不同添加劑對(duì)矸石粉煤灰制備免燒發(fā)泡墻體材料抗壓強(qiáng)度的影響

李 亮，劉景景，王金祥

（1.攀枝花學(xué)院釩鈦學(xué)院，四川 攀枝花617000；2.山東山水水泥集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250308）

0 引言

煤矸石是煤礦生產(chǎn)過(guò)程及煤的洗選加工過(guò)程中排出的固廢棄物。煤矸石大量堆放形成無(wú)數(shù)座矸石山，不僅占用大量土地，而且還污染環(huán)境。目前煤礦矸石大部分靠矸石電廠發(fā)電消耗掉，煤矸石的灰分高，約為65-85%，粉煤灰排放量大，產(chǎn)出粉煤灰量多而且質(zhì)量較低，難以利用，使得矸石電廠粉煤灰大量堆積，并造成環(huán)境污染。矸石粉煤灰被收集后露天堆放，不僅占用了大量的土地，而且污染空氣和堆積處的地下水源，對(duì)環(huán)境的危害很大。矸石粉煤灰治理普遍缺乏有效措施，露天堆置的粉煤灰場(chǎng)很可能導(dǎo)致嚴(yán)重的二次揚(yáng)塵污染。近年來(lái)很多科研人員致力從矸石粉煤灰中提取有用成分的研究工作（如提取SiO2、Al2O3），但所取得的工作成效相當(dāng)有限，主要原因?yàn)轫肥勖夯抑杏杏贸煞仲|(zhì)量較少，提取工藝較難產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益；采用矸石粉煤灰用于生產(chǎn)農(nóng)業(yè)肥料，該利用量有限，較難對(duì)矸石粉煤灰進(jìn)行規(guī)模化的回收利用；將矸石粉煤灰用于過(guò)濾吸附材料，該利用量也有限。為解決矸石粉煤灰的堆存和污染問(wèn)題，很有必要開(kāi)展對(duì)矸石粉煤灰的利用研究。本試驗(yàn)以低活性矸石粉煤灰為主要原料，礦化劑選擇硅酸鹽水泥和熟石灰，發(fā)泡劑選擇金屬鋁粉，強(qiáng)度促進(jìn)劑選擇硅溶膠、硅鐵灰和硅微粉，采用澆注法成型-蒸養(yǎng)工藝制備免燒發(fā)泡墻體材料，研究了金屬鋁粉、硅酸鹽水泥、熟石灰、硅溶膠、硅鐵灰和硅微粉對(duì)免燒發(fā)泡墻體材料性能的影響，制備出發(fā)泡墻體材料性能達(dá)到建筑用輕質(zhì)墻體材料的要求，可以用于高層建筑輕質(zhì)墻體材料，對(duì)于解決矸石粉煤灰的環(huán)境染問(wèn)題具有重要的意義［1］。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用澆注-蒸養(yǎng)法制備免燒發(fā)泡墻體材料，研究添加不同礦化劑、強(qiáng)度促進(jìn)劑和發(fā)泡劑對(duì)免燒發(fā)泡墻體材料性能的影響，技術(shù)路線圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

（1）設(shè)計(jì)配方為100g一個(gè)試塊，根據(jù)百分比添加矸石粉煤灰、石灰、硅酸鹽水泥、發(fā)泡劑和增強(qiáng)劑；

（2）先將發(fā)泡劑倒入燒杯里加一定量的水進(jìn)行攪拌，攪拌至充分發(fā)泡；

（3）攪拌均勻之后再加入其他干料進(jìn)行攪拌，使物料混合均勻；

（4）調(diào)制成適宜的注漿成型泥料進(jìn)行裝模成型。模具尺寸為50 mm×50 mm×50 mm，邊裝模邊振動(dòng)成型，使泥料均勻、嚴(yán)實(shí)填充整個(gè)模具；

（5）成型完畢，自然放置24h；

（6）將自然干燥后的樣品放置蒸壓釡內(nèi)蒸壓養(yǎng)護(hù)，形成強(qiáng)度；

（7）出釡冷卻后送樣檢測(cè)理化指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅酸鹽水泥添加質(zhì)量對(duì)發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度的影響

