蒸壓加氣混凝土砌塊的制備及抗壓性能研究*

傅 峰

(宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 宣城 242000)

引言

蒸汽壓力加氣混凝土是一種新型的多孔輕質(zhì)節(jié)能建筑材料，具有環(huán)保、抗震、保溫隔音等特點(diǎn)[1].新墻體材料中蒸壓加氣混凝土占有重要地位，其主要原材料為石膏、礦渣和粉煤灰等，制品的干密度約為500 kg/m3，為混凝土和粘土磚質(zhì)量的五分之一到三分之一之間，比大多數(shù)輕集料混凝土等材料的干密度低[2-4].因此，建筑墻體采用蒸壓加氣混凝土可有效地降低建筑物的自重，降低建筑物梁柱等結(jié)構(gòu)的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)建筑成本和材料的有效節(jié)約[5].另外，蒸壓加氣混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在大量氣孔，提高了制品的隔熱保溫效果，而且其加工性能較好，對(duì)其進(jìn)行鉆孔、刨及鋸等加工，使實(shí)際施工過(guò)程更為簡(jiǎn)單[6,7].

銅尾礦屬于金屬銅提取時(shí)產(chǎn)生的有色金屬尾礦[8]，陶瓷拋光泥屬于制作陶瓷制品時(shí)拋光過(guò)程后所產(chǎn)生的排泄廢棄料[9,10]，二者的堆積占用大量的土地資源，導(dǎo)致植被退化及資源的浪費(fèi)[11].本文將銅尾礦與陶瓷拋光泥作為原材料，輔以水泥、石灰、石膏等原材料，運(yùn)用化學(xué)手段并以鋁粉作為發(fā)氣劑，制備蒸壓加氣混凝土砌塊，對(duì)所制備的砌塊實(shí)施抗壓性能檢測(cè)，分析各種原材料的不同摻量對(duì)蒸壓加氣混凝土砌塊抗壓性能的影響作用，并在此基礎(chǔ)上選取出蒸壓加氣混凝土砌塊抗壓性能最佳的原材料配比與蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間，為制備出最佳抗壓性能的蒸壓加氣混凝土砌塊提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)中所用的主要原材料包括銅尾礦、陶瓷拋光泥、石灰、水泥等，其中銅尾礦的主要礦物相包含黑云母、長(zhǎng)石、方解石及石英等[12]；陶瓷拋光泥的主要礦物相為石英[13,14].各原材料的詳細(xì)介紹如表1所示.

表1 各原材料詳細(xì)情況

其余次要原材料包括水玻璃堿性激發(fā)劑、鋁粉、石膏、穩(wěn)泡劑等.其中水玻璃選用市售分析純九水硅酸鈉，依據(jù)特定配比配制之后，將其模數(shù)控制在0.8～1.6之間，通過(guò)水玻璃可將銅尾礦與陶瓷拋光泥內(nèi)玻璃體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞提升其活性；依據(jù)特定配比由六偏磷酸鈉、三乙醇胺與油酸配制而成；石膏為市售分析純二水硫酸鈣.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中所用到的設(shè)備及型號(hào)如表2所示.

表2 試驗(yàn)主要設(shè)備型號(hào)及廠家

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 蒸壓加氣混凝土砌塊的制備

向電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)放入適量陶瓷拋光泥與銅尾礦原材料樣品，將溫度設(shè)為103 ℃，充分干燥原材料樣品；運(yùn)用四分法將充分干燥之后的原材料樣品縮至4.8 kg；稱(chēng)量好各原材料樣品后，通過(guò)水泥試驗(yàn)球磨機(jī)對(duì)其依次實(shí)施粉磨破碎；混合粉磨破碎后的兩種原材料樣品形成干拌混合料，采用水泥凈漿攪拌機(jī)將其攪拌均勻，并向其中加入58 ℃的溫水迅速攪拌2 min；攪拌后將外加劑和發(fā)氣劑依次加入其中，同時(shí)迅速攪拌28～38 s，獲得攪拌均勻的料漿；向98 mm×98 mm×98 mm的模具內(nèi)澆筑所獲得的料漿，于48 ℃環(huán)境下靜止養(yǎng)護(hù)4 h；待完成養(yǎng)護(hù)之后將其脫模并放入1.0 MPa、183 ℃的蒸壓釜內(nèi)繼續(xù)實(shí)施7 h的蒸壓養(yǎng)護(hù)，待完成養(yǎng)護(hù)之后實(shí)施烘干，即制得蒸壓加氣混凝土砌塊.

