陳剛，蔡國俊，黃峰，梅江濤，許斌

（中建八局第三建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

隨著國家對礦產(chǎn)需求的不斷提高，因選礦產(chǎn)生的尾礦量也在逐年攀升。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2020～2021年我國工業(yè)固廢利用量約20.59億t[1]，其中尾礦僅占3.12億t。傳統(tǒng)的建庫堆放、就地填埋等措施不僅占用土地、污染生態(tài)環(huán)境，且在當(dāng)?shù)貥?gòu)成重大安全隱患。如何將尾礦砂高效利用，服務(wù)于國家發(fā)展建設(shè)，成為當(dāng)前亟待解決的問題。

程云虹等[2]將高硅型鐵尾礦進(jìn)行機(jī)械力化學(xué)活化，并利用其替代部分水泥制備混凝土。研究表明，適量摻入可提高混凝土的抗硫酸鹽腐蝕能力；杜顏勝等[3]利用銅尾礦作骨料制備矩形鋼管再生混凝土，并探究其抗震性能。分析顯示，該混凝土具有良好的變形能力；侯云芬等[4]利用鐵尾礦粉為部分原材料制備水泥砂漿，并探究其摻量對砂漿性能的影響。分析表明，鐵尾礦粉可減少砂漿的有害孔數(shù)量和整體孔隙率，將摻量控制在50%以內(nèi)可有效改善砂漿的流動(dòng)性；徐珊等[5]以尾礦、黏土以及活性污泥等為原材料，制備出抗壓強(qiáng)度大于10MPa、透水系數(shù)為1.0×10-2cm/s的環(huán)保型透水磚；丁正東和孫家瑛[6]利用水玻璃為活性激發(fā)劑，珍珠巖尾礦、?；郀t礦渣微粉為主要原料，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d制備出筒壓強(qiáng)度大于7.0 MPa、密度等級900kg/m3的無熟料免燒陶粒。結(jié)合現(xiàn)有研究情況來看，部分尾礦存在一定的力學(xué)性能和化學(xué)活性，具備制作建筑材料的基礎(chǔ)。

作為主要糧食生產(chǎn)大國，2020年我國的秸稈產(chǎn)量已達(dá)到8.56×108t[7]。受技術(shù)水平限制，農(nóng)村常采用就地焚燒或自然降解等方式處理。不僅利用率較低，且容易造成大氣污染。另一方面，廢棄聚苯乙烯（EPS）因質(zhì)量輕、回收難且無法自然降解，容易造成“白色污染”。就性能特征來看，秸稈和廢棄EPS具有質(zhì)量輕、隔熱效果好等優(yōu)點(diǎn)，利用其研制建筑保溫材料，可顯著提高二者的綜合利用率。

本研究以超細(xì)尾礦粉為主要原材料，以改性EPS和小麥秸稈為填充料，水泥作膠凝材料，在活性激發(fā)劑的作用下，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)研制出具有一定力學(xué)性能、耐久性和保溫性能的固廢基免燒保溫磚。研究了秸稈和改性EPS用量對保溫磚主要性能的影響，并對其配比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 原材料

活性激發(fā)劑（AA）：由水玻璃、Na2SO4和NaOH按質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、4%和2%配制形成，其余為自來水。其中水玻璃模數(shù)為1.5，波美度40；Na2SO4為粉末狀，純度≥98%；NaOH呈片狀，純度≥97%。

超細(xì)尾礦粉（STP）：取自江蘇省鎮(zhèn)江市某礦場，由銅尾礦和鐵尾礦按質(zhì)量比1∶1混合形成。先置于高溫環(huán)境下干燥，除去結(jié)合水等易揮發(fā)性物質(zhì)，之后經(jīng)高度研磨形成細(xì)度在1200～1500目的超細(xì)粉末，主要礦物組分見表1?；钚约ぐl(fā)劑用量分別為超細(xì)尾礦粉的1.0%、2.0%和3.0%時(shí)，其7、28 d活性指數(shù)滿足S95級礦粉要求，具體指數(shù)見表2。

表1 超細(xì)尾礦粉化學(xué)組分 %

表2 超細(xì)尾礦粉活性指數(shù)

改性EPS：粒徑約1.5～2.0 mm，堆積密度約5.3 kg/m3。使用前將表面清洗干凈，于自然條件下風(fēng)干后采用純度≥98%的三乙醇胺改性，可有效緩解其上浮及憎水性。三乙醇胺用量以剛好完全包裹住EPS表面為宜。

