致其制備成本較高。若能采用固廢材料替代硅砂或細(xì)石英砂,不僅能降低ALC的制備成本,還能減少硅砂或細(xì)石英砂的需求量以及固廢材料堆存對生態(tài)環(huán)境帶來的不利影響。

目前,已有一些研究采用不同固廢材料替代硅砂或細(xì)石英砂制備ALC,其中包括長英巖、硅灰、石英尾礦以及鈀鉑尾礦等。然而,這些研究采用的長英巖石粉、鈀鉑尾礦等硅含量偏低[12-13],硅灰粒徑過小[14],石英尾礦雜質(zhì)含量較高[15]。鐵尾礦砂可能是替代硅砂或細(xì)石英砂制備ALC的理想材料之一,一方面,鐵尾礦砂的化學(xué)組成多以SiO2為主,與硅砂或細(xì)石英砂相似;另一方面,制備ALC的硅砂或細(xì)石英砂為細(xì)砂,粒徑在0.25～0.125 mm,鐵尾礦砂的粒徑也與其相近。在現(xiàn)有的鐵尾礦砂替代硅砂或細(xì)石英砂制備ALC的研究中,鐵尾礦砂的替代率普遍在35%～50%[16-17],其替代率受鐵尾礦砂中SiO2含量影響。為提升固廢摻量以及制品性能,采用高硅型鐵尾礦砂與粉煤灰復(fù)摻替代硅砂制備ALC試件,揭示了ALC試件抗壓強(qiáng)度及干體積密度隨鐵尾礦砂與粉煤灰混合比例增長的變化規(guī)律;在最佳混合比例基礎(chǔ)上研究了水膠比對ALC試件抗壓強(qiáng)度及干體積密度的影響,并結(jié)合微觀分析,解釋了適當(dāng)水膠比下?lián)借F尾礦砂ALC試件強(qiáng)度形成與增長的機(jī)理。研究結(jié)果可為高硅型鐵尾礦砂替代硅砂或細(xì)石英砂制備ALC提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

(1)鐵尾礦砂。取自遼寧本溪歪頭山鐵礦,表觀密度為2.83 g/cm3,D10=57.2μm,D50=166μm,D90=344μm,鐵尾礦砂粒徑分布曲線及物相分析結(jié)果分別見圖1、圖2。

圖1 鐵尾礦砂粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of the iron tailings sand

圖2 鐵尾礦砂XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of the iron tailings sand

(2)粉煤灰。亞泰集團(tuán)沈陽建材有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰,表觀密度為2.07 g/cm3。

(3)水泥。大連小野田水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,初凝時間為152min,終凝時間為262 min,比表面積為318 m2/kg。用ISO法測得的3 d抗壓強(qiáng)度為18.7 MPa、抗折強(qiáng)度為4.3 MPa;28 d抗壓強(qiáng)度為45.1MPa,抗折強(qiáng)度為6.8MPa,滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)規(guī)范要求。

(4)生石灰。遼寧壕琪鈣業(yè)有限公司生產(chǎn)的生石灰,消解時間和消解溫度分別為6 min和93℃,CaO和MgO含量均滿足《硅酸鹽建筑制品用生石灰》(JC/T 621—2009)規(guī)范要求。

(5)脫硫石膏。沈陽市鑫美嘉建筑裝飾材料有限公司生產(chǎn)的脫硫石膏,外觀呈淺黃色。

(6)鋁粉。北京紅譽(yù)新材科技有限公司生產(chǎn)的親水發(fā)氣純鋁粉,水分散性良好,無團(tuán)聚現(xiàn)象,純度為95%。

原料主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 原料主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the main chemical composition of raw materials %

1.2 摻鐵尾礦砂ALC試件的制備

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

基于ALC生產(chǎn)配合比,控制水膠比為1.32,鋁粉與總物料的質(zhì)量比為0.09%,采用不同質(zhì)量配比的鐵尾礦砂與粉煤灰替代細(xì)石英砂制備ALC試件,具體試驗(yàn)配合比見表2;控制鋁粉與總物料的質(zhì)量比為0.09%,按表3所示配合比,研究不同水膠比條件下?lián)借F尾礦砂ALC試件的抗壓強(qiáng)度及干密度。

表2 鐵尾礦砂/粉煤灰混合比例試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)Table 2 Mixing design of the mixing ratio experiment of the iron tailing sand and fly ash %

表3 水膠比試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)Table 3 Mixing design of the water-binder ratio experiment %

1.2.2 試件制備

將相應(yīng)質(zhì)量的鐵尾礦砂、粉煤灰、脫硫石膏與適量水混合配制濕磨砂漿,利用XQM-8A型行星式球磨機(jī)進(jìn)行濕磨,控制濕磨砂漿含水量為50%,濕磨時間為20 min。將鋁粉與溫水(溫度35～40℃)混合,搖勻形成鋁粉懸浮液。將濕磨砂漿、水泥和石灰倒入水泥漿高速攪拌機(jī)攪拌150 s,之后加入鋁粉懸浮液攪拌50 s,同時加入外加水調(diào)整至試驗(yàn)所需水膠比。待攪拌結(jié)束后,將混合料倒入尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的模具內(nèi),振搗后放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱,在80℃靜養(yǎng)3.5 h脫模,將試件放入蒸壓釜,在1.2 MPa、190℃的條件下蒸壓養(yǎng)護(hù)10 h。

