蒸壓養(yǎng)護(hù)制度對某鐵尾礦加氣混凝土力學(xué)性能的影響

李德忠 倪 文

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)

加氣混凝土是一種輕質(zhì)多孔、保溫隔熱、防火性能良好、可加工性強(qiáng)，且具有一定抗震能力的新型墻體建筑材料［1-3］。其主要生產(chǎn)原料包括鈣質(zhì)材料(水泥和石灰)、硅質(zhì)材料(如硅砂、粉煤灰、高硅尾礦砂等)、發(fā)氣劑(常用發(fā)氣劑為鋁粉)和調(diào)節(jié)材料(石膏)等［4］。其生產(chǎn)流程主要有配料、攪拌、澆注、靜停養(yǎng)護(hù)、拆模、蒸壓養(yǎng)護(hù)等工序。其中，配料是加氣混凝土生產(chǎn)過程中的重要工序，直接影響到料漿的發(fā)氣膨脹與硬化過程;靜停養(yǎng)護(hù)是保證料漿順利完成發(fā)氣膨脹與坯體硬化過程的重要工序;蒸壓養(yǎng)護(hù)是加氣混凝土獲得最終強(qiáng)度的必要條件［5-7］。

在蒸壓養(yǎng)護(hù)過程中，加氣混凝土各物料之間進(jìn)行一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一系列的水化產(chǎn)物，如水化硅酸鈣、托貝莫來石等。這些水化產(chǎn)物將加氣混凝土中的固體顆粒膠結(jié)在一起，形成牢固的整體結(jié)構(gòu)，使加氣混凝土成為不同于原坯體材料的全新的硅酸鹽材料。因此，人們又把這一在水熱條件下合成新的水化礦物的過程稱為水熱合成反應(yīng)［8］。本試驗(yàn)將從升溫時(shí)間、恒溫時(shí)間、恒溫壓力和降溫時(shí)間等4個(gè)方面研究蒸壓養(yǎng)護(hù)制度對尾礦加氣混凝土力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

(1)鐵尾礦。鐵尾礦取自山西靈丘縣南岐鐵礦選礦廠，粒度為 －200目占 90.4%，密度為 2.67 g/cm3，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，XRD分析結(jié)果見圖1。于高硅鐵尾礦。

圖1 鐵尾礦XRD圖譜Fig.1 XRD results of iron tailings1—石英;2—鐵陽起石;3—綠泥石;4—磁鐵礦;5—云母;6—斜長石

表1 鐵尾礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Main chemical composition analysis of iron tailings %

由圖1可知，鐵尾礦中主要礦物有石英、斜長石，其次為綠泥石、鐵陽起石和磁鐵礦等。

(2)水泥。水泥為靈丘縣豪洋水泥有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥，主要物理性能指標(biāo)見表2。

由表1可知，鐵尾礦中SiO2含量達(dá)72.61%，屬

表2 水泥的主要物理性能指標(biāo)Table 2 Main physical index of the cement

由表2可知，該水泥質(zhì)量達(dá)到《GB 175—1999硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》要求。

(3)石灰。石灰為北京金隅加氣混凝土有限責(zé)任公司生產(chǎn)所用石灰，消解時(shí)間為15 min，消解溫度為65℃，有效 CaO含量 ＞60%，+0.08 mm占13.5%。

(4)石膏。石膏為北京石景山熱電廠的脫硫石膏，+0.08 mm占16%，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表3。

表3 脫硫石膏主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 3 Main chemical composition analysis of desulphurize gypsum %

由表3可見，脫硫石膏中CaO和SO3含量較高，SiO2、Al2O3、MgO 、Fe2O3和 K2O 含量均不高。

(5)發(fā)氣劑。發(fā)氣劑鋁粉為哈爾濱東輕金屬粉業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FQ－80B型親水性鋁粉，其活性Al含量≥90%，+0.08 mm含量小于3.0%，發(fā)氣率≥80%，發(fā)氣時(shí)間≤20 min，親水性≤20 s。

1.2 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、設(shè)備及方法

(1)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。制備符合《GB/T 11968—2006蒸壓加氣混凝土砌塊》中A3.5、B06級強(qiáng)度要求的加氣混凝土砌塊，即砌塊抗壓強(qiáng)度≥3.5 MPa、干密度≤625 kg/m3。

