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        磷尾礦制備加氣混凝土的實驗研究

        2023-10-21 01:17:14林華明LINHuaming
        價值工程 2023年28期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        林華明LIN Hua-ming

        (中國直升機設(shè)計研究所,景德鎮(zhèn) 333000)

        0 引言

        隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,施工建設(shè)工程越來越多、規(guī)模越來越大,對混凝土尤其是加氣混凝土的需求量也在逐步增大。制備加氣混凝土需要用到大量高品質(zhì)的硅質(zhì)原料,行業(yè)內(nèi)通常以河砂和粉煤灰為主,但隨著消耗量和需求量之間的矛盾突出,這些原材料的供給越來越緊張,制備成本也水漲船高,急需尋找新的替代材料。

        磷礦即磷酸鹽類礦物,作為一種重要的化工礦物原料,在工業(yè)、化工等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。但由于我國的磷礦品位不高,原礦在開采后遴選出的精礦比較少,余下的大量尾礦一般堆積在露天場地,既沒有得到充分利用,也會給生態(tài)環(huán)境帶來嚴重威脅。實際上,磷尾礦中富含SiO2和CaO 具有一定活性,相關(guān)成分與堿性物質(zhì)反應(yīng)能夠生成硅質(zhì)凝膠物,可將其作為煤粉灰的替代品,用于制備加氣混凝土,從而為磷尾礦找到資源再利用的有效途徑,并解決制備原材料緊缺和成本高昂的系列問題[1]。

        1 實驗

        1.1 實驗材料

        本次實驗所需的相關(guān)原材料主要包括:水泥、磷尾礦、石灰、石膏及發(fā)氣劑等(詳見表1)。其中水泥選用PS32.5類型(礦渣硅酸鹽水泥,耐壓強度325kg/cm2);磷尾礦的含水率為25%,干處理后的比表面積為310m2/kg,內(nèi)部相關(guān)組分及其比例分別為:SiO2(60.5%)、CaO(7.24%)、Al2O3(12.5%)、P2O5(2.64%)、Fe2O3(3.86%);石灰中的主要化學成分及占比為:CaO(60.51%)、SiO2(2.65%)、MgO(1.20%);石膏中的主要成分SO3為40%;發(fā)氣劑,主要使用鋁粉。

        表1 實驗材料主要構(gòu)成表

        1.2 實驗步驟

        本次實驗分三步進行:

        第一步,按照配比以45℃的水混合水泥、石灰、石膏及磷尾礦等物質(zhì),然后,使用攪拌器進行充分攪拌均勻,時間為2 分鐘。確?;旌衔镏械母鹘M分充分融合并達到均勻的狀態(tài)。這樣做可以為加氣混凝土的制備提供一個初步的材料混合過程。

        第二步,將鋁粉摻入混合物中,再次進行攪拌1min。以此將鋁粉均勻地分散在混合物中以促進發(fā)泡反應(yīng)[2]。隨后,將混合物倒入一個模具中(模具規(guī)格:100mm×100mm×100mm)并將模具靜置于45℃的烘箱中,等待料漿的發(fā)氣,該過程大約需要50min。待發(fā)氣結(jié)束后,可以用細鐵絲將坯體頂部多余的部分去除,得到一個成型的加氣混凝土試塊,待進一步的實驗和測試。

        第三步,完成前述步驟后,將試塊放入蒸壓釜中進行蒸壓處理。蒸壓的條件為溫度:180℃,蒸汽壓力:1MPa。首先,將試塊放入蒸壓釜內(nèi),并開始升溫過程。升溫時間為3小時,使溫度逐漸上升至設(shè)定值,升溫完成后,需要保持恒定溫度5 小時。隨后,開始降溫過程,持續(xù)2 小時,將溫度逐漸降低至常溫。然后,將試塊從蒸壓釜中取出,準備進行性能測試。

        性能測試,包括體積密度測試和力學性能測試。體積密度測試按照國標GB/T 11970-1997 的標準和方法進行;力學性能測試執(zhí)行國標(GB/T 11971-1997)標準,測量加氣混凝土試樣的抗壓強度、抗折強度和凍融性能等力學性能。通過對蒸壓后的試塊進行上述性能測試,可以評估加氣混凝土的物理和力學性能,從而了解其適用范圍和性能特點。實驗工藝流程如圖1 所示。