1.3 摻鐵尾礦砂ALC試件性能測試

將蒸壓養(yǎng)護(hù)后的試件放入溫度為105±5℃的烘干箱中烘干至恒重,使用刻度尺測量試件的尺寸,采用電子天平測量質(zhì)量,并計(jì)算干體積密度;將蒸壓養(yǎng)護(hù)至恒重的試件自然冷卻至室溫,采用WDW-20型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),加載速率為1mm/min;將內(nèi)徑5 cm、高10 cm的鋼制圓柱形筒體置于光滑鋼板上,把制備好的料漿倒入筒內(nèi),直至料漿與圓筒頂面平行,然后緩慢垂直提起圓筒,料漿擴(kuò)展形成的圓形的直徑即為料漿的坍落流動度。采用Smartlab 9kw型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析,掃描范圍為5°～90°,掃描步長為 0.02°;采用德國蔡司Sigma 300型掃描電子顯微鏡進(jìn)行SEM,分辨率為1.0 nm,加速電壓3 kV。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鐵尾礦砂/粉煤灰混合比例對試件性能的影響

試驗(yàn)控制鐵尾礦砂和粉煤灰的總摻量不變,即以鐵尾礦砂和粉煤灰替換ALC中所有細(xì)石英砂,試件干體積密度、抗壓強(qiáng)度隨鐵尾礦砂與粉煤灰混合比例的變化趨勢如圖3所示。

圖3 鐵尾礦砂/粉煤灰混合比例對試件性能的影響Fig.3 The Influence of iron tailing sand/fly ash mixing ratio on specimen performance

由圖3可知,試件的干體積密度隨鐵尾礦砂占比的增大而增大,這與鐵尾礦砂密度大于粉煤灰密度(通常為1.1～2.4 g/cm3)有關(guān);試件的抗壓強(qiáng)度隨鐵尾礦砂占比的增大呈先增大后減小的趨勢,最大抗壓強(qiáng)度對應(yīng)的鐵尾礦砂與粉煤灰混合比例為6.98∶1,全摻鐵尾礦砂(試件IOT-71.8)會在靜養(yǎng)過程中產(chǎn)生沉淀現(xiàn)象,無法形成均勻液相,孔隙結(jié)構(gòu)不均勻?qū)е驴箟簭?qiáng)度下降;滿足抗壓強(qiáng)度及干體積密度要求的鐵尾礦砂/粉煤灰混合比例為 1.65∶1、2.99∶1及6.98∶1,后續(xù)研究選用力學(xué)性能較好的鐵尾礦砂/粉煤灰混合比,即6.98∶1。

2.2 水膠比對試件性能的影響

水膠比過大,料漿的坍落流動度增大,氣泡大小不均,導(dǎo)致早期塌模,所制備試件的強(qiáng)度降低;水膠比過小,料漿稠化過快,不易產(chǎn)生氣泡。因此,適當(dāng)?shù)乃z比可以使?jié)沧⒏臃€(wěn)定,孔結(jié)構(gòu)均勻致密,試件強(qiáng)度相對提高[15]。不同水膠比的裝模料漿坍落流動度見圖4。

圖4 水膠比對料漿流動性的影響Fig.4 The influence of water-binder ratio on slurry fluidity

由圖4可知,水膠比較小(1.20)的料漿,黏度較大,擴(kuò)散度直徑為23 cm;水膠比較大(1.60)的料漿黏度較小,表現(xiàn)出很好的流動性,擴(kuò)散度直徑達(dá)27 cm。料漿黏度的改變直接影響其表面張力,進(jìn)而改變內(nèi)部氣孔的孔徑,間接反映在干體積密度以及抗壓強(qiáng)度的改變上,試件干體積密度、抗壓強(qiáng)度隨水膠比的變化趨勢如圖5所示。

圖5 水膠比對試件性能的影響Fig.5 The Influence of water-binder ratio on specimen performance

由圖5可知,試件的干體積密度和抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大而降低。在一定范圍內(nèi),隨著水膠比的增大,干體積密度的下降趨勢減緩,而抗壓強(qiáng)度在水膠比大于1.40之后出現(xiàn)明顯下降,其原因?yàn)?隨著水膠比的增大,體系中水含量增多,對料漿增稠產(chǎn)生不利影響,液相對生成氣體的阻力降低,氣體膨脹倍率變大,氣泡之間無法形成孔壁從而聯(lián)通,承受壓力時出現(xiàn)應(yīng)力薄弱點(diǎn),且使氣泡由相對獨(dú)立到聯(lián)通的水膠比介于1.40～1.50。此物料配合比下滿足要求的水膠比為1.40及1.50,但水膠比由1.40增加到1.50,強(qiáng)度下降13.7%,而干體積密度僅下降了5.7%,為使制備的試件具有較好的力學(xué)性能,選擇水膠比為1.40。