(2)試驗(yàn)設(shè)備。主要試驗(yàn)設(shè)備有CS101－3E型鼓風(fēng)干燥箱，WL－1型微粒球磨機(jī)，YH－40B型恒溫養(yǎng)護(hù)箱，ZCF－40型高壓釜。

(3)試驗(yàn)方法。先將干燥的鐵尾礦粉磨至－0.08 mm占91.6%，鐵尾礦、水泥、石灰、石膏按質(zhì)量比 61∶10∶23∶6(總質(zhì)量 2.2 kg)配樣，攪拌均勻后，按水料質(zhì)量比0.57∶1加入55℃左右的加溫自來水，再攪拌90 s，添加鐵尾礦等4種原料總質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.055%的鋁粉，繼續(xù)攪拌40 s，然后迅速澆入100 mm×100 mm×100 mm的模具中，放入內(nèi)部溫度為70℃的恒溫養(yǎng)護(hù)箱中靜停養(yǎng)護(hù)3 h，坯體硬化后拆模，將硬化后的坯體放入高壓釜中進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)，出釜后的加氣混凝土砌塊放入鼓風(fēng)干燥箱中烘干，得到蒸壓養(yǎng)護(hù)加氣混凝土砌塊，并進(jìn)行力學(xué)性能測試。

1.3 測試方法

(1)加氣混凝土的干密度測試。將相同制備條件下的3塊加氣混凝土試件放人電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，60±5℃保溫24 h，然后在80±5℃保溫24 h，最后在105±5℃烘至質(zhì)量恒定，準(zhǔn)確測量3塊試件的體積(精確到l mm3)，分別計(jì)算各試塊的干密度，然后求平均值。

(2)加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度測試。加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度按照《GB/Tll 971—1997 加氣混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行強(qiáng)度測試。

(3)X射線衍射分析。用X射線衍射儀分析樣品的物相組成。試驗(yàn)采用日本理學(xué)Rigaku D/Max－RC粉晶X射線衍射儀，掃描速度為4°/min，掃描范圍為 5°～75°，步長0.02°，Cu 靶。

(4)掃描電鏡(SEM)分析。用帶有能譜儀(EDS)的掃描電子顯微鏡(SUPRATM55)觀察制品的水化產(chǎn)物形貌，利用能譜儀分析水化產(chǎn)物中元素分布及其含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 蒸壓養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)

2.1.1 蒸壓養(yǎng)護(hù)升溫時(shí)間對尾礦加氣混凝土制品性能的影響

在蒸壓養(yǎng)護(hù)升溫過程中，受傳熱效率和坯體透氣性能的影響，升溫速度太快，坯體內(nèi)外溫度差、壓力差和濕度差等過大會造成制品開裂，影響最終制品的性能;升溫速度太慢，產(chǎn)品生產(chǎn)周期太長，直接影響生產(chǎn)效率。因此，在加氣混凝土的生產(chǎn)過程中，必須合理控制升溫時(shí)間。

蒸壓養(yǎng)護(hù)升溫時(shí)間對尾礦加氣混凝土制品抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)固定恒溫養(yǎng)護(hù)溫度為185℃(對應(yīng)的釜內(nèi)壓力為1.2 MPa)，恒溫時(shí)間為8 h，采取自然降溫方式降溫，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 升溫時(shí)間對尾礦加氣混凝土制品性能的影響Table 4 The properties of AAC products at differentlength of time for temperature rising

由表4可以看出:①升溫時(shí)間從1.5 h延長至2.0 h，尾礦加氣混凝土制品的抗壓強(qiáng)度從4.67 MPa升至5.16 MPa;繼續(xù)延長升溫時(shí)間至3.0 h，尾礦加氣混凝土制品的抗壓強(qiáng)度從5.16 MPa降至4.95 MPa。②升溫時(shí)間變化對制品的干密度影響較小，各升溫時(shí)間情況下的干密度均符合GB/T 11968—2006中A3.5、B06級加氣混凝土合格品的要求。因此，確定升溫時(shí)間為2 h。

