玄武巖廢石粉對發(fā)泡混凝土性能的影響

鄭 海 峰，高 文 元，閆 爽，劉 貴 山，郝 洪 順

(大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

發(fā)泡混凝土又稱泡沫混凝土，是通過使用水泥基作為主要膠凝材料，摻和其他礦物作為附加膠凝材料，加入外加劑、水?dāng)嚢杈鶆?，再通過發(fā)泡劑發(fā)泡，澆筑養(yǎng)護(hù)而成的輕質(zhì)混凝土。因為發(fā)泡混凝土內(nèi)部多孔的性質(zhì)而具有體積密度小、隔熱、吸聲隔音、減震等優(yōu)點[1]。礦物摻合料是發(fā)泡混凝土中不可或缺的一部分，由于礦物摻合料中含有大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等成分，可以在常溫下與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，同時還具備“顆粒形態(tài)效應(yīng)”和“微集填料反應(yīng)”，對發(fā)泡混凝土的微觀結(jié)構(gòu)具有一定影響[2-4]。如石灰石粉、玄武巖石粉、花崗巖石粉等，其中石灰石粉廢料對混凝土強(qiáng)度提升最大，玄武巖石粉廢料與花崗巖石粉廢料增強(qiáng)混凝土物理性能不明顯[5-6]。馬清清等[7]使用海南玄武巖石粉取代水泥，在滿足C45混凝土的配置強(qiáng)度要求下，最大玄武巖石粉摻量為30%，抗壓強(qiáng)度提升2.8%。Liu等[8]通過研究四川玄武巖石粉在水泥水化中的作用得出玄武巖石粉具有與F級粉煤灰相似的潛在火山灰活性，可以作為礦物摻合料使用，但隨著玄武巖石粉的摻量增大，抗壓強(qiáng)度會逐漸降低。張禮華等[9]先預(yù)粉磨玄武巖石粉，再與熟料混磨制得水泥樣品，玄武巖石粉取代量為6%的水泥樣品與減水劑相容性最佳。喬宏霞等[10]用20%的玄武巖廢石粉取代水泥制備玄武巖石粉膠砂，對比基準(zhǔn)組，在3、14、28 d時均大幅度降低，當(dāng)復(fù)摻1.0%水玻璃和Ca(OH)2時，可以使玄武巖石粉膠砂抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高24.88%，抗折強(qiáng)度提高5.1%。吉林省長白地區(qū)石材產(chǎn)量較大，玄武巖石粉廢料是石材開采加工過程中產(chǎn)生的一種廢棄物，大量的堆積對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。本實驗研究玄武巖石粉廢料在不需要煩瑣的處理工序下制備泡沫混凝土，以期通過實驗發(fā)現(xiàn)不同取代量對發(fā)泡混凝土性能的影響規(guī)律，找到提升發(fā)泡混凝土性能的最佳配比。

1 實 驗

1.1 材 料

P·O42.5R水泥，大連小野田水泥有限公司生產(chǎn)；玄武巖石粉，吉林省靖宇縣玄武巖石粉；質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%過氧化氫，天津市大茂化學(xué)試劑廠；聚羧酸減水劑，大連西卡建筑材料有限公司生產(chǎn)；硬脂酸鈣(CP)粉末穩(wěn)泡劑，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。水泥和不同地區(qū)玄武巖石粉廢料的化學(xué)組成見表1。

表1 水泥、不同玄武巖石粉的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of cement and basalt powder from different areas %

圖1是玄武巖廢石粉XRD圖譜，從圖中可以看到，主要礦物組成有A(拉長石Na0.45Ca0.55Al1.5Si2.5O8)、B(鈣長石Na0.45Ca0.55Al1.55Si2.45O8)、C(中長石Na0.685Ca0.347Al1.46Si2.54O8)、D(鈉長石NaAlSi3O8)以及E(透輝石CaMgSi2O6)等。其中拉長石和鈉長石會與水泥水化物生成托貝莫來石。鈣長石在濕法化學(xué)反應(yīng)中會析出Ca2+等金屬離子，Ca2+可以與CO2反應(yīng)，生成CaCO3。圖2是玄武巖廢石粉SEM圖像，從SEM圖像可以看到玄武巖廢石粉表面粗糙，呈碎石狀，隨著廢石粉的取代量增大會導(dǎo)致水泥膠砂流動性變差，發(fā)泡效果不理想。

圖1 玄武巖石粉廢料XRD圖Fig.1 XRD patterns of waste basalt powder

圖2 玄武巖石粉廢料SEM圖Fig.2 SEM images of waste basalt powder

從圖3可以看出，60 μm以下的粒徑占總體石粉廢料的76%，這表明玄武巖廢石粉的分布比較集中，在實驗使用時不需經(jīng)過處理可以直接作為摻料使用，而且粒徑較小的玄武巖石粉可以更好的參與到水化反應(yīng)中，加快水化反應(yīng)進(jìn)程。

