利用采石表層土制備免燒磚的試驗(yàn)研究

王 鍇，趙 健，徐 萍，李 榮（.堯柏特種水泥技術(shù)研發(fā)有限公司，陜西 西安 7000；.陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司，陜西 西安 7008）

0 前言

為保障水泥生產(chǎn)主要原材料充足供應(yīng)，堯柏水泥集團(tuán)在漢中洋縣建立了規(guī)模較大的石灰石礦產(chǎn)開(kāi)采生產(chǎn)線，該礦山巖體主要為石灰石礦，開(kāi)采石灰石需剝離掉礦山表層雜土。隨著開(kāi)采量的增加，剝離所得的礦山表層土量迅速增加，目前已積累超過(guò)400萬(wàn)m3表層雜土，表層土大量堆積不僅影響了開(kāi)采效率，而且在水流和重力作用下，會(huì)形成坍塌或泥石流的地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)礦區(qū)環(huán)境及人民生命財(cái)產(chǎn)造成威脅。

利用黏土制備燒結(jié)磚技術(shù)已有千年歷史，但燒結(jié)磚制備過(guò)程的高耗能、高碳排放已逐漸不適應(yīng)環(huán)境優(yōu)化發(fā)展理念，因此將采礦產(chǎn)出的表層雜土用非燒結(jié)的方式再利用，具有重要的研究意義。利用黏土制備非燒結(jié)類(lèi)墻材具有原材料易得、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、保溫性能良好等特點(diǎn)[1]，可以說(shuō)是真正的零排放、零污染，很好響應(yīng)了“碳達(dá)峰、碳中和”國(guó)家戰(zhàn)略，同時(shí)變廢為寶，拉動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)，間接支持國(guó)家鄉(xiāng)村振興計(jì)劃?，F(xiàn)階段免燒磚原材料主要來(lái)源有工業(yè)廢渣、污泥等[2]。利用黏土直接制備免燒磚存在著抵抗水損害能力差的風(fēng)險(xiǎn)，需要采用物理及化學(xué)改性方式去改善磚體性能。張波等[3]研究表明，在素土中加入活性摻和料、增韌材料及激發(fā)劑材料可制備出抗壓強(qiáng)度≥15 MPa的免燒磚制品。

本文以洋縣石灰石礦表層雜土、水泥為主要原材料，以吸水率、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度為控制指標(biāo)，研究水泥用量、絮凝劑及增強(qiáng)劑摻量對(duì)免燒黏土磚固化效果的影響，得出免燒磚最佳配比，并對(duì)最佳配比的免燒磚的抗壓強(qiáng)度、干燥收縮率、吸水率、抗凍性能、碳化后強(qiáng)度、軟化系數(shù)Kf等性能進(jìn)行了試驗(yàn)檢測(cè)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）石灰石礦山表層雜土:本次試驗(yàn)所采用的雜土為土石混合物，其中0.1～2000mm粒徑的石灰石占65%左右，黏性紅土占35%左右；在使用之前需要對(duì)土、石進(jìn)行人工分離破碎，得到的含砂土與細(xì)度模數(shù)3.0的機(jī)制砂，具體化學(xué)成分見(jiàn)表1，2。

表1 含砂土化學(xué)成分 %

由表 1 可見(jiàn)，含砂土中 SiO2、Al2O3、Fe2O3與 CaO含量較高（累加占比達(dá)95%以上），樣品燒失量為3.07%，有機(jī)質(zhì)含量適中。

表2 破碎機(jī)制砂化學(xué)成分 %

由表1，2可見(jiàn)，破碎所得機(jī)制砂CaO含量超過(guò)50%，說(shuō)明CaCO3為主要成分。

（2）水泥：堯柏特種水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥，滿(mǎn)足《通用硅酸鹽水泥》GB/T 175—2007[4]的要求。

（3）增強(qiáng)劑：本試驗(yàn)采用自主研制的A/B雙組分液體增強(qiáng)劑，兩者按1∶1質(zhì)量比協(xié)同使用，具有固化增強(qiáng)和防水作用，其主要組成見(jiàn)表3，4。