2.1.2 蒸壓養(yǎng)護(hù)恒溫時(shí)間對尾礦加氣混凝土制品性能的影響

恒溫時(shí)間是尾礦加氣混凝土制品能夠進(jìn)行充分水化反應(yīng)并達(dá)到一定結(jié)晶度的保證。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于受到釜內(nèi)熱交換的影響，往往是坯體外層最先達(dá)到設(shè)定的恒溫溫度，最內(nèi)層坯體達(dá)到恒溫溫度的時(shí)間要晚于最外層坯體。因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)釜內(nèi)坯體各個(gè)部位都達(dá)到設(shè)定的溫度，且在設(shè)定溫度下實(shí)現(xiàn)物料的充分水化，就必須有足夠的恒溫時(shí)間來保證。

蒸壓養(yǎng)護(hù)恒溫時(shí)間對尾礦加氣混凝土制品性能影響試驗(yàn)固定升溫時(shí)間為2 h，恒溫溫度為185℃(釜內(nèi)壓力為1.2 MPa)，采取自然降溫方式降溫，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 恒溫時(shí)間對尾礦加氣混凝土制品性能的影響Table 5 The properties of AAC products atdifferent length of constant time

由表5可以看出:①恒溫時(shí)間從5 h延長至8 h，尾礦加氣混凝土制品的抗壓強(qiáng)度從4.66 MPa升至5.16 MPa;繼續(xù)延長恒溫時(shí)間至9 h，尾礦加氣混凝土制品的抗壓強(qiáng)度從5.16 MPa顯著下降至4.86 MPa。②恒溫時(shí)間變化對制品的干密度影響較小，各恒溫時(shí)間情況下的干密度均符合 GB/T 11968—2006中A3.5、B06級加氣混凝土合格品的要求。因此，確定恒溫時(shí)間為8 h。

2.1.3 恒溫溫度對尾礦加氣混凝土制品性能的影響

恒溫時(shí)間相同、溫度不同時(shí)，所得制品的強(qiáng)度有所不同。通常情況下，隨著恒溫溫度的提高，釜內(nèi)壓力上升，制品的強(qiáng)度也增加。這是因?yàn)殡S著釜內(nèi)溫度和壓力上升，原材料中SiO2和Al2O3的溶解速度加快，有更多活性的SiO2和Al2O3參與水化反應(yīng)，形成更多的水化產(chǎn)物(如CSH凝膠和托貝莫來石)，從而提高制品的抗壓強(qiáng)度。另一方面，恒溫壓力過大，會使制品中的水化產(chǎn)物類型發(fā)生轉(zhuǎn)變，容易形成強(qiáng)度低的水化產(chǎn)物(如硬硅鈣石)，故制品的抗壓強(qiáng)度有所降低。實(shí)際生產(chǎn)中，水泥－石灰－砂加氣混凝土的恒溫壓力一般在1.0～1.2 MPa，水泥－石灰－粉煤灰加氣混凝土的恒溫壓力一般在0.7～1.3 MPa之間。

恒溫溫度對尾礦加氣混凝土制品性能影響試驗(yàn)固定升溫時(shí)間為2 h，恒溫時(shí)間為8 h，采取自然降溫方式降溫，恒溫溫度為 175、180、185、190、195 和 200℃，所對應(yīng)的恒溫壓力分別為 1.0、1.1、1.2、1.35、1.46和1.6 MPa，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 恒溫溫度對尾礦加氣混凝土制品性能的影響Table 6 The properties of AAC products at different constant temperature

由表6可以看出:①恒溫溫度從175℃上升至195℃，尾礦加氣混凝土制品的抗壓強(qiáng)度從4.75 MPa升至5.46 MPa;繼續(xù)升高恒溫溫度至200℃，尾礦加氣混凝土制品的抗壓強(qiáng)度從5.46 MPa顯著下降至5.03 MPa。②恒溫溫度上升，恒溫壓力增大，尾礦加氣混凝土制品的干密度先小幅增大后小幅減小，但均符合GB/T 11968—2006中A3.5、B06級加氣混凝土合格品的要求。因此，確定恒溫溫度為195℃(恒溫壓力為1.46 MPa)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在加氣混凝土生產(chǎn)過程中，不是釜內(nèi)壓力越高越好，合理的恒溫壓力有利于提高加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.1.4 降溫時(shí)間對尾礦加氣混凝土制品性能的影響

