利用石墨尾礦制備泡沫混凝土

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

　　【關鍵詞】容重、強度、導熱系數(shù)

　　0   前  言

　　隨著我國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)和應用受到廣泛的重視[1-4]，國內(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。美國的Allied foam Fech公司和馬來西亞的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)品強度和導熱系數(shù)可根據(jù)產(chǎn)品容重來調(diào)控。

　　制備泡沫混凝土通常是以機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)成各種各樣的預制品、能現(xiàn)場澆注、良好的耐火性、可自然養(yǎng)護硬化、生產(chǎn)工藝簡單，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、長期堆積，不僅占用了大量的農(nóng)田，同時污染環(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  試驗研究

　　1.1  原材料及工藝流程

　　水泥：標號為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)。初凝時間為118min,終凝時間為212min；28d抗折9.5MPa，抗壓44.6 MPa。水泥各項性能滿足GB175-2007.

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

　　發(fā)泡劑，化學發(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，在小型臥式攪拌機中均勻攪拌成泥漿；在此同時將發(fā)泡劑與水混合，在自制的高壓發(fā)泡機的高速攪拌下形成直徑約100微米的均勻細小泡沫；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，放人模具中進行成型、養(yǎng)護。

　　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  性能測定

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

　　導熱系數(shù)試驗:試件尺寸300 mm ×300 mm ×50 mm ，養(yǎng)護條件同抗壓強度試驗，到達預定養(yǎng)護齡期3 d前，將試件放入電熱鼓風干燥箱內(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建筑材料熱流計式導熱儀上進行導熱系數(shù)測定。

　　2  結(jié)果與討論

　　2.1  石墨尾礦摻量與泡沫混凝土強度的關系

　　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度隨著石墨尾礦摻量的提高而降低，并且壓強隨著齡期的增加而增加。其中3d強度幾乎成直線增長。并且可以看出3d、7d、28d的強度增長率都較高。

圖2 石墨尾礦的摻量對泡沫混凝土強度的影響  圖3 石墨尾礦的不同摻量與容重的關系

　　在相同的容重情況下，當尾礦摻量增大時，相應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)護齡期的增長，泡沫混凝土 的強度不斷上升，表明水泥在泡沫混凝土中隨時間延長不斷發(fā)生水化過程，氣泡孔壁的強度隨硅酸鈣水化凝膠量的增大，強度變高。

　　2.2  泡沫混凝土容重與強度的關系

　　從圖3可以看出隨著容重增加，泡沫混凝土強度不斷增大，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。而且強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)，該裂紋也是導致泡沫混凝土強度降低的一個重要原因。當受外力壓迫時，顆粒間的張應力延沿裂紋方向延伸，裂紋長度不斷增加，從而降低顆粒間的骨架作用，導致強度降低。

圖4 泡沫混凝土中的裂紋

　　2.3  纖維摻量對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。其物理力學性能（表1）表明，加入纖維增加了泡沫混凝土的抗壓強度和抗折強度， 極大地改善了韌性，說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)展的過程中必然會受到纖維的阻擋,消耗了能量，難以進一步發(fā)展，從而提高了混凝土的限縮能力，達到抑制收縮的作用。

表1 纖維對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，當烘干后，水化凝膠部分脫水，形成很多無數(shù)的毛細管，而在泡沫混凝土內(nèi)部，本身含有大量的圓形孔洞，這些毛細孔和空洞可以吸納大量的水分，因而沒有經(jīng)過疏水劑處理過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)中非常重要的一項指標。

　　實驗通過改變泡沫的加入量來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)吸水率測定方法測定了所制備的泡沫混凝土的吸水率。測試結(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 容重和吸水率的關系

圖6 容重對導熱系數(shù)的影響

　　2.5　隔熱保溫性能

　　由于氣體的導熱系數(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熱性，它的導熱系數(shù)比普通固體材料要小很多，采用DRY-300F導熱儀對不同容重泡沫混凝土導熱系數(shù)進行測試，結(jié)果如圖6所示。

　　由圖可知，隨著泡沫混凝土容重的增加，其導熱系數(shù)不斷增加，這與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關，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，導致導熱系數(shù)增加。

　　3  結(jié)論

　　對采用石墨尾礦為填充材料制備的泡沫混凝土進行了研究。通過對容重、導熱系數(shù)、強度、吸水及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察，得到如下結(jié)論：單位體積內(nèi)膠凝材料的量越大，泡沫混凝土強度越高；泡沫混凝土容重越大，強度越高、吸水率越低，導熱系數(shù)越大。低容重泡沫混凝土中的裂紋時導致強度降低的主要因素，添加纖維可以有效地減少裂縫，增大抗裂性能。

　　參考文獻

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　　【作者簡介】何順愛，男，博士，西南科技大學材料科學與工程學院。