鋁粉增強鉬尾礦發泡水泥力學性能研究

2020-09-19 03:58:00郭家林王之宇劉明寶

礦產綜合利用 2020年4期

郭家林，王之宇，劉明寶

( 商洛學院化學工程與現代材料學院陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西商洛 726000)

早期發泡水泥采用硫鋁酸鹽水泥、超細硅酸鹽水泥等特種水泥來生產，目前采用低成本硅酸鹽水泥(425) 為原料[1-3]，本試驗在前期試驗的基礎上以價格更低的鉬尾礦與PC 32.5 水泥為原料，按質量比2:3 制備輕質高強發泡水泥，成本更低。目前，提高輕質高強發泡水泥強度的研究已經日漸成為墻體保溫材料研究領域的熱點[4-7]。輕質發泡水泥的發泡劑以雙氧水為主，因雙氧水價格低廉且具有發泡速度快及生成的氣體無污染的優勢，所以目前發泡水泥制備主要采用雙氧水作為發泡劑[8-13]。但雙氧水發泡具有氣泡扁平、模具底部氣泡小、頂部氣泡大，氣泡分布不均勻及氣泡壁有大量微裂紋，閉孔率低等缺陷，從而造成所制備的發泡水泥墻體保溫材料具有強度不高、導熱系數大，保溫性能差等缺點。

本文創新性提出采用雙氧水和鋁粉兩種發泡劑同時加入，鋁粉可以與鉬尾礦和水泥的摻合料在制備過程中發生反應，緩慢釋放出氣泡，對雙氧水快速分解產生的氣泡進行補充，使得氣泡更加飽滿，泡壁裂紋減少；同時由于鋁的存在，更易于生成鈣礬石、托貝莫來石等大分子物質和C-S-H 膠凝材料，使發泡水泥的抗壓和抗折性能均有所提升。

1 試驗

1.1 試驗材料

表1 鉬尾礦的主要化學組分/%Table 1 Chemical composition of the molybdenum tailings

試驗前應對鉬尾礦進行磨細處理，并對其進行粒度分析，篩分結果表明+74 μm 8.67%，-74+44 μm 75.28%，-44 μm 16.05%。磨礦細度-74 μm 粒級達到80% 以上，防止顆粒過大對試驗結果造成負面影響。

雙氧水（有效成分30%）和鋁粉（分析純）作為發泡劑，以硬脂酸鈣為保泡劑。生石灰作為添加劑，測得消解溫度為57.5℃，消解時間為1110 s。

1.2 試驗儀器

發泡水泥制備過程所需主要儀器有：XRD 衍射儀、JSM6700F 型掃描電子顯微鏡、水泥膠沙攪拌機、DKZ-5000 型電動抗折試驗機、WDW-50 型微機控制電子萬能試驗機、SMΦ(500×500) mm試驗磨機、(160×160×160) mm 模具等。

1.3 試驗流程及步驟

制備鉬尾礦發泡水泥流程見圖1。

圖1 發泡水泥流程Fig.1 The preparation process of molybdenum Tailings foam cement

1.4 試驗方案

通過前期試驗，得出鉬尾礦和PC 32.5 水泥質量比為2:3，水膠比0.5，硬脂酸鈣量4‰，纖維量0.5‰，氧化鈣20‰，水溫50℃下制備的鉬尾礦發泡水泥性能好[4]，在此基礎上添加鋁粉補充發泡，依鋁粉量作為變量，進行試驗。

2 結果與討論

2.1 表觀現象分析

發泡水泥縱剖面泡孔結構分布表，見表2。

表2 縱剖面泡孔分布Table 2 The crafters distributing table of longitudinal section

從水泥縱面剖面泡孔分布圖中可以看出，縱剖面孔隙的尺寸大小也隨著鋁粉摻量的變化而有所不同，隨著鋁粉摻入量的增加，孔隙的尺寸大小為先減小后增大。可以從圖中看到鋁粉摻量大于0.2‰時，氣泡變得更加飽滿，氣泡壁裂紋明顯減少。

添加鋁粉后，氣泡分布更均勻，變得更加飽滿，氣泡壁裂紋明顯減少。在鋁粉摻量0.2‰ ～ 0.3‰時，氣泡大小主要集中在1 ～ 2 mm 之間，氣泡壁裂紋減少尤其明顯。在鋁粉添加量0.5‰時，雖然氣泡變小，泡壁裂紋少，但是發泡倍數急劇減少，發泡高度低，發泡水泥綜合性能過差。

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2.2 性能分析

鋁粉摻量對抗壓強度、抗折強度和干密度的影響見圖2。

圖2 不同鋁粉摻量28 d 的強度和干密度曲線Fig .2 The strength and dry density of different aluminum powder in 28 d

數據按照國家建筑工業行業標準《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）對發泡水泥制品進行抗壓強度、抗折強度和干密度測試。

鋁粉摻量在0.1‰ ～ 0.4‰，發泡水泥力學性能得到提高，干密度增加不多，隨著鋁粉的添加量的增大，呈現出先增大后減小的趨勢。在鋁粉摻量為0.5‰時，出現干密度迅速增大的情況，并且發泡高度嚴重不足，氣孔變小，綜合性能變差，不建議采用。