制備矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料所采用的水泥應(yīng)選用硅酸鹽水泥，硅酸鹽水泥起到調(diào)節(jié)混凝土漿料的增稠時(shí)間，保證料漿澆注具有穩(wěn)定性作用。硅酸鹽水泥的水化、凝固、硬化可以提高坯體的強(qiáng)度，可提供Ca（OH）2與粉煤灰中的硅鋁成分起反應(yīng)，在高溫蒸養(yǎng)的過(guò)程中，發(fā)泡墻體材料具有一定的強(qiáng)度和良好的耐久性［2、3］。石灰的添加質(zhì)量選擇6%，鋁粉的添加質(zhì)量選擇0.6%，研究硅酸鹽水泥添加質(zhì)量對(duì)矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，隨著硅酸鹽水泥添加質(zhì)量的增加，經(jīng)過(guò)高溫蒸養(yǎng)，矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的強(qiáng)度增加。添加硅酸鹽水泥在蒸養(yǎng)過(guò)程中可以形成水合硅酸鹽復(fù)合物相，這些水合硅酸鹽復(fù)合物相形成水泥石的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以提高矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度。硅酸鹽水泥添加質(zhì)量6%，強(qiáng)度達(dá)到1.5 MPa。

2.2 硅微粉添加質(zhì)量對(duì)發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度的影響

硅微粉能夠填滿矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料顆粒間的空隙，與硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物生成凝膠體，同時(shí)與堿性材料反應(yīng)生成凝膠體，這樣膠凝體形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以顯著提高矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料坯體的抗壓強(qiáng)度，可以有效降低硅酸鹽水泥的添加質(zhì)量，降低矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的生產(chǎn)成本［4］。生石灰的添加質(zhì)量選擇6%，鋁粉的添加質(zhì)量選擇0.6%，研究硅微粉添加質(zhì)量對(duì)矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出隨著硅微粉的添加質(zhì)量增加，硅微粉都可以提高矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的強(qiáng)度，當(dāng)硅酸鹽水泥的添加質(zhì)量為2%，硅微粉的添加質(zhì)量為20%，矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的強(qiáng)度可達(dá)到3.5 MPa。

圖2 硅酸鹽水泥添加質(zhì)量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 硅微粉添加質(zhì)量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 硅溶膠添加質(zhì)量對(duì)發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度的影響

硅溶膠為納米級(jí)的二氧化硅顆粒在水中或溶劑中的分散液。由于硅溶膠中的SiO2含有大質(zhì)量的水及羥基，硅溶膠可以表述為mSiO2.nH2O［5］。這種液態(tài)的硅溶膠具有較高的反應(yīng)活性，在高溫蒸養(yǎng)作用下，能與堿性氧化物（如CaO）形成硅酸鹽礦物，這種硅酸鹽礦物具有較好的粘結(jié)強(qiáng)度，可以將矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料膠結(jié)成一個(gè)整體，提高強(qiáng)度。生石灰的添加質(zhì)量選擇6%，硅酸鹽水泥添加質(zhì)量選擇2%，鋁粉的添加質(zhì)量選擇0.6%，研究硅溶膠添加質(zhì)量對(duì)矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4看出，隨著硅溶膠的添加質(zhì)量增加，矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，當(dāng)硅溶膠的添加質(zhì)量為10%，矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度達(dá)到7.05 MPa，這是由于硅溶膠粒子微細(xì)，有相當(dāng)大的比表面積，粘度較低，分散性好，滲透性好，能與矸石粉煤灰充分混合均勻，當(dāng)硅溶膠水份蒸發(fā)時(shí)，膠體粒子牢固地附著在矸石粉煤灰表面，粒子間形成硅氧結(jié)合，提高了粘合性能，減少矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的過(guò)度膨脹，使矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的強(qiáng)度大幅度提高。