降溫過程同升溫過程一樣，也存在熱交換問題，只不過該階段的熱交換恰好與升溫過程相反。隨著釜內(nèi)蒸汽的排出，氣壓下降，制品表面的水分迅速汽化并排出釜外，制品表面的溫度和濕度降低，使制品內(nèi)的高溫液體向制品表面遷移，降溫過程就是靠水分的遷移和汽化完成的。因此，釜內(nèi)熱交換快，降溫速度也快，降溫后期，水分遷移變慢，熱交換速度也隨之降低。在降溫過程中，如果降溫速度太快，可能會因制品內(nèi)外溫差或濕度差變化過大而造成制品的損壞。所以在降溫過程中，不能一味地去追求生產(chǎn)效率而縮短降溫時(shí)間。

降溫時(shí)間對尾礦加氣混凝土制品性能影響試驗(yàn)固定升溫時(shí)間為2 h，恒溫溫度為195℃(恒溫壓力為1.46 MPa)，恒溫時(shí)間為8 h，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 降溫時(shí)間對尾礦加氣混凝土制品性能的影響Table 7 The properties of AAC products at different length of time for temperature decreasing

由表7可以看出:隨著降溫時(shí)間的延長，尾礦加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度上升、干密度下降，自然降溫時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，干密度最低，分別為5.46 MPa和593 kg/m3。綜合考慮，確定降溫時(shí)間為3 h。

2.2 尾礦加氣混凝土的XRD分析

試驗(yàn)對升溫時(shí)間為2 h、恒溫溫度為195℃(恒溫壓力為1.46 MPa)、恒溫時(shí)間為8 h、降溫時(shí)間為3 h情況下的尾礦加氣混凝土制品進(jìn)行了XRD分析，結(jié)果見圖2。

圖2 尾礦加氣混凝土制品的XRD圖譜Fig.2 XRD analysis of AAC products1—石英;2—托貝莫來石;3—羥基水化硅酸鈣;4—鐵陽起石;5—斜長石;6—綠泥石;7—石膏

由圖2可以看出，尾礦加氣混凝土制品中的主要成分為石英和斜長石，主要水化產(chǎn)物為托貝莫來石和羥基水化硅酸鈣。托貝莫來石是一種結(jié)晶完好的單堿水化硅酸鈣，呈薄片狀，與纖維狀的低堿水化產(chǎn)物CSH凝膠組合比合適情況下可以使制品獲得較高的強(qiáng)度。

同圖1對比可知，經(jīng)過蒸壓養(yǎng)護(hù)，原尾礦中部分礦物的XRD衍射峰明顯降低(如石英、鐵陽起石、斜長石、綠泥石等)，而磁鐵礦、云母等礦物的衍射峰經(jīng)蒸壓養(yǎng)護(hù)后消失。這說明，在蒸壓養(yǎng)護(hù)過程中，鐵尾礦中的礦物成分能夠參與水化反應(yīng)，部分鋁離子、鐵離子能夠進(jìn)入托貝莫來石結(jié)構(gòu)中，形成新的物相，對制品強(qiáng)度的發(fā)展起到了積極的作用［9-12］。

3 結(jié)論

(1)以靈丘縣南岐鐵礦選礦廠的鐵尾礦為主要原料制備加氣混凝土的適宜蒸壓養(yǎng)護(hù)條件為:升溫時(shí)間2 h、恒溫溫度195℃(恒溫壓力1.46 MPa)、恒溫時(shí)間8 h、降溫時(shí)間3 h，所獲得的加氣混凝土制品的抗壓強(qiáng)度為5.28 MPa、干密度為597 kg/m3，符合GB/T 11968—2006中A3.5、B06級加氣混凝土合格品的要求。

(2)試驗(yàn)制備的加氣混凝土試件的XRD分析結(jié)果表明，尾礦加氣混凝土制品中的主要水化產(chǎn)物為托貝莫來石和羥基水化硅酸鈣，原尾礦中的石英、斜長石等依然存在于制成品中，以骨料的形式對尾礦加氣混凝土制品的強(qiáng)度起著積極作用。

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