圖3 玄武巖石粉廢料粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of waste basalt powder

1.2 實驗方案

實驗考慮玄武巖廢石粉對發(fā)泡混凝土的力學(xué)性能影響，設(shè)定玄武巖廢石粉按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0、10%、20%和30%等取代水泥的量，水膠比為水與水泥和摻料的和之比，配料見表2。

表2 發(fā)泡混凝土配料比Tab.2 Mix proportion of foamed concrete g

1.3 實驗方法

按照表2配料，將配料稱量好后混合攪拌均勻，加水和減水劑攪拌成均勻的漿料，再加入發(fā)泡劑，最后在攪拌器下攪拌均勻后，將漿料倒入刷好脫模劑的模具中。24 h后取出磚塊，在磚塊表面蓋上一層透水布料，噴灑少量水使布料濕潤，放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)箱溫度為(22±0.5 ℃)，養(yǎng)護(hù)濕度95%。

1.4 測試方法

通過計算得到發(fā)泡混凝土的干密度(ρ)和吸水率(WR)。

ρ=m1/V

(1)

式中：m1為樣品在烘箱恒重后的質(zhì)量，g；V為樣品的體積，mm3。

WR=[(mg-m0)/m0]×100%

(2)

式中：mg為樣品飽和吸水后的質(zhì)量，g；m0為樣品烘干后的質(zhì)量，g。

通過YBF-3型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀得到導(dǎo)熱系數(shù)(λ)。

(3)

式中：Rp為下銅板半徑，mm；hp為下銅板的厚度，mm；R為樣品的半徑，mm；h為樣品的厚度，mm；m為下銅板的質(zhì)量，g；c=0.385 kJ/(K·kg)，為銅塊的比熱容；T1上銅板溫度，T2下銅板溫度，℃。

使用萬能試驗機(jī)(JHH-500，北京)，以50 N/s下降測量抗壓強(qiáng)度(p)。

p=F/A

(4)

式中：F為極限荷載，N；A為樣品的受壓面積，m2。

用X射線衍射儀(D/max-3B，日本)確定玄武巖石粉廢料礦物組成以及樣品28 d反應(yīng)物生成情況。使用掃描電子顯微鏡(JSM-6460LV，日本)觀察玄武巖石粉廢料的表面形貌以及樣品表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 干密度與吸水率

由樣品的干密度和吸水曲 線如圖4所示，可知樣品干密度、吸水率都有明顯減少，當(dāng)使用的配方一致時，樣品的干密度變化幅度較大，600～1 050 kg/m3，吸水率22%～26%。樣品的干密度隨著玄武巖石粉的取代量增加而減小，當(dāng)樣品中玄武巖石粉取代水泥量為0、10%、20%、30%時，干密度較基準(zhǔn)組分別降低0、25.60%、26.73%、20.79%，這是因為玄武巖石粉密度較大，隨著取代量的增加，樣品干密度隨之增大。隨著水泥被石粉廢料取代后導(dǎo)致水灰比增大，水泥砂漿的流動度變大，并且使泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)和孔分布得到改善。隨著玄武巖石粉廢料取代量增大，需水量變多，相應(yīng)也減少了發(fā)泡混凝土內(nèi)的毛細(xì)孔隙的總體積，所以樣品的干密度趨勢為先減小后增大。樣品隨著玄武巖石粉廢料取代量的增加，吸水率呈下降趨勢，吸水率分別降低0、7.69%、11.54%、15.38%。吸水率下降是因為隨著玄武巖石粉廢料的取代量增加，玄武巖石粉廢料細(xì)度較大，且表面粗糙、裂縫多，當(dāng)玄武巖石粉廢料取代量增大時，細(xì)顆粒的吸附現(xiàn)象嚴(yán)重，從而導(dǎo)致水泥砂漿需水量增加、流動性降低、發(fā)泡不均勻。

圖4 樣品的干密度和吸水率曲線Fig.4 Dry density and water absorption curves of samples

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)

樣品在不同玄武巖石粉廢料取代下的導(dǎo)熱系數(shù)如圖5所示，可以看出發(fā)泡混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨玄武巖石粉的取代呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)玄武巖石粉取代量為10%時，發(fā)泡混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)最小，比基準(zhǔn)發(fā)泡混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低了42%，這是因為摻入少量的玄武巖石粉，減少了水泥的用量，等于增大了水灰比，改善了水泥砂漿的流動性，使發(fā)泡劑分散均勻，發(fā)泡后內(nèi)部氣孔分布均勻穩(wěn)定。