1.3.2 抗壓性能檢測(cè)方法

通過(guò)改變蒸壓加氣混凝土砌塊制備時(shí)的陶瓷拋光泥、水泥與石灰原材料的摻量以及水料比、蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間，依據(jù)制備過(guò)程制備出不同蒸壓加氣混凝土砌塊作為試驗(yàn)試樣，檢測(cè)不同試樣的抗壓性能，檢測(cè)方法如下.

將制備出的蒸壓加氣混凝土砌塊試樣放于電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的下壓板正中位置，試樣的受力方向與試樣的發(fā)氣方向垂直(圖1)；將電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)開(kāi)啟，在試驗(yàn)機(jī)的上壓板靠近試樣時(shí)，對(duì)球座實(shí)施調(diào)整令接觸更均衡，采用(1.9±0.45) kN/s的速度均勻持續(xù)加載直到試樣損壞，對(duì)損壞時(shí)的荷載值實(shí)施記錄.

圖1 試驗(yàn)加載受力方向示意圖

檢測(cè)過(guò)程中以GB/T 208—1994《水泥密度測(cè)定方法》與GB/T 8074—2008《水泥比表面積測(cè)定方法 勃氏法》作為參照檢測(cè)原材料的基礎(chǔ)物理化學(xué)性能；實(shí)施蒸壓加氣混凝土砌塊試樣的抗壓性能檢測(cè)時(shí)，加載速度需以GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》要求為參照[15].

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 陶瓷拋光泥含量對(duì)砌塊性能的影響

通過(guò)添加6種不同含量的陶瓷拋光泥制備出6個(gè)蒸壓加氣混泥土砌塊試樣(a1～a6)，a1～a6試樣中陶瓷拋光泥的含量依次為5%、10%、15%、17%、20%、23%，各試樣中的其它原材料含量均相同，分別為36%的銅尾礦、10%的水泥、16%的石灰及0.1%的鋁粉.分別檢測(cè)a1～a6試樣漿體發(fā)氣高度的變化情況與抗壓強(qiáng)度及干密度的變化情況.

2.1.1 漿體發(fā)氣測(cè)試

檢測(cè)不同陶瓷拋光泥含量下所制備出的a1～a6試樣漿體發(fā)氣高度隨發(fā)氣時(shí)間的變化情況，檢測(cè)結(jié)果如表3所示.

表3 不同陶瓷拋光泥含量試樣漿體發(fā)氣高度

由表3可看出，在發(fā)氣時(shí)間低于32 min時(shí)間段內(nèi)，各試樣漿體的發(fā)氣高度隨時(shí)間的延伸持續(xù)增長(zhǎng)；在發(fā)氣時(shí)間高于32 min時(shí)，各試樣漿體在石灰消化和水泥水化的協(xié)同作用下隨發(fā)氣時(shí)間的延伸持續(xù)稠化，各試樣漿體的發(fā)氣高度呈現(xiàn)出先降低而后持續(xù)平穩(wěn)的趨勢(shì)，這時(shí)結(jié)束各試樣漿體的發(fā)氣過(guò)程.各試樣漿體發(fā)氣高度排序依次為a6

圖2 不同陶瓷拋光泥含量試樣漿體發(fā)氣效果

通過(guò)圖2可以看出，15%陶瓷拋光泥含量的a3試樣漿體發(fā)氣效果明顯高于23%陶瓷拋光泥含量的a6試樣漿體發(fā)氣效果，其漿體發(fā)氣后表面紋路更深更清晰.

2.1.2 抗壓強(qiáng)度及干密度測(cè)試

對(duì)不同陶瓷拋光泥含量下所制備出的a1～a6試樣的抗壓強(qiáng)度及干密度變化情況實(shí)施檢測(cè)，所得檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 不同陶瓷拋光泥含量試樣抗壓強(qiáng)度及干密度

分析圖3可以得出，隨著陶瓷拋光泥含量的增長(zhǎng)，a1～a6試樣的抗壓強(qiáng)度與干密度均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，其中陶瓷拋光泥含量為15%的a3試樣的抗壓強(qiáng)度與干密度最低，陶瓷拋光泥含量為23%的a6試樣的抗壓強(qiáng)度與干密度最高.結(jié)合各試樣漿體發(fā)氣高度測(cè)試結(jié)果可得出，a3試樣漿體發(fā)氣高度最高且發(fā)氣過(guò)程最穩(wěn)定，漿體的發(fā)氣速率和稠化速率匹配且漿體具有較高的穩(wěn)定性，通過(guò)蒸壓工藝之后，該試樣的結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣孔分布十分均勻，故其干密度與抗壓強(qiáng)度最低，僅為465 kg/m3與3.58 MPa；試樣a6的漿體發(fā)氣高度最低，其抗壓強(qiáng)度與干密度最高.綜上可知，蒸壓加氣混凝土砌塊的漿體發(fā)氣高度與抗壓強(qiáng)度及干密度呈反比關(guān)系，其中陶瓷拋光泥含量為23%的砌塊試樣抗壓強(qiáng)度與干密度最高.

