利用石墨尾礦制備泡沫混凝土

　　【摘要】對(duì)采用石墨尾礦為填充材料制備的泡沫混凝土的各項(xiàng)性能進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)膠凝材料的量是影響泡沫混凝土強(qiáng)度主要因素；泡沫混凝土的其他性能與泡沫混凝土容重有關(guān)，強(qiáng)度越高、吸水率越低，導(dǎo)熱系數(shù)越大。低容重泡沫混凝土中的裂紋是導(dǎo)致強(qiáng)度降低的主要因素，添加纖維可以有效地減少裂紋，增大抗裂性能。

　　【關(guān)鍵詞】容重、強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)

　　0   前  言

　　隨著我國(guó)墻體材料的改革與建筑節(jié)能政策的推行，節(jié)能型建筑材料的開發(fā)和應(yīng)用受到廣泛的重視[1-4]，國(guó)內(nèi)正在大力發(fā)展節(jié)能、利廢、保溫、輕質(zhì)等新型材料[5-7]。泡沫混凝土是一種多孔材料新型保溫隔熱材料。美國(guó)的Allied foam Fech公司和馬來(lái)西亞的LCM Technology公司已經(jīng)研發(fā)了一系列的輕質(zhì)泡沫混凝土產(chǎn)品，大量應(yīng)用在屋頂、墻體、地板、房屋隔板、輕質(zhì)混凝土砌塊和隔音煤灰砌塊等方面，產(chǎn)品強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)可根據(jù)產(chǎn)品容重來(lái)調(diào)控。

　　制備泡沫混凝土通常是以機(jī)械方法將泡沫劑水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入到硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、水及各種外加劑組成的漿料中。經(jīng)混合攪拌、澆注成型、養(yǎng)護(hù)而成。與加氣混凝土相比，泡沫混凝土可以生產(chǎn)成各種各樣的預(yù)制品、能現(xiàn)場(chǎng)澆注、良好的耐火性、可自然養(yǎng)護(hù)硬化、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，投資規(guī)模小。石墨尾礦是石墨選礦廠生產(chǎn)石墨后排放的工業(yè)礦渣。由于其排放量大，顆粒細(xì)小、含水量大、主要含石英砂巖，可利用性差，在石墨選礦廠周圍大量、長(zhǎng)期堆積，不僅占用了大量的農(nóng)田，同時(shí)污染環(huán)境。因此將石墨尾礦用著填充料，用于制備泡沫混凝土，具有變廢為寶的意義。

　　1  試驗(yàn)研究

　　1.1  原材料及工藝流程

　　水泥：標(biāo)號(hào)為42.5普通硅酸鹽水泥，拉法基四川雙馬水泥制造有限公司生產(chǎn)。初凝時(shí)間為118min,終凝時(shí)間為212min；28d抗折9.5MPa，抗壓44.6 MPa。水泥各項(xiàng)性能滿足GB175-2007.

　　石墨尾礦：主要成分為SiO2與Al2O3 ；粒度范圍在0～0.4㎜,以細(xì)粒度為主，攀西石墨有限公司生產(chǎn)石墨時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物，以下簡(jiǎn)稱尾礦。

　　發(fā)泡劑，化學(xué)發(fā)泡劑，發(fā)泡倍數(shù)1800倍，自制。

　　減水劑：高效聚羧酸減水劑，固相含量30%，中國(guó)西卡柯帥外加劑有限公司生產(chǎn)。

　　纖維: 聚丙烯纖維

　　由于石墨尾礦顆粒細(xì)小，因此易于分散，將水泥、尾礦、減水劑、水按一定配比，在小型臥式攪拌機(jī)中均勻攪拌成泥漿；在此同時(shí)將發(fā)泡劑與水混合，在自制的高壓發(fā)泡機(jī)的高速攪拌下形成直徑約100微米的均勻細(xì)小泡沫；然后將發(fā)好的泡沫和攪拌好的漿體混合再快速攪拌，完成泡沫混凝土泥漿的均勻混合；將混勻的泡沫泥漿，放人模具中進(jìn)行成型、養(yǎng)護(hù)。

　　具體工藝流程如圖1所示

圖1尾礦制備泡沫混凝土工藝流程

　　1.2  性能測(cè)定

　　密度及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn):試件尺寸100 mm ×100 mm ×100 mm ,養(yǎng)護(hù)環(huán)境濕度95 %、溫度(20 ±1) ℃,成型后帶模養(yǎng)護(hù)24 h ,到達(dá)預(yù)定養(yǎng)護(hù)齡期3 d 后取出試件置入105 -110 ℃烘箱連續(xù)烘干3 d 后測(cè)定其密度;參照BSI1881part4 和ASTMC495 ,測(cè)定試件的抗壓強(qiáng)度。密度和強(qiáng)度均取3 塊試件平均值。

　　導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn):試件尺寸300 mm ×300 mm ×50 mm ，養(yǎng)護(hù)條件同抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，到達(dá)預(yù)定養(yǎng)護(hù)齡期3 d前，將試件放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在(105 ±5) ℃連續(xù)烘3 d，然后取出試件，放到干燥器中冷卻至室溫，在J TRGⅢ建筑材料熱流計(jì)式導(dǎo)熱儀上進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定。