沒有摻鋁粉時，抗壓強度達到0.83 MPa，在鋁粉摻量0.2‰時出現了抗折和抗壓最高峰，此時力學性能達到較佳，抗折強度達到0.66 MPa，抗壓強度1.07 MPa，抗壓強度提高28.9%，干密度為397.9 kg/m3。抗壓強度達到C1 等級，干密度達到A04 等級，為優質輕質發泡水泥。

2.3 物相分析

圖3為發泡水泥在不同鋁粉摻量下的XRD圖譜。

圖3 不同鋁粉摻量7 d 的XRDFig .3 XRD spectrum of different aluminum powder in 7d

圖3 中的T1 ～ T6 依次為鋁粉摻量0 ～ 0.5‰時的XRD 曲線。從圖4 中可以看出，經過7 d育齡自然條件下養護后，主要物相為石英、鈣礬石、托貝莫來石、鐵鈣閃石、C-S-H 凝膠和氫氧化鈣。在添加鋁粉的情況下，鐵鈣閃石（Ca2Fe3Al2(Si6Al2)O22(OH)2）和氫氧化鈣（Ca(OH)2）特征峰明顯，說明添加鋁粉后促進水化反應早期鐵鈣閃石和氫氧化鈣的生成。同時，存在水化產物托貝莫來石（Ca5(Si6O16)(OH)2）和鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O），它們與發泡水泥初期強度有關。

在鋁粉摻量為0.2‰ ～ 0.3‰時，石英衍射峰明顯減弱，鐵鈣閃石特征峰增強，制品中的鐵鈣閃石為雙鏈狀結構，由于制品中添加了活性CaO和Al 粉，Ca2+和Al3+分別與鉬尾礦中鐵閃石(Fe7Si8O22(OH)2) 中的Fe2+和Si4+發生了離子置換，形成了鐵鈣閃石[5]。圖中2 θ 為26°～ 34°時衍射峰下面的 “凸包” 背景表明有大量的結晶度極低或者無定形的C-S-H 凝膠存在于發泡水泥中[5-6]。添加鋁粉后，鋁粉顆粒表面與漿料中的鈣離子、氫氧根離子等能夠充分反應，生成較多的水化鋁酸鈣，繼續生成托貝莫來石。但是鋁粉摻量不能過度增加，鋁粉摻量過大，使得漿料中的鋁粉顆粒過飽和，反而不利于托貝莫來石的形成，托貝莫來石的生成量對于發泡水泥的性能起著至關重要的影響。

圖4 不同鋁粉摻量下的28 d XRDFig .4 XRD spectrum of different aluminum powder in 28 d

圖4 為發泡水泥在不同鋁粉摻量下的XRD 圖譜，圖譜中的T1 ～ T6 依次為鋁粉摻量0 ～ 0.5‰時的XRD 圖譜，經過28 d 育齡自然條件下養護后，主要物相為托貝莫來石和C-S-H 凝膠。從圖中可以看到2 θ 為26° ～ 34°時的 “凸包” 背景，這表明有大量的結晶度極低或者無定形的C-S-H 凝膠生成，制品中一些小的顆粒尺寸，導致衍射峰寬化，并入XRD 衍射背景當中。在鋁粉摻量為0.2‰時，托貝莫來石衍射峰最明顯，水化反應基本完成，托貝莫來石礦物相的量對發泡水泥強度的發展極為有利，與前期在此處測得抗壓強度最大相吻合。

對比7 d 和28 d 的XRD 圖，28 d 水化產物氫氧化鈣和石英特征峰明顯減弱，托貝莫來石特征峰增強，表明氫氧化鈣和石英參與生成托貝莫來石的反應。石英特征峰的明顯減弱，托貝莫來石特征峰的加強，均表明水化反應基本完成。

2.4 SEM 分析

圖5 為鋁粉摻0.2‰的水化產物的SEM 圖。

圖5（a）為添加鋁粉量0.2‰時的7 d SEM 圖，能夠清晰看到存在大量0.4 ～ 0.5 μm 的板片狀晶體Ca(OH)2，同時周邊存在未反應的石英顆粒填充空隙，少量棒狀鈣礬石和葉片狀托貝莫來石晶體的形成，為發泡水泥提供早強作用，而C-S-H 凝膠作為粘結劑將這些密集的水化產物相互膠結在一起，形成良好的網絡狀框架結構。

圖5 鋁粉摻0.2‰的水化產物的SEMFig .5 SEM photos of the hydration products of aluminum powder 0.2‰

隨著水化反應的進行，水泥熟料的活性SiO2和鋁質組分在生成的Ca(OH)2堿性條件下進行二次水化，繼續生成了大量的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和鈣礬石，使發泡水泥的強度進一步增強。圖6（b）為添加鋁粉量0.2‰時的28 d SEM 圖，可以看出產物主要為柳葉狀和葉片狀的托貝莫來石和C-S-H 凝膠，同時存在少量棒狀鈣礬石，而Ca(OH)2量很少。