2.2 水泥摻量對(duì)砌塊性能的影響

作為蒸壓加氣混凝土砌塊制備中關(guān)鍵鈣質(zhì)材料，水泥屬于一種水硬性無(wú)機(jī)膠凝材料，本身具有一定的強(qiáng)度，在制備蒸壓加氣混凝土砌塊的過(guò)程中，其前期的澆筑平穩(wěn)性對(duì)后期形成水化產(chǎn)物起著關(guān)鍵性作用.為更深入地分析水泥在蒸壓加氣混凝土砌塊中所發(fā)揮的作用，在此選用8%～24%不同含量的水泥在其它原材料相同的情況下(各試樣中的其它原材料分別為36%的銅尾礦、23%的陶瓷拋光泥、16%的石灰及0.1%的鋁粉)，制備出10個(gè)蒸壓加氣混凝土砌塊試樣，分別以b1～b10表示，檢驗(yàn)在不同水泥含量下各蒸壓加氣混凝土砌塊的性能，檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

表4 不同水泥含量試樣性能檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)表4能夠得出，隨著水泥摻量的升高，蒸壓加氣混凝土砌塊的干密度與抗壓強(qiáng)度也隨之上升，其中，水泥摻量為14%、17%、20%及24%的試樣b4、b6、b8、b10與水泥摻量為8%的試樣b1相比，抗壓強(qiáng)度依次增長(zhǎng)了12.8%、16.9%、23.6%、32.1%，干密度依次增長(zhǎng)了7.5%、10.6%、14.9%、17.5%.由此可見(jiàn)，水泥摻量對(duì)蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓性能具有正影響作用，通過(guò)適當(dāng)提升蒸壓加氣混凝土砌塊內(nèi)水泥的摻量，可以有效提高蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度.

2.3 石灰摻量對(duì)砌塊性能的影響

石灰與水反應(yīng)能夠形成大量的強(qiáng)堿環(huán)境與熱量，對(duì)于拌和物的稠化與發(fā)氣過(guò)程可起到促進(jìn)作用，屬于蒸壓加氣混凝土砌塊內(nèi)的主要鈣質(zhì)材料.然而當(dāng)石灰摻量過(guò)低時(shí)，將導(dǎo)致所制得的蒸壓加氣混凝土砌塊制品的干密度過(guò)高且抗壓性能過(guò)低，而石灰摻量過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致制備過(guò)程中的澆筑階段不夠穩(wěn)定.故為更深入地了解石灰在蒸壓加氣混凝土砌塊制備中的作用，此試驗(yàn)中取36%的銅尾礦、23%的陶瓷拋光泥、24%的水泥及0.1%的鋁粉，通過(guò)添加5%～16%的石灰制備出10個(gè)蒸壓加氣混凝土砌塊試樣c1～c10，對(duì)10個(gè)試樣的抗壓性能實(shí)施檢驗(yàn)，結(jié)果如表5所示.

表5 不同石灰摻量試樣性能檢測(cè)結(jié)果

由表5可得知，各蒸壓加氣混凝土砌塊試樣的干密度隨石灰摻量的升高而逐漸降低；石灰摻量在5%～11%之間的蒸壓加氣混凝土砌塊試樣c1～c5，隨著石灰摻量的持續(xù)增長(zhǎng)，混凝土抗壓強(qiáng)度為逐漸上升趨勢(shì)，而石灰摻量在11%～16%之間的蒸壓加氣混凝土砌塊試樣c5～c10的抗壓強(qiáng)度，則隨著石灰摻量的繼續(xù)增長(zhǎng)，呈現(xiàn)逐步下降趨勢(shì)，其中試樣c5的抗壓強(qiáng)度最高.該結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)石灰摻量為11%時(shí)，蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，此時(shí)其抗壓性能最佳.

