鎂渣加氣混凝土砌塊的力學性能研究

延常玉，張虎彪，童彧斐，詹疆淮，李宏波，2，3*

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，寧夏銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏銀川 750021）

加氣混凝土具有質量輕、強度高、保溫隔熱效果好和耐火性好的特點，其作為建筑材料，可以減輕建筑自重，降低工程造價。寧夏地區(qū)產生的鎂渣，位居全國第三，這些沒有得到充分利用的鎂渣不僅占用土地和污染環(huán)境，還會嚴重影響植物的生長，損害動物的呼吸系統(tǒng)。鎂渣是一種具有潛在活性的工業(yè)廢渣，鎂渣和水泥的主要成分相同，主要成分的含量比例相近，利用好鎂渣既可以消除對環(huán)境的污染，又可以代替部分水泥，減小水泥的用量，解決鎂渣產業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護之間的矛盾，促進寧夏地區(qū)的經濟發(fā)展。加氣混凝土作為一種綠色節(jié)能材料[1]，目前研究主要集中在固體廢棄物作為摻合料的加氣混凝土砌塊的力學性能方面，固體廢棄物如粉煤灰、鋼渣、陶瓷廢料等[2—6]。宋起運等[7]研究了礦渣加氣混凝土的微觀結構，牛愛宏等[8]研究了沙漠砂制成加氣混凝土的力學性能。而對鎂渣加氣混凝土的研究比較少。本文在已有研究的基礎上，研究了鎂渣加氣混凝土的制備，抗壓強度、抗折強度的影響因素，為生產環(huán)保且性能良好的建筑材料提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 原材料

（1）鎂渣：采用寧夏惠治鎂業(yè)的鎂渣，其化學成分見表1，重金屬含量及標準見表2。由表2 可知，鎂渣中重金屬含量滿足國家標準，可以應用于建筑材料。

（2）水泥：采用寧夏賽馬牌P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標見表3。

（3）發(fā)泡劑：鋁粉，銀白色粉末，由天津帥成超金屬制品有限公司生產。

（4）石灰和石膏：由寧夏鹽池縣生產。

（5）硅灰和硅微粉：采用寧夏中通偉業(yè)公司生產的硅灰和硅微粉。硅灰是將工業(yè)冶煉過程中產生的煙塵，經過物理捕集、回收得到的產品，而硅微粉是將天然石英或者熔融石英經過破碎、研磨，加工而成的微粉。硅灰和硅微粉的化學成分相似，主要成分都是SiO2，其主要性能指標見表4。

表1 鎂渣和水泥化學成分

表2 重金屬含量及國家標準

表3 水泥的主要性能指標

1.2 試驗方案及方法

1.2.1 試驗方案 根據(jù)已初步完成的試驗配比（表5），鎂渣為60 g 的加氣塊外觀比較完整（圖1～2），因此確定鎂渣加氣混凝土的鎂渣最佳摻量為膠凝材料的60%。

制備密度為850 kg/m3的鎂渣加氣塊，水膠比為0.51，其中膠凝材料包括鎂渣、水泥、石灰、石膏、硅微粉和硅灰。鎂渣加氣塊由水120～135 kg/m3、石膏40～45 kg/m3、石灰160～180 kg/m3、鎂渣360～510 kg/m3、水泥60～90 kg/m3、硅微粉10～90 kg/m3、硅灰180～360 kg/m3、發(fā)泡劑鋁粉為膠凝材料的0.10%制備。先將水泥、石膏、石灰、鎂渣、硅灰、硅微粉進行攪拌直至均勻，然后加熱至39～42 ℃，在40 ℃溫度下調制鋁粉溶液，將發(fā)泡溶液和拌制均勻的粉料混合拌制30～40 s，倒入模具，在50～60 ℃的條件下養(yǎng)護6 h，然后在常溫下養(yǎng)護至24 h，試驗分為5 組，配合比見表6。

1.2.2 試樣強度測試 根據(jù)試驗配合比制備出鎂渣加氣混凝土，澆筑成型后制成尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的試件。試件成型24 h 后拆模，放入標準養(yǎng)護箱（相對濕度≥95%，溫度20±2 ℃）內養(yǎng)護。達到齡期后對試件進行抗壓強度和抗折強度測定，每組試件3 個，結果取其平均值。

