高 東 趙海濤 仲偉程

（黑龍江省建筑材料工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院，黑龍江 哈爾濱 150080）

黑龍江省石墨資源豐富，石墨儲量占全國64%、占世界45%。全國晶質(zhì)石墨年產(chǎn)量50萬t左右，選礦尾礦年排放量600萬t以上。全國晶質(zhì)石墨選礦廠均建設(shè)有尾礦壩，將尾礦存放于尾礦壩內(nèi)，連年累積存量巨大，占用大量土地資源，石墨尾礦的綜合利用勢在必行。近年來，國內(nèi)石墨尾礦多用于生產(chǎn)免燒磚、制備承重?zé)Y(jié)磚、燒結(jié)多孔磚、環(huán)保陶瓷生態(tài)磚、高速公路基層等方面。目前，我省只有石墨尾礦用于陶瓷、燒結(jié)磚和高速公路基層料方面的研究，石墨尾礦泡沫混凝土的研究內(nèi)容相對較少。

本文利用石墨生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)過程排放的大量石墨尾礦，以通用水泥為主要膠凝材料，分別加入泡沫劑、減水劑等功能性外加劑，通過對生產(chǎn)工藝和養(yǎng)護(hù)工藝的選擇，制成滿足綠色建筑砌體要求的泡沫混凝土，大量利廢，綜合利用。泡沫混凝土是通過發(fā)泡機的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑用機械方式充分發(fā)泡，并將泡沫與水泥漿體等均勻混合，然后進(jìn)行現(xiàn)澆施工或模具成型，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)后形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質(zhì)保溫材料。圖1為石墨尾礦壩。

圖1 石墨尾礦壩

1 原料及試驗

1.1 原材料

1.1.1 石墨尾礦

石墨尾礦的礦物組成一般包括石英、長石、云母、透閃石、透輝石、方解石、硫鐵礦、石墨、高嶺石、鈦鐵礦等。尾礦的粒度組成各石墨礦之間雖有所差異，但一般粒度分布比較集中，主要集中范圍在0～0.6mm。

試驗選用鶴崗市蘿北縣石墨產(chǎn)業(yè)園區(qū)的石墨尾礦，篩分結(jié)果見表1，化學(xué)分析結(jié)果見表2。尾礦的化學(xué)組成以SiO2為主，其中Al2O3、Fe2O3、CaO的含量也較高，細(xì)度模數(shù)為1.3，堆積密度為1 590kg/m3，含泥量為7.8%，含水率為6.9%。

表1 石墨尾礦篩分結(jié)果

表2 石墨尾礦試驗分析結(jié)果

1.1.2 水泥

水泥選用普通硅酸鹽水泥P·O42.5，試驗結(jié)果見表3。

表3 水泥試驗分析結(jié)果

1.1.3 發(fā)泡設(shè)備和泡沫劑

發(fā)泡機選用便攜式水泥發(fā)泡機，攪拌機選用快速泡沫混凝土攪拌機。

分別對D1動物蛋白水泥發(fā)泡劑、Z1植物蛋白水泥發(fā)泡劑和Z2植物蛋白水泥發(fā)泡劑進(jìn)行試配試驗，其中，D1水泥發(fā)泡劑稀釋比例1∶20，Z1水泥發(fā)泡劑稀釋比例1∶40，Z2水泥發(fā)泡劑稀釋比例1∶33，D1、Z1兩種發(fā)泡劑為深褐色液體，pH值為7.0，Z2發(fā)泡劑為無色透明液體，pH值為7.0。經(jīng)試驗試配D1動物蛋白水泥發(fā)泡劑的穩(wěn)泡性更好，與石墨尾礦的適應(yīng)性較好，本課題選用D1動物蛋白水泥發(fā)泡劑為課題用發(fā)泡劑。

1.1.4 外加劑

通過以往的試驗經(jīng)驗選擇了3種減水效果較好的減水劑，對3種減水劑的減水率、與水泥和石墨尾礦的適應(yīng)性進(jìn)行試驗，本課題選用聚羧酸高效減水劑，其建議摻量為0.2%～0.3%，減水效果在30%～40%。