秸稈（WS）：選用小麥秸稈，先置于水中浸泡6 h，使其中糖分和纖維素析出，待自然條件下風(fēng)干后切割成長度約1 cm、寬度小于1 mm的絲狀體。

水泥：海螺牌P·O42.5水泥，其主要物理力學(xué)性能見表3。

表3 水泥的主要物理力學(xué)性能

1.2 固廢基免燒保溫磚的制備

先將活性激發(fā)劑、超細(xì)尾礦粉、小麥秸稈和水泥按設(shè)計(jì)比例混合均勻，經(jīng)加水拌和形成具有可塑性而無明顯泌水現(xiàn)象的混合體。將改性EPS與混合體拌和均勻，之后投入擠磚機(jī)，經(jīng)2 MPa的擠出應(yīng)力制成尺寸為240 mm×115 mm×90 mm，圓孔直徑10 mm，孔隙率約40%的坯體。將坯體置于常溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28d，制備固廢基免燒保溫磚。坯體的外觀形狀見圖1。

圖1 坯體外觀形狀

1.3 試驗(yàn)方案

結(jié)合保溫磚性能特征以及大量試驗(yàn)，確定活性激發(fā)劑、改性EPS和小麥秸稈用量為影響保溫磚力學(xué)性能、耐久性和保溫性能的主要因素。結(jié)合表2數(shù)據(jù)，控制活性激發(fā)劑和水泥分別取代超細(xì)尾礦粉質(zhì)量的3%和12%不變，采用單因素試驗(yàn)方法探究改性EPS和秸稈用量對保溫磚抗壓抗折強(qiáng)度、質(zhì)量與強(qiáng)度損失率以及導(dǎo)熱系數(shù)的影響，并對其配比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.4 性能測試方法

1.4.1 力學(xué)性能

按GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》，測試試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7、28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度。

1.4.2 耐久性

根據(jù)GB/T 2542—2012，對試件進(jìn)行連續(xù)50次凍融循環(huán)試驗(yàn)，采用質(zhì)量與強(qiáng)度損失率評價(jià)保溫磚的耐久性，其中每10次凍融循環(huán)采集1次數(shù)據(jù)。

1.4.3 保溫性能

待試件養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，采用XIATECH-TC3000E型導(dǎo)熱系數(shù)儀測定試件在25℃下的導(dǎo)熱系數(shù)，每組試件為3塊。為降低含水率對導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果的影響，于試驗(yàn)前將各組試件統(tǒng)一放置在50℃環(huán)境下烘干12 h，待冷卻至室溫后進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 改性EPS用量對保溫磚性能的影響

以超細(xì)尾礦粉質(zhì)量為基準(zhǔn)，將活性激發(fā)劑和水泥取代量維持在3%和12%，在僅使用改性EPS為填充料的情況下考察其用量對保溫磚力學(xué)性能、耐久性和保溫性能的影響。

2.1.1 力學(xué)性能分析（見表4）

表4 改性EPS用量對保溫磚力學(xué)性能的影響

由表4可見，提高改性EPS用量使不同齡期抗壓、抗折強(qiáng)度均降低。未摻改性EPS時(shí)，材料7 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為19.63 MPa和4.78 MPa。將改性EPS用量增加至1.5%、3.0%、4.5%和6.0%時(shí)，上述強(qiáng)度分別為18.17 MPa和4.33MPa，17.37 MPa和3.97 MPa，16.85 MPa和3.57 MPa，13.56 MPa和2.28 MPa，較未摻入時(shí)分別降低了7.4%和9.4%，11.5%和16.9%，14.2%和25.3%，30.9%和52.3%。

未摻入改性EPS時(shí)，28 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為25.78 MPa和7.16 MPa。當(dāng)改性EPS用量增加至1.5%、3.0%、4.5%和6.0%時(shí)，上述強(qiáng)度分別為24.93 MPa和6.58 MPa，23.62 MPa和6.03 MPa，21.97 MPa和5.36 MPa，18.02 MPa和3.87 MPa，較未摻改性EPS時(shí)降低了3.3%和8.1%，8.4%和15.8%，14.8%和25.1%，30.1%和45.9%。

2.1.2 耐久性分析

將改性EPS用量控制在0～6%，考察0～50次凍融循環(huán)下的質(zhì)量及抗壓強(qiáng)度損失率，結(jié)果見圖2。

圖2 改性EPS用量對保溫磚耐久性的影響

根據(jù)圖2可知，隨著改性EPS用量增加，保溫磚的抗壓強(qiáng)度損失率先減小后增大。未摻入改性EPS時(shí)，經(jīng)50次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度損失率為1.63%。將用量增加至1.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度損失率減小至1.5%；將改性EPS用量繼續(xù)增加至3.0%、4.5%和6.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度損失率分別為1.78%、1.96%和2.58%，較未摻改性EPS時(shí)增大9.2%、20.2%和58.3%。

