高鈦礦渣輕骨料空心砌塊試制及性能

蔣俊，文金鳳，胥嘉欣，肖海霞，劉川，李軍，盧忠遠(yuǎn)，羅凱，趙杰

（1.西南科技大學(xué) 環(huán)境友好能源材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學(xué) 材化學(xué)院，四川 綿陽 621010；3.涼山瑞海實(shí)業(yè)有限公司，四川 西昌 615000）

0 前言

我國西南地區(qū)釩鈦磁鐵礦豐富，但每生產(chǎn)1t釩鐵將產(chǎn)生0.3～1.0 t高鈦礦渣。其中，10%～25%的鈦以鈣鈦礦形式存在礦渣中，難以有效提純[1-4]。為進(jìn)一步提取鈦，國內(nèi)外發(fā)展了眾多方法，但因經(jīng)濟(jì)性或二次污染等原因，還未能廣泛應(yīng)用[1，3，5-8]。粉磨高鈦礦渣，用作混凝土輔助性膠凝材料或水泥混合材，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，減少高鈦礦渣堆積，但是因存在高含量、結(jié)晶良好的鈣鈦礦，活性較差，直接應(yīng)用受阻[2，9-10]。進(jìn)一步采用超細(xì)化、化學(xué)激發(fā)等方式，一定程度上增加了經(jīng)濟(jì)成本，規(guī)模化應(yīng)用存在一定問題[11-14]。相對(duì)于高鈦礦渣用作礦物摻合料或混合材，將高鈦礦渣風(fēng)冷，制備高鈦礦渣骨料，可提升高鈦礦渣利用率，在四川攀枝花-西昌地區(qū)應(yīng)用較為廣泛[15-16]。但是風(fēng)冷高鈦礦渣密度高，生產(chǎn)混凝土構(gòu)件相對(duì)較重，對(duì)于建筑抗震等有所影響。另外一類高鈦礦渣制備的骨料輕質(zhì)多孔、多棱角，對(duì)混凝土工作性將產(chǎn)生不利影響，不能直接用于預(yù)拌輕骨料混凝土生產(chǎn)，現(xiàn)缺乏低成本規(guī)模消納方式。除預(yù)拌生產(chǎn)混凝土等水泥基材料外，干拌壓制生產(chǎn)方式對(duì)拌合物工作性要求低，廣泛用于混凝土磚和空心砌塊生產(chǎn)[17]，給高鈦礦渣輕骨料應(yīng)用提供了新的選擇。并且空心砌塊成本低、節(jié)能、生產(chǎn)工藝簡單，在非承重結(jié)構(gòu)備受青睞，同時(shí)，空心砌塊比其他墻體材料需要更少的原材料，對(duì)成本控制更有意義[18]。然而，目前高鈦礦渣輕骨料研制空心砌塊的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究以高鈦礦渣輕骨料和水泥為主要原材料，制備了輕骨料砂漿，在配合比優(yōu)化基礎(chǔ)上，進(jìn)行高鈦礦渣輕骨料空心砌塊生產(chǎn)與性能研究，旨在為高鈦礦渣的低成本、規(guī)模應(yīng)用、消納固廢提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：四川某水泥廠，P·O42.5R，其化學(xué)成分如表1所示，XRD圖譜如圖1所示，粒度分布如圖2所示；高鈦礦渣輕骨料：堆積密度1150 kg/m3、吸水率27.3%、壓碎值46%，化學(xué)成分與XRD圖譜分別如表1和圖1所示，主要結(jié)晶相為鈣鈦礦和尖晶石，其外觀和微觀形貌如圖3所示。

表1 原材料的化學(xué)成分 %

1.2 制備方法

（1）高鈦礦渣輕骨料砂漿制備：按表2配比，將水泥和高鈦礦渣輕骨料加入混凝土攪拌機(jī)中攪拌1 min，添加水，攪拌3 min，得到均勻的拌合物；然后，將拌合物置于Φ60 mm×100 mm模具中；隨后的壓實(shí)過程在萬能試驗(yàn)機(jī)（SANS CMT5105）上進(jìn)行，20 s內(nèi)將施加載荷從0增加到10 MPa，保持5 s（此時(shí)壓制工藝制備的砂漿與空心砌塊壓制工藝所生產(chǎn)的砌塊力學(xué)性能相當(dāng)），脫模，在（20±2）℃、相對(duì)濕度大于90%養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

（2）空心砌塊生產(chǎn)：按表2配比，將儲(chǔ)存在各料倉中物料計(jì)量，然后用皮帶、螺旋輸送至攪拌機(jī)中，攪拌3 min，隨即送入壓磚機(jī)中，振動(dòng)壓實(shí)5 s，隨后模具移除，生產(chǎn)出空心率約32%、尺寸為390 mm×150 mm×190mm的產(chǎn)品，產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)格如圖4所示；隨后，用叉車轉(zhuǎn)運(yùn)至養(yǎng)護(hù)室（平均溫度20℃，相對(duì)濕度≥90%），每3 h對(duì)試樣進(jìn)行1次噴水，48 h后將空心砌塊移至露天場(chǎng)地，每3h對(duì)試樣進(jìn)行1次噴水，直至28 d。