圖5 樣品在不同玄武巖石粉廢料取代下的導(dǎo)熱系數(shù)Fig.5 Thermal conductivity of samples with different content of waste basalt powder

2.3 抗壓強(qiáng)度

從圖6抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)表明，玄武巖石粉對于不同齡期的發(fā)泡混凝土的影響情況不同，當(dāng)玄武巖石粉取代量為10%時，養(yǎng)護(hù)3和14 d的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)發(fā)泡混凝土在相同養(yǎng)護(hù)時間下的抗壓強(qiáng)度基本一致，而養(yǎng)護(hù)28 d后可以明顯地看到抗壓強(qiáng)度大于基準(zhǔn)組發(fā)泡混凝土，其抗壓強(qiáng)度提高4%，這也可以說明玄武巖石粉具有一定的活性，能夠顯著提高發(fā)泡混凝土后期強(qiáng)度，這與Dobiszewska等[11]使用10%玄武巖石粉取代水泥28 d強(qiáng)度會降低不同。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)取代為20%和30%時，隨著齡期增長抗壓強(qiáng)度降低越明顯，得到的結(jié)果與Uník等[12]得到的結(jié)果一致。這是因為少量的玄武巖石粉會增加孔隙率，增加砂漿內(nèi)的水分流動，可以加快早期水化進(jìn)程，而玄武巖石粉中的SiO2和Al2O3可以促進(jìn)水泥二次水化反應(yīng)，生成少量水化硅酸鈣(C—S—H)凝膠，增加早期的抗壓強(qiáng)度，但當(dāng)玄武巖石粉取代量達(dá)到20%～30%時，抗壓強(qiáng)度降低，這是因為隨著玄武巖石粉取代量的增加，減少了水泥的量，致使水泥水化產(chǎn)物減少，雖然水泥膠砂中的SiO2和Al2O3的含量增加了，但是因為SiO2的反應(yīng)水化產(chǎn)物為硅酸鈣，強(qiáng)度雖然高但是生成速率比較慢，Al2O3反應(yīng)的水化產(chǎn)物為鈣礬石，雖然生成速率比較快但是強(qiáng)度低，因為內(nèi)部的水化產(chǎn)物不足導(dǎo)致內(nèi)部密實度不夠，所以當(dāng)玄武巖石粉取代超過10%后，抗壓強(qiáng)度明顯降低。

圖6 樣品在不同玄武巖石粉廢料取代下的抗壓強(qiáng)度Fig.6 Compressive strength of samples with different content of waste basalt powder

2.4 SEM分析

圖7為玄武巖廢石粉不同取代量的發(fā)泡混凝土在不同齡期下的SEM圖像。從3 d的SEM圖像中可以發(fā)現(xiàn)一些玄武巖顆粒被少量的水化產(chǎn)物覆蓋，鈣礬石針狀物在圖片的各個角落生長。通過觀察28 d的SEM圖像和XRD圖譜可以看到，玄武巖石粉取代為10%的鈣礬石針狀物明顯減少，水化硅酸鈣晶體明顯多于基準(zhǔn)組，這是因為少量的玄武巖石粉會加快水分流動，加速水化速度，另外部分活性SiO2和Al2O3可促進(jìn)二次水化反應(yīng)。

圖7 樣品在3和28 d齡期的SEM圖像Fig.7 SEM of samples at 3 and 28 d

2.5 XRD分析

圖8為樣品在28 d的XRD圖譜，可以看出樣品中主要含有Ca(OH)2(C-H)、水化硅酸鈣(C-S-H)和鈣礬石(AFt)。玄武巖石粉不同取代量的樣品的水化產(chǎn)物基本相同，水化產(chǎn)物峰數(shù)增加，代表水化硅酸鈣和Ca(OH)2的峰隨石粉取代量的增加略有降低，這是因為水泥水化產(chǎn)物減少導(dǎo)致的。此外，玄武巖石粉可促使水泥水化物生成大量針狀A(yù)Ft，針狀A(yù)Ft與水化硅酸鈣凝膠交錯在一起，形成立體框架結(jié)構(gòu)。

圖8 樣品在28 d的XRD圖譜Fig.8 XRD patterns of samples at 28 d

3 結(jié) 論

通過改變發(fā)泡混凝土中玄武巖石粉的量對發(fā)泡混凝土的各種性能都產(chǎn)生了不同的影響，10%取代量的石粉可以將發(fā)泡混凝土干密度降低25.6%，吸水率降低7.69%，導(dǎo)熱系數(shù)降低了42%，抗壓強(qiáng)度增長4%。整體來看玄武巖石粉對膠凝材料性能的影響既有物理方面又有化學(xué)方面的，玄武巖石粉取代水泥對發(fā)泡混凝土的性能有著積極的影響，可以作為發(fā)泡混凝土的礦物摻合料。