2.4 生石灰添加質(zhì)量對(duì)發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度的影響

生石灰是制備矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的主要鈣質(zhì)材料，其主要作用是向矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料提供有效的氧化鈣，使之在水熱合成條件下與矸石粉煤灰中的二氧化硅、氧化鋁作用，生成水化硅酸鹽礦物與水化鋁硅酸礦物，從而讓樣品具有一定的強(qiáng)度。同時(shí)，生石灰的摻入增加矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的堿度，給鋁粉創(chuàng)造了發(fā)泡條件，讓鋁粉進(jìn)行充分發(fā)氣反應(yīng)。對(duì)提高矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的氣孔率有利。1 Kg熟石灰可釋放1080 KJ熱量。生石灰的這種迅速大量放熱能力，可以使坯體升溫80-90攝氏度，促進(jìn)坯體中凝膠材料的進(jìn)一步凝結(jié)硬化，從而促使矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料較快的硬化。硅微粉的添加質(zhì)量選擇15%，硅溶膠的添加質(zhì)量選擇10%，硅酸鹽水泥添加質(zhì)量選擇2%，鋁粉的添加質(zhì)量選擇0.6%，研究生石灰添加質(zhì)量對(duì)矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，隨著熟石灰添加質(zhì)量增加，矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的強(qiáng)度不斷提高，達(dá)到最高強(qiáng)度11 MPa，生石灰與硅質(zhì)材料中的活性SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在水合作用下形成具有一定強(qiáng)度的mCaO·SiO2·nH2O（水化硅酸鈣）。mCaO·SiO2·nH2O形如“膠水”，將未參與反應(yīng)的其他骨料進(jìn)行包裹而“粘結(jié)在一起”，增加矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的強(qiáng)度［6、7］。當(dāng)生石灰添加質(zhì)量超過(guò)16%，生石灰與硅質(zhì)材料中的活性SiO2反應(yīng)完成，多余的生石灰分布在新形成的礦物之間，影響新形成的礦物成為一個(gè)整體，降低矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的強(qiáng)度。

圖5 生石灰添加質(zhì)量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 Al粉添加質(zhì)量對(duì)吸水率、抗壓強(qiáng)度的影響

2.5 發(fā)泡劑添加質(zhì)量對(duì)發(fā)泡墻體材料性能的影響

本次試驗(yàn)選用發(fā)泡劑為鋁粉，在攪拌機(jī)中，加入粉煤灰、硅酸鹽水泥、生石灰、鋁粉、水以及其他外加劑后，硅酸鹽水泥與生石灰發(fā)生水化反應(yīng)。硅酸鹽水泥水化析出Ca（OH）2，生石灰與水反應(yīng)生成Ca（OH）2，生成的 Ca（OH）2與鋁粉發(fā)生反應(yīng)為：2Al+3Ca（OH）2+6H2O＝3CaO·Al2O3·6H2O+3H2。鋁粉與Ca（OH）2飽和溶液發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，該氫氣極少溶于水，隨著溫度升高氫氣體積增大，促使矸石粉煤灰料漿產(chǎn)生膨脹而發(fā)泡［8］。硅微粉的添加質(zhì)量選擇15%，硅溶膠的添加質(zhì)量選擇10%，硅酸鹽水泥添加質(zhì)量選擇2%，生石灰的添加質(zhì)量選擇6%，研究Al粉添加質(zhì)量對(duì)矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，隨著金屬鋁粉添加質(zhì)量的增加，矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的吸水率增大。當(dāng)金屬鋁粉添加質(zhì)量為0%時(shí)，吸水率最小為13%。當(dāng)金屬鋁粉添加質(zhì)量為0.6%時(shí)，吸水率最大為31%。由圖6可知，隨著金屬鋁粉添加質(zhì)量的增加，矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料抗壓強(qiáng)度呈下降的趨勢(shì)。金屬鋁粉添加質(zhì)量摻量為0 g的抗壓強(qiáng)度最大10.5 MPa，金屬鋁粉添加質(zhì)量為0.6 g時(shí)，抗壓強(qiáng)度為7 MPa。

3 結(jié)論

（1）添加硅酸鹽水泥在蒸養(yǎng)過(guò)程中可以形成水合硅酸鹽復(fù)合物相，這些水合硅酸鹽復(fù)合物相形成水泥石的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以提高矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度，提高強(qiáng)度不明顯。硅酸鹽水泥添加質(zhì)量6%，強(qiáng)度達(dá)到1.5 MPa。

（2）在復(fù)合配料條件下，添加硅溶膠可以較明顯提高矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度，當(dāng)硅溶膠的添加質(zhì)量為10%，矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料強(qiáng)度達(dá)到7 MPa，硅溶膠粒子有相當(dāng)大的比表面積，粘度較低，分散性好，能與矸石粉煤灰充分混合均勻，當(dāng)硅溶膠水份蒸發(fā)時(shí)，膠體粒子牢固地附著在矸石粉煤灰表面，粒子間形成硅氧結(jié)合，提高了粘合性能。

（3）添加金屬鋁粉可以提高矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料吸水率，降低矸石粉煤灰發(fā)泡墻體材料的強(qiáng)度。當(dāng)金屬鋁粉添加質(zhì)量為0.6%時(shí)，吸水率最大為31%，強(qiáng)度降低到7 MPa。