改性EPS用量對質(zhì)量損失率的影響規(guī)律與強(qiáng)度相似。未摻改性EPS時(shí)50次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率為1.07%；當(dāng)用量為1.5%時(shí)，質(zhì)量損失率減小至1.01%；將用量進(jìn)一步增加至3.0%、4.5%和6.0%時(shí)，質(zhì)量損失率分別為1.12%、1.16%和1.56%，較未摻入時(shí)增大4.7%、8.4%和45.8%。

2.1.3 保溫性能分析

在不同改性EPS用量下，保溫磚的導(dǎo)熱系數(shù)見表5。

表5 改性EPS用量對保溫磚的保溫性能影響分析

由表5可見，增加改性EPS用量使材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低。未摻EPS組的導(dǎo)熱系數(shù)為0.1173 W/（m·K），將改性EPS用量增加至1.5%、3.0%、4.5%和6.0%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.0934、0.0805、0.0726和0.0621 W/（m·K），較未摻入時(shí)降低了20.4%、31.4%、38.1%和47.1%。

綜合以上分析，利用改性EPS為填充料可提高材料的保溫性能，但力學(xué)性能降低。材料的耐久性受其用量影響，呈先提高后降低的趨勢。當(dāng)改性EPS用量增加至6.0%時(shí)，對材料的力學(xué)性能和耐久性已產(chǎn)生較大影響。結(jié)合以上數(shù)據(jù)分析，確定改性EPS的最佳用量為4.5%。

2.2 秸稈用量對保溫磚性能的影響

在固定改性EPS用量為超細(xì)尾礦粉質(zhì)量4.5%的基礎(chǔ)上，將秸稈用量控制在2%～8%?？疾旖斩捰昧繉Ρ卮u力學(xué)性能、耐久性和保溫性能的影響規(guī)律。

2.2.1 力學(xué)性能分析（見表6）

表6 秸稈用量對保溫磚力學(xué)性能的影響

觀察表6，增加秸稈用量，材料7、28 d強(qiáng)度均提高。秸稈用量為2%、4%、6%和8%時(shí)，7 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為17.03 MPa和3.85 MPa、17.67 MPa和4.16 MPa、18.87 MPa和4.58 MPa、19.36 MPa和4.88 MPa，較未摻入組提高了1.1%和7.8%、4.9%和16.5%、12.0%和28.3%、14.9%和36.7%。

秸稈用量為2%、4%、6%和8%時(shí)，28 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為22.58 MPa和5.63 MPa、23.06 MPa和5.91 MPa、23.89 MPa和6.17 MPa、24.36 MPa和6.29 MPa，較未摻入時(shí)提高了2.8%和5.0%，5.0%和10.3%，8.7%和15.1%，10.9%和17.4%。

為探究固廢基免燒保溫磚的強(qiáng)度形成機(jī)理，待試件養(yǎng)護(hù)至7、28 d時(shí)，對改性EPS用量6%，秸稈用量8%的保溫磚進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果如圖3所示。

結(jié)合圖3分析，將試件養(yǎng)護(hù)至7 d時(shí)，其主要成分為石英和鈣礬石。在早期養(yǎng)護(hù)階段，水泥先參與水化反應(yīng)，生成C-SH凝膠和鈣礬石。在尾礦砂的精細(xì)化處理過程中，因破碎、高度研磨使顆粒體表面的致密結(jié)構(gòu)破壞，造成部分Si—O和Al—O鍵的斷裂。結(jié)合活性激發(fā)劑的作用，使其具備一定的化學(xué)活性。其中部分SiO2與Ca（OH）2反應(yīng)，繼續(xù)生成C-S-H凝膠，Al2O3經(jīng)歷一系列反應(yīng)形成鈣礬石。將小麥秸稈浸泡可降低其可溶性纖維質(zhì)素及糖分含量，因其具有一定的韌性，適當(dāng)摻入可改善保溫磚力學(xué)性能。改性EPS本身不具備化學(xué)活性和膠凝作用，故提高其用量使抗壓、抗折強(qiáng)度均降低。

隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，活性激發(fā)劑的作用逐漸凸顯。Na2SO4在堿性環(huán)境下可與游離Ca2+及AlO2-等反應(yīng)繼續(xù)生成鈣礬石、沸石和鈉長石；在堿性環(huán)境下，超細(xì)尾礦粉中的部分SiO2、Al2O3與OH-反應(yīng)生成C-S-H凝膠以及鈣沸石；水玻璃水解不僅釋放大量H4SiO4凝膠和OH-，在與Na＋、K＋及水玻璃中的游離態(tài)基團(tuán)反應(yīng)后可生成其他膠凝產(chǎn)物。本試驗(yàn)采用的超細(xì)尾礦粉細(xì)度在1200～1500目，比表面積大，可使上述反應(yīng)進(jìn)行得更快、更充分。圖4為保溫磚的SEM照片。