表3 增強(qiáng)劑A化學(xué)組成

表4 增強(qiáng)劑B化學(xué)組成

（4）水：自來(lái)水。

（5）絮凝劑：有機(jī)絮凝劑為陰離子型聚丙烯酰胺（PAM），白色粉末；無(wú)機(jī)絮凝劑為聚合氯化鋁（PAC），黃褐色粉末，兩種絮凝劑都是用于表皮土泡水后泥與砂石的加速分離。

1.2 免燒磚制備方法

將晾干破碎的含沙土、破碎機(jī)制砂、水泥、石灰等原材料混合均勻后倒入攪拌機(jī)，再將增強(qiáng)劑A,B按先后順序倒入，以150r/min的轉(zhuǎn)速攪拌120 s，再將水倒入后繼續(xù)攪拌120s。將拌和好的混合料裝入塑料袋，系緊袋口靜置20min，使水分充分分散，然后將靜置過(guò)的混合料倒入模具中并在50MPa靜壓荷載下穩(wěn)壓2min成型后脫模，將免燒磚試件在25℃下標(biāo)養(yǎng)得到不同齡期的免燒磚。

1.3 測(cè)試方法

抗壓強(qiáng)度測(cè)試參照《砌墻磚試驗(yàn)方法》GB/T 2542—2012[5]與《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》JC/T 422—2007[6]來(lái)執(zhí)行指標(biāo)控制?？箖鲂?、干燥收縮率、吸水率、碳化性能和軟化性能測(cè)試方法按照《混凝土砌塊和磚實(shí)驗(yàn)方法》GB/T 4111—2013.2002[7]與《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》JC/T 422—2007來(lái)執(zhí)行指標(biāo)控制。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥摻量對(duì)固化效果影響

將人工分離的含砂土與砂石破碎得到沙土與機(jī)制砂，沙土與機(jī)制砂按質(zhì)量比2∶3混合并摻入水泥，調(diào)整水泥用量為占總質(zhì)量13%、15%、17%、19%。由圖2可見(jiàn)，隨著水泥摻入量增大，免燒磚的7d與28d抗壓強(qiáng)度呈顯著上升趨勢(shì)，這是由于水泥量增多水化產(chǎn)物生成量增加，有效提高免燒磚致密程度，促使強(qiáng)度提升。當(dāng)水泥用量占比達(dá)到15%以后，免燒磚28 d抗壓強(qiáng)度已達(dá)到15 MPa以上，滿(mǎn)足JC/T 422—2007對(duì)MU15強(qiáng)度等級(jí)的要求?？紤]到成本及經(jīng)濟(jì)性，將水泥用量確定為15%，并展開(kāi)后續(xù)開(kāi)發(fā)研究。

圖2 水泥摻量對(duì)免燒磚固化效果影響

2.2 絮凝劑對(duì)固化效果的影響

將泥石未分離的表皮土用足量水浸泡24h后得到泥石漿，人工篩出粒徑2.5mm以上的塊狀砂石。隨后在泥石漿水中加入絮凝劑，促使始終懸浮顆粒失去穩(wěn)定性，加速泥漿中沙土的沉淀分離，再將沉淀層以上的水自然蒸發(fā)獲得沙土塊，分別將沙土塊與石塊破碎，獲得沙土與機(jī)制砂?？刂扑嗟膿搅坎蛔?，設(shè)置3組試驗(yàn)分別為：不含絮凝劑空白組、有機(jī)絮凝劑組、無(wú)機(jī)絮凝劑組，編號(hào)分別為XU-K、XU-Y和XU-W，結(jié)果見(jiàn)圖3，4。

圖3 不同絮凝劑對(duì)免燒磚固化效果影響

圖4 不同絮凝劑對(duì)免燒磚吸水率影響

由圖3，4可知，成型測(cè)試各組免燒磚28d強(qiáng)度可知，空白組的抗壓強(qiáng)度最高，吸水率最低。因?yàn)榧尤胄跄齽┖?，絮凝劑?huì)殘留在免燒磚試件中，其保水能力依舊存在，導(dǎo)致靜壓成型的需水量增大，從而降低抗壓強(qiáng)度。同時(shí)絮凝劑的吸水、保水作用會(huì)導(dǎo)致免燒磚吸水率上升。因此，考慮到性能損失問(wèn)題，在對(duì)表層土泥漿中泥石分離效率無(wú)特殊要求條件下，不推薦使用絮凝劑加速分離。