　　2  結(jié)果與討論

　　2.1  石墨尾礦摻量與泡沫混凝土強(qiáng)度的關(guān)系

　　固定泡沫混凝土的容重為800Kg/m3，改變水泥石墨尾礦的摻量，圖2 顯示，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著石墨尾礦摻量的提高而降低，并且壓強(qiáng)隨著齡期的增加而增加。其中3d強(qiáng)度幾乎成直線增長(zhǎng)。并且可以看出3d、7d、28d的強(qiáng)度增長(zhǎng)率都較高。

圖2 石墨尾礦的摻量對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的影響  圖3 石墨尾礦的不同摻量與容重的關(guān)系

　　在相同的容重情況下，當(dāng)尾礦摻量增大時(shí)，相應(yīng)的膠凝材料的比例減小，由于尾礦在泡沫混凝土中只是作為骨架材料，基本上沒有膠凝性能，因此尾礦的摻量越大，泡沫混凝土孔壁的水泥漿體越少，孔壁抗壓能力下降。此外，從圖2 還可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，泡沫混凝土 的強(qiáng)度不斷上升，表明水泥在泡沫混凝土中隨時(shí)間延長(zhǎng)不斷發(fā)生水化過(guò)程，氣泡孔壁的強(qiáng)度隨硅酸鈣水化凝膠量的增大，強(qiáng)度變高。

　　2.2  泡沫混凝土容重與強(qiáng)度的關(guān)系

　　從圖3可以看出隨著容重增加，泡沫混凝土強(qiáng)度不斷增大，可能與單位體積內(nèi)的膠凝材料的含量有很大關(guān)系，單位體積內(nèi)凝膠數(shù)量增多，孔壁變厚，抵抗外力作用的能力越強(qiáng)。而且強(qiáng)度與容重幾乎成線性變化。隨著泡沫混凝土容重的降低，其形成的氣孔壁存在裂紋(圖4)，該裂紋也是導(dǎo)致泡沫混凝土強(qiáng)度降低的一個(gè)重要原因。當(dāng)受外力壓迫時(shí)，顆粒間的張應(yīng)力延沿裂紋方向延伸，裂紋長(zhǎng)度不斷增加，從而降低顆粒間的骨架作用，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

圖4 泡沫混凝土中的裂紋

　　2.3  纖維摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

　　在泥漿中加入不同摻量纖維，制成500kg/m3的泡沫混凝土。其物理力學(xué)性能（表1）表明，加入纖維增加了泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度， 極大地改善了韌性，說(shuō)明纖維一定程度上抑制了早期干縮開裂。由于纖維直徑只有幾十微米，而且具有親水性,在基體中的分散性良好，所以在泡沫混凝土中，纖維以單位體積內(nèi)較大的數(shù)量均勻分布于混凝土內(nèi)部，形成了一種亂向支撐體系，故混凝土的干燥收縮在發(fā)展的過(guò)程中必然會(huì)受到纖維的阻擋,消耗了能量，難以進(jìn)一步發(fā)展，從而提高了混凝土的限縮能力，達(dá)到抑制收縮的作用。

表1 纖維對(duì)泡沫混凝土性能的影響

　　2.4  吸水性能

　　由于泡沫混凝土采用水泥作為膠凝材料，水化后形成水化硅酸鈣凝膠，當(dāng)烘干后，水化凝膠部分脫水，形成很多無(wú)數(shù)的毛細(xì)管，而在泡沫混凝土內(nèi)部，本身含有大量的圓形孔洞，這些毛細(xì)孔和空洞可以吸納大量的水分，因而沒有經(jīng)過(guò)疏水劑處理過(guò)的泡沫混凝土都具有一定的吸水性。泡沫混凝土吸水率的大小嚴(yán)重影響其使用性能，因此吸水性是泡沫混凝土生產(chǎn)中非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)。

　　實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變泡沫的加入量來(lái)改變泡沫混凝土的容重，制備出七種不同容重的泡沫混凝土，根據(jù)吸水率測(cè)定方法測(cè)定了所制備的泡沫混凝土的吸水率。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從結(jié)果可以看出：隨著容重的增加，吸水率不斷下降,

圖5 容重和吸水率的關(guān)系

圖6 容重對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

　　2.5　隔熱保溫性能

　　由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很低，僅為一般固體材料的十分之一，如空氣在常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為0.03w/(m·k)，而泡沫混凝土內(nèi)存在許多孔隙，因而其具有較低的導(dǎo)熱性，它的導(dǎo)熱系數(shù)比普通固體材料要小很多，采用DRY-300F導(dǎo)熱儀對(duì)不同容重泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。

　　由圖可知，隨著泡沫混凝土容重的增加，其導(dǎo)熱系數(shù)不斷增加，這與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同容重的泡沫混凝土內(nèi)部氣孔大小、氣孔率等是不一樣的。隨著泡沫混凝土容重的增加，氣孔率下降，單位體積內(nèi)固相含量增加，固相傳熱作用增強(qiáng)，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增加。

　　3  結(jié)論

　　對(duì)采用石墨尾礦為填充材料制備的泡沫混凝土進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)容重、導(dǎo)熱系數(shù)、強(qiáng)度、吸水及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察，得到如下結(jié)論：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)膠凝材料的量越大，泡沫混凝土強(qiáng)度越高；泡沫混凝土容重越大，強(qiáng)度越高、吸水率越低，導(dǎo)熱系數(shù)越大。低容重泡沫混凝土中的裂紋時(shí)導(dǎo)致強(qiáng)度降低的主要因素，添加纖維可以有效地減少裂縫，增大抗裂性能。

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　　【作者簡(jiǎn)介】何順愛，男，博士，西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。