圖4 保溫磚的SEM分析

根據(jù)圖4所示的形貌特征可觀察到明顯的C-S-H凝膠、針尖狀鈣礬石、條狀長石和纖維狀沸石。

2.2.2 耐久性分析

將改性EPS用量控制在4.5%，改變秸稈用量，計(jì)算0～50次凍融循環(huán)下的質(zhì)量及抗壓強(qiáng)度損失率，結(jié)果見圖5。

圖5 秸稈用量對保溫磚耐久性的影響

結(jié)合圖5分析，提高秸稈用量使材料的抗壓強(qiáng)度及質(zhì)量損失率均增大。秸稈用量為2%、4%、6%和8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度及質(zhì)量損失率分別為2.11%和1.21%，2.31%和1.33%，2.55%和1.55%，3.26%和1.89%。較未摻入時(shí)分別增大了7.7%和4.3%，17.9%和14.7%，30.1%和33.6%，66.3%和62.9%。

2.2.3 保溫性能分析（見表7）

表7 秸稈用量對保溫磚導(dǎo)熱系數(shù)的影響

分析表7數(shù)據(jù)，材料導(dǎo)熱系數(shù)隨秸稈用量的增加而逐漸降低。秸稈用量分別為2%、4%、6%和8%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)分別較未摻入時(shí)降低8.7%、21.6%、34.7%和46.1%。

為研究改性EPS和秸稈用量對材料保溫性能和耐久性的影響機(jī)理，待試件養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，對其內(nèi)部填充料進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 填充料的SEM照片

由圖6可見，秸稈的表面較為致密，未發(fā)現(xiàn)明顯孔隙。受超細(xì)尾礦粉和活性激發(fā)劑中部分鹽溶液的封堵作用，將秸稈表面的孔隙轉(zhuǎn)化成若干個(gè)封閉的孔洞，在提高其整體密實(shí)度的同時(shí)，也能適當(dāng)改善保溫性能。因其具有一定的韌性，使得材料抗壓、抗折強(qiáng)度提高，導(dǎo)熱系數(shù)降低。但考慮到秸稈的抗凍及耐腐蝕能力差，使得材料強(qiáng)度及質(zhì)量損失率增大。改性EPS分布在材料內(nèi)表面上，因其抗凍能力強(qiáng)，少量摻入可改善保溫磚的耐久性。觀察其周邊沒有明顯膠凝類物質(zhì)，從形貌角度說明了改性EPS與其他材料間的粘結(jié)效果較差，故降低了膠凝材料的整體效果。

結(jié)合以上分析，在改性EPS用量在4.5%的基礎(chǔ)上，將秸稈用量控制在4%～6%，固廢基免燒保溫磚滿足GB/T 2542—2012規(guī)定的7 d抗壓強(qiáng)度≥17.5 MPa，抗折強(qiáng)度≥3.5 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度≥23.0 MPa，抗折強(qiáng)度≥5.5 MPa，凍融循環(huán)50次下的抗壓強(qiáng)度損失率≤2.5%，質(zhì)量損失率≤1.5%，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.055 W/（m·K）。

3 結(jié)論

（1）保溫磚在養(yǎng)護(hù)過程中，水泥先參與水化反應(yīng)生成CS-H凝膠、鈣礬石并提供堿性環(huán)境。在活性激發(fā)劑作用下，超細(xì)微礦粉中的部分SiO2、Al2O3與Ca（OH）2等反應(yīng)繼續(xù)生成C-S-H凝膠以及新的硅鋁酸鹽產(chǎn)物，如鈣礬石、沸石和鈉長石等。在C-S-H凝膠和新的化學(xué)結(jié)合力作用下，使其產(chǎn)生強(qiáng)度和耐久性。

（2）形貌分析顯示，改性EPS與其他材料間的粘結(jié)效果較差，造成保溫磚力學(xué)性能和耐久性的降低；秸稈經(jīng)超細(xì)尾礦粉和部分鹽溶液的封堵作用，將表面的孔隙轉(zhuǎn)化為若干封閉的孔洞，又因?yàn)槠浔旧砭哂幸欢g性，可提高保溫磚的力學(xué)性能和保溫性能。

（3）綜合分析，將改性EPS用量維持在4.5%，秸稈用量控制在4%～6%，固廢基免燒保溫磚滿足GB/T 2542—2012規(guī)定的7 d抗壓強(qiáng)度≥17.5 MPa，抗折強(qiáng)度≥3.5 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度≥23.0 MPa，抗折強(qiáng)度≥5.5 MPa，凍融循環(huán)50次下的抗壓強(qiáng)度損失率≤2.5%，質(zhì)量損失率≤1.5%，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.055 W/（m·K）。