2.4 不同水料比對(duì)砌塊性能的影響

試驗(yàn)中選取36%的銅尾礦、23%的陶瓷拋光泥、24%的水泥、11%的石灰及0.1%的鋁粉，水料比依次選取為0.50、0.53、0.55、0.58、0.60、0.63、0.65、0.68、0.70、0.73，制備10個(gè)蒸壓加氣混凝土砌塊試樣d1～d10，檢驗(yàn)不同水料比所制備的蒸壓加氣混凝土砌塊試樣孔結(jié)構(gòu)的抗壓性能，結(jié)果見(jiàn)表6.

表6 不同水料比下試樣性能檢測(cè)結(jié)果

分析表6能夠得出，在各種原材料含量相同的情況下，當(dāng)水料比為0.68時(shí)，所制備出的蒸壓加氣混凝土砌塊試樣d8的抗壓強(qiáng)度與絕干比強(qiáng)度均為最高，可見(jiàn)蒸壓加氣混凝土砌塊抗壓性能最佳的水料比為0.68.分析其原因是當(dāng)水料過(guò)高時(shí)，料漿的稠度較低，石灰的水解效率高，能夠令鋁粉較早地出現(xiàn)大量的氣體，導(dǎo)致蒸壓加氣混凝土坯體的孔隙率與孔徑均增大，導(dǎo)致發(fā)氣過(guò)高而漿體由模具內(nèi)溢出，排出水化產(chǎn)物，因而蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度有所降低；反之，當(dāng)水料比較低時(shí)，料漿的稠度較高，物料無(wú)法均勻分散導(dǎo)致原材料稠化速度比發(fā)氣速度高，導(dǎo)致蒸壓加氣混凝土坯體的孔結(jié)構(gòu)較差，孔隙率較低，造成較高的干密度與較低的抗壓強(qiáng)度.

2.5 蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)砌塊性能的影響

作為制備蒸壓加氣混凝土砌塊過(guò)程中最主要一環(huán)，蒸壓養(yǎng)護(hù)是令制品達(dá)到水熱合成的關(guān)鍵方式，也是形成輕質(zhì)高強(qiáng)度砌塊的必備環(huán)節(jié).為此，試驗(yàn)在固定36%的銅尾礦、23%的陶瓷拋光泥、24%的水泥、11%的石灰、0.1%的鋁粉以及0.68的水料比基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)置3～10 h的不同蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間，制備出8個(gè)蒸壓加氣混凝土砌塊試樣e1～e8，通過(guò)檢測(cè)各試樣的干密度與抗壓強(qiáng)度，分析蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)蒸壓加氣混凝土砌塊性能的影響規(guī)律，檢測(cè)結(jié)果如表7所示.

表7 不同蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間試樣性能檢測(cè)結(jié)果

分析表7可得，蒸壓加氣混凝土砌塊試樣的干密度隨著蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)持續(xù)降低；隨著蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，蒸壓加氣混凝土砌塊試樣的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)在蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 h的試樣e5上，說(shuō)明在制備蒸壓加氣混凝土砌塊的蒸壓養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，可設(shè)置7 h的蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間，提升蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓性能.

3 結(jié)論

通過(guò)以銅尾礦與陶瓷拋光泥作為主要原材料、結(jié)合水泥、石灰等輔助原材料制備蒸壓加氣混凝土砌塊，改變不同原材料摻量、水料比及蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間，分別制備出不同蒸壓加氣混凝土砌塊試樣，依據(jù)抗壓性能測(cè)試方法對(duì)所制備出的各種蒸壓加氣混凝土砌塊試樣實(shí)施抗壓性能檢測(cè)，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：

(1)15%的陶瓷拋光泥試樣漿體發(fā)氣高度最大，但其干密度與抗壓強(qiáng)度最低，23%的陶瓷拋光泥試樣漿體發(fā)氣高度最小，但其干密度與抗壓強(qiáng)度最高，蒸壓加氣混凝土砌塊的漿體發(fā)氣高度與抗壓強(qiáng)度及干密度呈反比關(guān)系；

(2)水泥摻量與蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度為正相關(guān)關(guān)系，適當(dāng)提升蒸壓加氣混凝土砌塊內(nèi)水泥的摻量，可提升蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓性能；

(3)在其它原材料含量不改變的前提下，11%的石灰摻量可令蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度到達(dá)峰值；

(4)在各種原材料含量相同的情況下，在0.68的水料比下所制備出的蒸壓加氣混凝土砌塊具備更高的抗壓強(qiáng)度與絕干比強(qiáng)度，抗壓性能最佳；

(5)隨著蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，蒸壓加氣混凝土砌塊的干密度呈現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間設(shè)置為7 h時(shí)，蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓性能最好.