2.3 摻鐵尾礦砂ALC試件微觀分析

2.3.1 摻鐵尾礦砂ALC試件XRD分析

蒸壓養(yǎng)護(hù)發(fā)生的硅鈣反應(yīng)是蒸壓加氣輕質(zhì)混凝土生成新物相的主要過程,在IOT-62.8及W/B-1.4配合比下制備的鐵尾礦砂蒸壓加氣輕質(zhì)混凝土試件的XRD圖譜如圖6所示。

圖6 鐵尾礦砂蒸壓加氣輕質(zhì)混凝土試件XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of autoclaved aerated lightweight concrete specimen with iron tailing sand

由圖6可知,2組試件物相基本一致,主要晶相為石英以及新生成的水化產(chǎn)物,包括托貝莫來石、硅鈣水合物及沸石。從物相衍射峰的半高寬以及峰高可以看出,托貝莫來石的結(jié)晶度明顯優(yōu)于硅鈣水合物,W/B-1.4組的SiO2衍射峰相對強(qiáng)度明顯降低,說明更多的SiO2轉(zhuǎn)化為活性SiO2參與水化反應(yīng)。

2.3.2 鐵尾礦砂蒸壓加氣輕質(zhì)混凝土SEM分析

體系中水化產(chǎn)物隨著Ca/Si的不同而改變,當(dāng)Ca/Si＜0.6時,C—S—H凝膠與水化產(chǎn)物共存[18],起到一定的膠凝作用,而提升強(qiáng)度的主要原因是由于生成更加穩(wěn)定的CSH-Ⅱ型水化產(chǎn)物[19],托貝莫來石的微觀形態(tài)主要有針葉狀以及板狀,板狀托貝莫來石之間的結(jié)合力要優(yōu)于針葉狀[20]。圖7(a)～(c)為W/B-1.4組配合比下制備的鐵尾礦砂蒸壓加氣輕質(zhì)混凝土試件的SEM圖;圖7(d)～(f)為在IOT-62.8組配合比下制備的鐵尾礦砂蒸壓加氣輕質(zhì)混凝土試件的SEM圖。

圖7(a)顯示了試件斷面的水化產(chǎn)物分布情況,整體密集成團(tuán),沒有明顯裂隙,在水化產(chǎn)物周圍有未反應(yīng)的石英(SiO2);圖7(b)進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論,水化形成大量板狀的托貝莫來石,混合了少量C—S—H凝膠,形成良好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在承壓時不易引起應(yīng)力集中。由圖7(c)可知,托貝莫來石呈現(xiàn)交錯結(jié)構(gòu)形態(tài),長度在2～3μm且產(chǎn)物之間存在孔隙,符合其低密度的特點(diǎn)。不同水膠比下,水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)形態(tài)不同,圖7(d)較(a)破壞裂隙更加明顯,圖7(e)顯示的水化產(chǎn)物整體更為密實(shí),提升了強(qiáng)度的同時也增大了干體積密度,圖7(f)中顯示了少量的X型-沸石類礦物,大小不一,形狀不規(guī)則,無法輔助提升抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

(1)隨著鐵尾礦砂占比的增大,蒸壓加氣輕質(zhì)混凝土試件的干體積密度逐漸增大,抗壓強(qiáng)度先增大后降低;隨著水膠比的增大,蒸壓加氣輕質(zhì)混凝土試件的干體積密度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

(2)當(dāng)鐵尾礦砂、粉煤灰、水泥、石灰及脫硫石膏質(zhì)量比為 62.8∶9.0∶16.9∶8.9∶2.4 時,控制水膠比為1.40,成功制備出試件抗壓強(qiáng)度為4.15 MPa、干體積密度為576 kg/m3的蒸壓加氣輕質(zhì)混凝土,滿足《蒸壓加氣混凝土砌塊》(GB/T 11968—2020)規(guī)定的強(qiáng)度等級A3.5、干體積密度等級B06的要求。

(3)在高溫高壓養(yǎng)護(hù)條件下,鐵尾礦砂蒸壓加氣輕質(zhì)混凝土的水化產(chǎn)物主要為沸石類以及托貝莫來石類礦物,體系中同時含有一定量的硅鈣水合物(C—S—H凝膠),水化產(chǎn)物托貝莫來石主要形態(tài)為板狀,長度為2～3μm,結(jié)構(gòu)形態(tài)為致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),優(yōu)于硅鈣水合物(C—S—H凝膠)的結(jié)構(gòu)形態(tài),且殘余的石英作為骨料存在于試件中,起到填充作用,輔助提升強(qiáng)度。