2.3 增強(qiáng)劑的效果評(píng)價(jià)

選取不含絮凝劑成分的沙土和機(jī)制砂，控制水泥摻量為15%為定值，增強(qiáng)劑用量為變量。增強(qiáng)劑使用方法為：增強(qiáng)劑A組分與增強(qiáng)劑B組分按1∶1質(zhì)量比先后加入。增強(qiáng)劑A、B組分合計(jì)摻入量變化控制為：0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%。發(fā)現(xiàn)隨著增強(qiáng)劑摻量的增大，壓制成型過(guò)程中模具底部壓濾出的水分增多；測(cè)試7 d、28 d抗壓強(qiáng)度及免燒磚吸水率見(jiàn)圖5，6。

圖5 增強(qiáng)劑摻量對(duì)免燒磚固化效果影響

圖6 增強(qiáng)劑摻量對(duì)免燒磚吸水率影響

由圖5，6可知，隨著增強(qiáng)劑的加入，增強(qiáng)劑中的早強(qiáng)成分發(fā)揮作用，促使7d強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，但無(wú)機(jī)早強(qiáng)劑的加入會(huì)導(dǎo)致28d強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。另外，吸水率隨著增強(qiáng)劑的增加持續(xù)降低。增強(qiáng)劑主要是由早強(qiáng)組分、成膜防水組分及減水組分組成，因此能促進(jìn)免燒磚早期強(qiáng)度形成；增強(qiáng)劑A中含有硅酸鈉，增強(qiáng)劑B中含有大量氯化鈣，兩組增強(qiáng)劑的先后加入會(huì)在攪拌過(guò)程中迅速反應(yīng)生成硅膠和硅酸鈣凝膠，起到很好的膠結(jié)與填充作用，也起到有效的防水作用，因此增強(qiáng)劑用量越大，免燒磚的吸水率越低。綜合考慮固化強(qiáng)度效果、防水能力及經(jīng)濟(jì)因素，增強(qiáng)劑A、B合計(jì)摻量確定為總質(zhì)量的5.0%。

2.4 免燒磚性能測(cè)試

結(jié)合前期各階段研究結(jié)果，形成最佳質(zhì)量配比為：水泥∶砂土∶機(jī)制砂∶水∶增強(qiáng)劑A∶增強(qiáng)劑B=15∶30∶45∶5∶2.5∶2.5，按該配比制備免燒磚并測(cè)試一系列性能，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 采石表層土制備免燒磚性能測(cè)試結(jié)果

通過(guò)結(jié)果測(cè)試可知，所制備的免燒磚28d強(qiáng)度超過(guò)規(guī)范要求值10.7%，強(qiáng)度理想。其吸水率只有規(guī)范最低要求的27%，干燥收縮率、抗凍性能以及抗碳化性能也均在規(guī)范要求合理范圍內(nèi)。因此所研究制備出的免燒磚各項(xiàng)性能均能達(dá)到JC/T422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》對(duì)MU15強(qiáng)度等級(jí)免燒磚的最低要求，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）利用漢中某地區(qū)的礦山扒皮土為原料制備免燒磚，最佳配比為：水泥∶砂土∶機(jī)制砂∶水∶增強(qiáng)劑A∶增強(qiáng)劑B=15∶30∶45∶5∶2.5∶2.5，在50MPa靜壓成型條件下所制備出的各項(xiàng)性能免燒磚滿(mǎn)足JC/T 422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》對(duì)MU15強(qiáng)度等級(jí)的要求。

（2）隨著水泥用量的增加，采石表層土免燒磚的固化效果呈上升趨勢(shì)，當(dāng)水泥用量占比達(dá)到15%時(shí)，可達(dá)到預(yù)計(jì)固化效果。

（3）促進(jìn)采石表皮土泥石分離的絮凝劑對(duì)免燒磚的性能有負(fù)面影響，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度的降低和吸水率的增大。

（4）隨著增強(qiáng)劑用量的增加，采石表皮土免燒磚的早期強(qiáng)度有所提升，28d強(qiáng)度有一定的降低，但吸水率會(huì)有持續(xù)改善，綜合考慮經(jīng)濟(jì)與性能的改善效果，推薦增強(qiáng)劑總摻量占原材料總質(zhì)量5%。