1.2 試驗內(nèi)容

1.2.1 配合比設(shè)計

本試驗?zāi)康氖谴罅坷檬驳V，石墨尾礦固體廢物的用量應(yīng)≥60%，且石墨尾礦泡沫混凝土最終滿足《泡沫混凝土砌塊》（JC/T 1062-2007）要求：強度等級達(dá)到≥A3.5、密度≤B08、導(dǎo)熱系數(shù)≤0.21W/m·K、抗凍性達(dá)到嚴(yán)寒地區(qū)的F50要求。

通過對試驗結(jié)果的分析，不斷調(diào)整配合比設(shè)計及試塊的養(yǎng)護(hù)方式，當(dāng)試驗拌和物中不摻加石墨尾礦時，隨著泡沫的摻入量增加，試塊的干表面密度、強度隨之降低。當(dāng)石墨尾礦摻入量為70%時，水灰比在0.5～0.6，由于石墨尾礦的大量摻加，拌合物的流動性差，拌合物中漿體較少，對石墨尾礦和泡沫的包裹差，脫模時強度低，試塊破損嚴(yán)重，需要加入外加劑調(diào)節(jié)拌合物性能。通過試驗結(jié)果分析，石墨尾礦摻入量超過60%時，拌和物和試塊的性能不能達(dá)到課題的預(yù)期指標(biāo)，后期試驗按石墨尾礦摻入量為60%進(jìn)行項目研究。石墨尾礦泡沫混凝土配合比見表4。

表4 石墨尾礦泡沫混凝土配合比

經(jīng)試驗驗證，將石墨尾礦、水泥、減水劑和水按設(shè)計配合比攪拌均勻后，再將經(jīng)發(fā)泡機制成的泡沫加入到漿體中，先慢速攪拌10s，再快速攪拌30～50s，以所加入的泡沫完全均勻地攪拌入漿體為準(zhǔn)，通過控制拌和物的密度，調(diào)整泡沫的加入量，確保試塊的密度小于830kg/m3，將攪拌均勻的泡沫混凝土澆筑到100mm的立方體模具中，在室溫下養(yǎng)護(hù)3d后脫模，將試塊放置在溫度20℃±2℃、相對濕度大于95%的環(huán)境養(yǎng)護(hù)至齡期進(jìn)行下一步試驗。試驗流程如圖2所示。

圖2 試驗流程圖

1.2.2 配合比的確定

按初步配合比設(shè)計試驗，選擇滿足強度等級和密度等級的配合比作為基準(zhǔn)配合比，在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步試驗，驗證其他指標(biāo)，各配合比試塊的密度和28d抗壓強度見表5。

表5 石墨尾礦泡沫混凝土試驗結(jié)果

通過對各配合比數(shù)據(jù)分析，選定A11為基礎(chǔ)配合比進(jìn)行其他指標(biāo)驗證，試驗結(jié)果見表6。

表6 配合比驗證試驗結(jié)果

泡沫混凝土抗凍性的好壞，直接影響其在黑龍江省等寒冷地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用。泡沫混凝土的開口孔隙率越大，吸水率越大，則其抗凍性越差，泡沫混凝土的閉口孔隙率越大，吸水率越小，則其抗凍性越好。泡沫混凝土中摻入大量的泡沫，泡沫的形態(tài)、穩(wěn)定性直接影響泡沫混凝土的閉口孔隙率，從而影響泡沫混凝土的抗凍性等性能。

不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同，泡沫混凝土的干密度、孔隙率等都影響其導(dǎo)熱系數(shù)的大小，隨著泡沫混凝土的孔隙率增大，其導(dǎo)熱系數(shù)呈下降趨勢。

1.2.3 試驗方法

石墨尾礦泡沫混凝土最終應(yīng)滿足《泡沫混凝土砌塊》（JC/T 1062-2007）要求，其規(guī)范性引用文件中對GB/T 11971-1997、GB/T 11970-1997、GB/T 11973-1997為強制引用，故試驗方法按下列進(jìn)行：①抗壓強度按《加氣混凝土力學(xué)性能試驗方法》（GB/T 11971-1997）進(jìn)行試驗。②密度按《加氣混凝土體積密度 含水率和吸水率試驗方法》（GB/T 11970-1997）進(jìn)行試驗。③導(dǎo)熱系數(shù)按《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護(hù)熱板法》（GB/T 10294-2008）進(jìn)行試驗。④抗凍性按《加氣混凝土抗凍性試驗方法》（GB/T 11973-1997）進(jìn)行試驗。