表2 高鈦礦渣輕骨料砂漿的配合比

1.3 測(cè)試與表征方法

微觀結(jié)構(gòu)：將規(guī)定齡期的試樣用無水乙醇終止水化，45℃干燥至恒重，切取斷面，置于掃描電鏡（捷克TESCAN，MAIA3LMU）中，獲取微觀圖片。

力學(xué)強(qiáng)度、干密度：按照GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，加載速率為0.175 MPa/s。

堆積孔隙率：按照GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》進(jìn)行測(cè)試。

導(dǎo)熱系數(shù)：將試樣表面采用砂紙打磨平整，并采用無水乙醇清洗，按照GB/T 32064—2015《建筑用材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)瞬態(tài)平面熱源測(cè)試法》，將試樣置于45℃烘箱中干燥至恒重，采用瞬態(tài)法測(cè)試試樣導(dǎo)熱系數(shù)（DRE-2C，湘科），每組樣品測(cè)試3次，取其平均值。

熱分析：試樣45℃真空干燥至恒重，置于耐馳STA 449 C設(shè)備中，在50 mL/min的氮?dú)獯祾弑Ｗo(hù)下，以20℃/min的速率從30℃上升到900℃。

⑥《過武連縣北柳池安國院，煮泉試日鑄、顧渚茶。院有二泉，皆甘寒。傳云唐僖宗幸蜀在道不豫，至此飲泉而愈，賜名報(bào)國靈泉云》

2 結(jié)果與討論

2.1 輕骨料級(jí)配優(yōu)化

合理的骨料級(jí)配是保障產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵之一，此外，合理的級(jí)配還可以減少膠凝材料用量，保證空心砌塊經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，考慮到實(shí)際工廠中存儲(chǔ)料倉數(shù)量問題，將高鈦礦渣輕骨料分為1.18mm以上和以下2類骨料，并進(jìn)行混合，測(cè)試其孔隙率，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)1.18 mm以上的骨料從100%減小至0，骨料的堆積孔隙率從44.5%降低至35.6%后再增長至43.0%；當(dāng)1.18 mm以下骨料含量為40%、1.18 mm以上骨料含量為60%時(shí)，骨料堆積孔隙率最小，為35.6%，此時(shí)，較少量膠凝材料就可以包裹骨料，制備出性能優(yōu)良的輕骨料砂漿，這也意味著砂漿的制備成本較低。后續(xù)試驗(yàn)均采用堆積孔隙率最小的輕骨料。

2.2 空心砌塊所用砂漿性能

在優(yōu)化的骨料級(jí)配，以及16%、20%水泥用量情況下，改變水灰比，測(cè)試了空心砌塊砂漿力學(xué)性能與干密度。值得注意的是，當(dāng)水灰比過高時(shí)（水灰比為0.8），骨料多孔結(jié)構(gòu)難以吸收過多的水，造成泌水現(xiàn)象（見圖6）；過低的水灰比導(dǎo)致成型困難，因此在水灰比為0.5～0.7情況下，研究了水灰比對(duì)砂漿性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 不同水灰比下砂漿抗壓強(qiáng)度與干密度

由表3可知，當(dāng)水灰比由0.5增大至0.6時(shí)，砂漿的干密度增大；水灰比進(jìn)一步增大至0.7時(shí)對(duì)干密度影響不大，L-7-16、L-7-20的干密度分別為1674、1753kg/m3。當(dāng)水泥摻量為16%，水灰比由0.5增加到0.7時(shí)，試件各齡期的抗壓強(qiáng)度均有所提高，7、28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了24.1%、16.7%；當(dāng)水泥摻量為20%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度也有類似的趨勢(shì)，水灰比由0.5增大至0.7，7、28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了35.0%、48.2%。

水灰比越大，空心砌塊所用砂漿的水泥漿體體積越大，其填充骨料堆積形成的孔隙，造成試樣的孔隙率降低，干密度和抗壓強(qiáng)度增加。然而，水灰比的增加并不能導(dǎo)致干密度的持續(xù)增加，這可能是由于高水灰比時(shí)，水泥漿體密度下降所致。水灰比為0.7時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高，此時(shí)骨料堆積的孔隙中被水泥漿體所填充，進(jìn)一步增加水灰比，出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，并且水泥漿體過多，難以壓制成型。

水泥摻量是影響砂漿性能的主要參數(shù)，在優(yōu)化的水灰比基礎(chǔ)上（0.7），不同水泥摻量下砂漿干密度及抗壓強(qiáng)度如圖7所示。

由圖7可知，隨著水泥摻量由8%增加到20%，試件的抗壓強(qiáng)度和干密度增大；7、28d的抗壓強(qiáng)度從0.9、2.2 MPa分別提高至10.8、12.3MPa；干密度由1619kg/m3增大到1753kg/m3。主要是因?yàn)椋S著水泥摻量的增加，水泥漿體變多，骨料堆積孔隙被填充，密度和抗壓強(qiáng)度提高。