        圖1 尾磷礦加氣混凝土制備的試驗工藝流程圖

        2 實驗結(jié)果及討論

        2.1 水泥摻入量與磷尾礦加氣混凝土的性能關(guān)系

        在水料比0.64,鋁粉0.14%,磷尾礦65%等基本條件下,不同摻量的水泥和一定比例的石灰、石膏對制品容重和抗壓強度的影響存在一定差異。如表2 所示,水泥容量為5%時,加氣混凝土的容重為606kg·m-3,抗壓強度為3.4MPa;隨著水泥摻量的增加,石灰石膏參數(shù)適量變化,制品的容重也隨之增大,而抗壓強度在3.3-3.8 之間波動變化。其中在水泥摻量為6%,混凝土制品的抗壓強度達到最高值3.8MPa。

        表2 不同水泥摻量對磷尾礦加氣混凝土性能的影響

        這一變化是因為在發(fā)氣期間水泥可調(diào)整料漿稠化速度,當稠化速度明顯超過鋁粉發(fā)氣速度時,混凝土就會產(chǎn)生“憋氣”反應(yīng),將增大制品的容重;制品容重隨水泥摻量的增加而增大,但在水泥摻量達到限定值后,由于鈣質(zhì)過量,使得水泥水化后生成大量的低強度的C2SH(A),因此導致加氣混凝土的抗壓性能出現(xiàn)波動性下降。

        2.2 鋁粉摻量與制品容重的變化關(guān)系

        鋁粉作為一種發(fā)氣劑,是磷尾礦制備加氣混凝土的必要原料,不同的摻入量會對制品容重造成不同影響。圖2顯示,隨著鋁粉摻量的增加,制品容重出現(xiàn)逐漸降低的現(xiàn)象。當鋁粉摻量增加到0.14%時,之后的摻量增加對制品容重的影響輕微。如果繼續(xù)加大鋁粉摻量則很容易導致塌?,F(xiàn)象的出現(xiàn),從而使得坯體難以成型。

        圖2 鋁粉摻入量與磷尾礦加氣混凝土容重的變化示意圖

        2.3 石灰與石膏混合量與制品性能強度之間的關(guān)系

        在磷尾礦制備加氣混凝土的實驗過程中,石灰是一種重要的水熱反應(yīng)鈣質(zhì)材料,它為混凝土提供了所需的鈣離子。同時,石灰還在消溶過程中生成堿溶液,可以為鋁粉創(chuàng)設(shè)良好的發(fā)氣條件,促使混凝土形成孔隙結(jié)構(gòu)。石膏主要起到調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時間和延長石灰消溶時間的作用,促使鈣礬石的生成。另外,通過摻入適當?shù)氖啵€可以有效延緩混凝土的凝結(jié)反應(yīng),并提高加氣混凝土制品的抗壓強度和穩(wěn)定性。相關(guān)研究表明,石灰與石膏的最佳配比約為10∶1[3],按照這個比例進行配制,可以獲得具有良好物理性能和機械性能的加氣混凝土產(chǎn)品。當水泥摻量為6%,鋁粉及水料比固定情況下,不同摻量的石灰和石膏隨磷尾礦用量的增加,所制備的加氣混凝土強度性能變化如表3 所示。

        表3 石灰和石膏摻量對磷尾礦加氣混凝土抗壓性能的影響

        表3 顯示,當石灰與石膏總摻量達到28.9%,磷尾礦用量為65%時,制備的加氣混凝土能達到3.8MPa 的強度性能。表明,該參數(shù)條件下鈣質(zhì)總量能夠充分滿足反應(yīng)需求。

        2.4 漿液溫度與磷尾礦加氣混凝土的關(guān)系

        合適的摻料漿液溫度是加氣混凝土制備過程中,確保鋁粉發(fā)氣的重要條件。一般漿液溫度與反應(yīng)物的反應(yīng)速度、鋁粉發(fā)氣效率正相關(guān)。通過調(diào)整料漿溫度可以在一定程度上提升漿體的稠化速度[4]。由圖3 可知,總體上來看,磷尾礦加氣混凝土的料漿膨脹高度隨料漿溫度的變化而變化,當漿液溫度45℃時,達到加氣混凝土的理想發(fā)氣條件。