2 性能分析

2.1 石墨尾礦摻加量對泡沫混凝土性能的影響

石墨尾礦的粒度較細(xì)，比重較大，摻加大量石墨尾礦的泡沫混凝土，石墨尾礦容易分層沉積在試塊底部，對泡沫混凝土的均勻性、密度影響較大。

石墨尾礦的含泥量高，其中含有部分石墨成分，混凝土拌合物表面上浮石墨，引起泡沫混凝土的強度降低，出現(xiàn)試塊表面剝離、收縮等現(xiàn)象。圖3為泡沫混凝土表面上浮石墨、圖4為水洗石墨尾礦表面石墨。

圖3 泡沫混凝土表面上浮石墨

圖4 水洗石墨尾礦表面石墨

2.2 泡沫對泡沫混凝土性能的影響

隨著泡沫摻量的增加，泡沫混凝土的孔隙率不斷增大，平均孔隙直徑也增大，泡沫混凝土的干密度不斷減小，泡沫的增加直接影響泡沫混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。泡沫過量加入，會導(dǎo)致破泡現(xiàn)象增加，嚴(yán)重時出現(xiàn)塌模、試塊脫模破損等現(xiàn)象。圖5為YS-500泡沫。

圖5 YS-500泡沫

因石墨尾礦的比重較大，在泡沫混凝土中容易下沉，影響泡沫混凝土的均勻性，破壞混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇黏聚性好、韌性好、穩(wěn)定性好、泡沫直徑較小的發(fā)泡劑，這樣的泡沫混凝土才能澆筑性穩(wěn)定、連通孔較少、保溫性能好、吸水率小、抗凍性好。圖6為A8配合比泡沫混凝土試塊表面孔隙圖樣、圖7為 A8配合比泡沫混凝土試塊內(nèi)部孔隙圖樣。

圖6 A8配合比泡沫混凝土試塊表面孔隙

圖7 A8配合比泡沫混凝土試塊內(nèi)部孔隙

2.3 水灰比對泡沫混凝土性能的影響

水灰比大，料漿太稀且黏度太低，對泡沫沒有穩(wěn)定作用，容易塌模，強度低。水灰比小，料漿太干，料漿流動度低，料漿中很難摻入較多的泡沫，試塊難于成型。因料漿中摻入泡沫，成型時應(yīng)避免震動，故水灰比小混凝土的密度較大，強度也達(dá)不到設(shè)計要求。

聚羧酸高效減水劑有效地解決了泡沫混凝土的水灰比和流動度的問題，合理的外加劑摻量能有效減小水灰比，提高泡沫混凝土的強度。

3 結(jié)語

（1）試驗結(jié)果表明，當(dāng)泡沫混凝土中石墨尾礦固體廢物用量為60%時，泡沫混凝土性能滿足強度等級≥A3.5、密度≤B08、導(dǎo)熱系數(shù)≤0.21W/m·K、抗凍性達(dá)到嚴(yán)寒地區(qū)的F50指標(biāo)要求。（2）泡沫混凝土的抗壓強度受干密度影響較大，在相同水灰比下，當(dāng)泡沫的摻加量增大時，試塊的干表面密度降低，泡沫混凝土的抗壓強度隨之降低。（3）泡沫混凝土的水灰比增大時，泡沫的最大摻入量增加，更容易得到干表面密度低的試塊，但泡沫混凝土的強度降低明顯，選擇合適的減水劑，控制泡沫混凝土的水灰比≤0.5時，強度等級更容易達(dá)到A3.5以上。（4）泡沫混凝土中摻入大量石墨尾礦時，選擇黏聚性好、韌性好、穩(wěn)定性好、泡沫直徑較小的發(fā)泡劑，泡沫混凝土的穩(wěn)定性更好。（5）泡沫混凝土中摻入大量石墨尾礦時，因早期強度低，需要2～3d的常溫養(yǎng)護(hù)，才能保證砌塊的完整性。