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。