        圖3 摻料漿液溫度與膨脹高度的變化曲線圖

        2.5 水料比的選擇

        水料比是指用于混凝土中水的質(zhì)量與固體膠凝材料(水泥、石灰等)的質(zhì)量之比。磷尾礦制備加氣混凝土時,水料比的選擇需要考慮諸多因素,包括混凝土的工作性能、強度要求、耐久性以及原材料特性等[5]。通常情況下,較低的水料比可以提高混凝土的強度和耐久性,但可能對施工性能產(chǎn)生不利影響;而較高的水料比有利于混凝土的流動性和施工性能,但可能降低混凝土的強度和耐久性。

        根據(jù)實驗和實踐經(jīng)驗,一般建議磷尾礦制備加氣混凝土的水料比在0.45 到0.65 之間。具體的水料比應(yīng)根據(jù)混凝土的設(shè)計要求和實際條件進行綜合考慮,本次實驗顯示水料比在0.64 時,更符合制備要求。

        3 反應(yīng)機理分析

        使用磷尾礦制備加氣混凝土的過程中,涉及到多項物質(zhì)的多種化學反應(yīng)。主要包括:

        ①石灰與水的反應(yīng):CaO+H2O→Ca(OH)2

        石灰(CaO)與水(H2O)發(fā)生水化反應(yīng),生成氫氧化鈣(Ca(OH)2)。這是一個劇烈的放熱反應(yīng),產(chǎn)生大量的熱量。

        ②石膏的水化反應(yīng):CaSO4·2H2O+3H2O →CaSO4·0.5H2O·2.5H2O

        石膏(CaSO4·2H2O)與水發(fā)生水化反應(yīng),生成硬石膏(CaSO4·0.5H2O)。這是一個較慢的反應(yīng)過程。

        ③鋁粉的反應(yīng):6Ca(OH)2+6Al→3Ca(AlO2)2+3H2↑

        鋁粉(Al)與氫氧化鈣(Ca(OH)2)在堿性環(huán)境中發(fā)生反應(yīng),生成氣體(主要是氫氣)并產(chǎn)生熱量。這個反應(yīng)是氣泡形成的關(guān)鍵。

        上述反應(yīng)過程中,石灰提供了水熱反應(yīng)所需的鈣離子,石膏調(diào)節(jié)了水泥的凝結(jié)和水化反應(yīng)速率,鋁粉作為發(fā)氣劑在堿性環(huán)境下與水熱反應(yīng),產(chǎn)生氣體形成微觀孔隙結(jié)構(gòu)。反應(yīng)使得混凝土中形成均勻分布的氣泡和孔隙,從而減輕了混凝土的密度,提高了混凝土的抗壓強度和絕熱性能。同時,氫氧化鈣和硬石膏的水化產(chǎn)物(鈣硅石、鈣鋁石等)與渣質(zhì)顆粒之間的膠凝作用,也有助于提高混凝土的力學性能。

        需要注意的是,實際的磷尾礦制備加氣混凝土的反應(yīng)機理可能還受到其他因素的影響,如添加劑的選擇、配比設(shè)計以及施工工藝等,需要根據(jù)實際情況和特殊需求進行合理設(shè)計。

        4 結(jié)論

        通過使用65%以上的磷尾礦,可以制備出強度達到3.7MPa 以上的B06 級加氣混凝土。水泥在整個制備過程中具有調(diào)節(jié)料漿稠化速度的作用,利用促進坯體的成型。然而,水泥摻量不可過多,否則會使得料漿稠化速度過快,不利于氣泡的擴散而產(chǎn)生“憋氣”,影響實際效果,通過實驗證實其最佳摻入量為6%左右。鋁粉摻量和水料比的主要作用是平衡發(fā)氣速度和稠化速度,關(guān)系到反應(yīng)效果;鋁粉摻量0.14%,水料比0.64 為磷尾礦制備加氣混凝土的最佳參數(shù)設(shè)計。

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