表4 硅灰和硅微粉的主要性能指標

圖1 鎂渣摻量為65 g 的鎂渣加氣塊

圖2 鎂渣摻量為60 g的鎂渣加氣塊

表5 鎂渣加氣塊試配方案

表6 試驗配比

2 結果與分析

2.1 試件抗壓和抗折強度分析

圖3 試件抗壓強度隨硅微粉摻量變化

圖4 試件抗折強度隨硅微粉摻量變化

由圖3～4 可知，隨著硅微粉摻量的增大，鎂渣加氣混凝土的抗壓強度和抗折強度都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在硅微粉摻量為9%時，試件的抗壓強度達到峰值1.97 MPa，抗折強度達到峰值0.13 MPa。

這是由于硅微粉摻量為3%時，試件中的SiO2含量較少，鈣硅比較大，單位水分內鈣離子含量相對比硅離子含量多，容易生成高堿水化產物，試件強度較低。隨著硅微粉摻量的增大，試件中的SiO2含量增大，鈣硅比減小，單位水分內鈣離子含量相對比硅離子含量少，容易生成低堿水化物，因此隨著硅微粉摻量增大，試件強度逐漸提高。隨著硅微粉摻量繼續(xù)增大，單位水分內鈣離子的含量逐漸減小，消耗的水量減少，形成的水化產物數(shù)量相對減少，因此，試件強度隨著硅微粉摻量繼續(xù)增大而降低。

2.2 鈣硅比對加氣混凝土力學性能的影響

CaO 與SiO2在蒸壓養(yǎng)護條件下，通過水熱合反應生成一系列水化硅酸鈣類物質[9]，可以提高混凝土的強度。因此，為了使試驗原材料中的CaO 和SiO2能夠充分有效反應，必須控制CaO 和SiO2維持一定的比例，原材料中CaO 和SiO2的物質的量比，稱為加氣混凝土的鈣硅比。氣孔的形狀和結構會影響加氣混凝土的強度，為了獲得良好的孔結構，需要控制漿體的發(fā)氣膨脹過程。因此，不同材料的加氣混凝土的鈣硅比有一個最佳值和最佳范圍，水泥-石灰-粉煤灰加氣混凝土的鈣硅比約在0.75～0.8 左右，而水泥-石灰-砂加氣混凝土的鈣硅比約在0.64～0.68 左右[10]。通過試驗研究，得到不同硅微粉摻量的鎂渣加氣混凝土鈣硅比如表7 所示。

表7 鈣硅比

由表7 可知，隨著硅微粉摻量的增大，鈣硅比逐漸減小，由圖3～4 可知，隨著硅微粉摻量的增大，強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當硅微粉摻量在6%～12%時，試件強度較高，因此，鈣硅比約在1.0～1.05左右。

2.3 硅灰、硅微粉配合比對加氣混凝土力學性能的影響

硅灰顆粒呈球形，極細，可以很好地填充混凝土漿體的空隙，改善混凝土漿體的密實性和均勻性，且硅灰有很強的火山灰效應，其主要成分SiO2，可以與水泥水化析出的Ca（OH）2反應，生成穩(wěn)定的水化硅酸鈣凝膠物質，因此，添加適量的硅灰可以大幅提高混凝土的強度。硅微粉具有較高的膠凝性和很強的吸附能力，可以提高混凝土的強度。隨著硅微粉摻量的增大，硅灰摻量的減小，混凝土試塊的抗壓強度、抗折強度都先增大后減小，硅灰摻量在51%，硅微粉摻量為9%時，試塊的抗壓強度、抗折強度值最大。

2.4 溫度對加氣混凝的影響

本文考慮了原料各組分之間的相互作用，為保證原料混合物的穩(wěn)定性，選擇合適的試塊配制溫度。通過試驗研究，鎂渣混合料在加入鋁粉溶液之前，溫度保持在39～42 ℃較好，因為水溫過低容易造成塌泡，導致試塊產生分層裂縫，水溫過高會導致發(fā)氣速率過快，發(fā)泡效果不佳。

3 結論

（1）隨著硅微粉摻量的增大，硅灰摻量的減小，鎂渣加氣混凝土的抗壓強度和抗折強度均先增大后減小，硅灰摻量為51%，硅微粉摻量為9%時，抗壓強度達到峰值1.97 MPa，抗折強度達到峰值0.13 MPa。

（2）制備鎂渣加氣混凝土，鎂渣混合料在加入鋁粉溶液之前，溫度保持39～42 ℃較好。

（3）鈣硅比在1.0～1.05 時，鎂渣加氣混凝土砌塊的強度達到峰值。