按照GB/T15229—2011《輕集料混凝土小型空心砌塊》的規(guī)定，空心砌塊根據(jù)干密度和抗壓強(qiáng)度分為不同的等級(jí)。對(duì)于大多數(shù)施工人員來說，干密度為1200 kg/m3空心砌塊，每塊約14 kg，砌塊可能太重，將會(huì)極大地影響施工效率。干密度與空心率的相關(guān)性表明，空心砌塊所用砂漿的干密度應(yīng)小于1765 kg/m3。所以，目標(biāo)空心砌塊允許最大水泥摻量為20%。MU2.5是最低等級(jí)，根據(jù)圖7與1.2中制備方法，當(dāng)水泥摻量>10%，空心砌塊抗壓強(qiáng)度可超過2.5 MPa，故生產(chǎn)空心砌塊宜采用的水泥摻量為10%～20%。

2.3 空心砌塊的性能

從圖8可以看出，砌塊的抗壓強(qiáng)度與砂漿的抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)相似，即：隨著水泥摻量的增加，砌塊的強(qiáng)度逐漸提高；水泥摻量為20%時(shí)，7、28 d抗壓強(qiáng)度分別為10.8、13.9MPa；水泥摻量為10%～20%時(shí)，空心砌塊的干密度隨水泥摻量的增加而增大，當(dāng)水泥摻量超過18%時(shí)，砌塊的干密度超過1200kg/m3。

試生產(chǎn)砌塊干密度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系見圖9，根據(jù)此圖可以對(duì)空心砌塊進(jìn)行等級(jí)劃分。水泥摻量從10%增至18%時(shí)，砌塊的28 d抗壓強(qiáng)度從4.7 MPa提高至7.5 MPa，干密度從1083 kg/m3增大至1197 kg/m3，均符合GB/T 15229—2011的要求。

空心砌塊所用砂漿導(dǎo)熱系數(shù)與水泥摻量關(guān)系如圖10所示。

由圖10可知，隨著水泥摻量增加（10%～20%），基材的導(dǎo)熱系數(shù)增大。當(dāng)水泥摻量為10%～18%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.337～0.425W/（m·K）。如前所述，水泥摻量的增加會(huì)導(dǎo)致干密度增加和孔隙率降低，因此導(dǎo)熱系數(shù)增加可以歸因于孔隙率的降低。圖11為基材導(dǎo)熱系數(shù)與空心砌塊干密度的關(guān)系。

由圖11可知，砂漿基體的導(dǎo)熱系數(shù)與干密度的相關(guān)系數(shù)較高，R2值為0.983。綜上，砌塊具有合適的強(qiáng)度和密度，較低的導(dǎo)熱系數(shù)，表明高鈦礦渣空心砌塊適合用作建筑材料。

高鈦礦渣具有多孔結(jié)構(gòu)，有利于骨料與漿體的界面過渡區(qū)改善[19]。取空心砌塊樣品（P-7-18，水泥摻量18%）進(jìn)行微觀分析，其微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片如圖12所示，熱重微分曲線如圖13所示。

由圖12可以發(fā)現(xiàn)，新生成的水化產(chǎn)物（C-S-H或C-AS-H凝膠）出現(xiàn)在高鈦礦渣輕骨料表面，這表明高鈦礦渣輕骨料與水泥漿體之間可能發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成了水化產(chǎn)物，改善了骨料與漿體之間的界面過渡區(qū)。

由圖13可以發(fā)現(xiàn)，Ca（OH）2（400～520℃）和CaCO3（500～800℃）對(duì)應(yīng)的峰表明，7 d樣品中CaCO3和Ca（OH）2的含量高于其他樣品[19-21]，而28d樣品的水化產(chǎn)物比例略高于7d樣品，這個(gè)同時(shí)能在130℃附近的峰面積對(duì)比可以證實(shí)[20-21]，此時(shí)的Ca（OH）2和CaCO3的數(shù)量隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長而減少，由此可以推斷出，火山灰反應(yīng)過程中可能消耗了Ca（OH）2，水化產(chǎn)物略有增加，火山灰反應(yīng)也可在高鈦礦渣輕骨料與水泥漿體界面過渡區(qū)的微觀顯微圖片中觀察到，這對(duì)骨料與漿體之間的界面過渡區(qū)改善有利。

3 結(jié)論

（1）1.18 mm以下高鈦礦渣輕骨料占比40%、1.18 mm以上的高鈦礦渣輕骨料占比60%時(shí)，可以獲取較優(yōu)的骨料級(jí)配，輕骨料堆積孔隙率最小，為35.6%。

（2）高鈦礦渣表面多孔與微活性有利于輕骨料與漿體界面過渡區(qū)的改善。

（3）水灰比為0.7，水泥摻量10%～18%，可以生產(chǎn)出干密度為1083～1197 kg/m3、抗壓強(qiáng)度為4.7～7.5 MPa的空心砌塊，空心砌塊所用基體砂漿導(dǎo)熱系數(shù)為0.337～0.425 W/（m·K）。