磷尾礦制備加氣混凝土的實驗研究

林華明LIN Hua-ming

（中國直升機設計研究所，景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，施工建設工程越來越多、規(guī)模越來越大，對混凝土尤其是加氣混凝土的需求量也在逐步增大。制備加氣混凝土需要用到大量高品質(zhì)的硅質(zhì)原料，行業(yè)內(nèi)通常以河砂和粉煤灰為主，但隨著消耗量和需求量之間的矛盾突出，這些原材料的供給越來越緊張，制備成本也水漲船高，急需尋找新的替代材料。

磷礦即磷酸鹽類礦物，作為一種重要的化工礦物原料，在工業(yè)、化工等領域有著廣泛應用。但由于我國的磷礦品位不高，原礦在開采后遴選出的精礦比較少，余下的大量尾礦一般堆積在露天場地，既沒有得到充分利用，也會給生態(tài)環(huán)境帶來嚴重威脅。實際上，磷尾礦中富含SiO2和CaO 具有一定活性，相關成分與堿性物質(zhì)反應能夠生成硅質(zhì)凝膠物，可將其作為煤粉灰的替代品，用于制備加氣混凝土，從而為磷尾礦找到資源再利用的有效途徑，并解決制備原材料緊缺和成本高昂的系列問題[1]。

1 實驗

1.1 實驗材料

本次實驗所需的相關原材料主要包括：水泥、磷尾礦、石灰、石膏及發(fā)氣劑等（詳見表1）。其中水泥選用PS32.5類型（礦渣硅酸鹽水泥，耐壓強度325kg/cm2）；磷尾礦的含水率為25%，干處理后的比表面積為310m2/kg，內(nèi)部相關組分及其比例分別為：SiO2（60.5%）、CaO（7.24%）、Al2O3（12.5%）、P2O5（2.64%）、Fe2O3（3.86%）；石灰中的主要化學成分及占比為：CaO（60.51%）、SiO2（2.65%）、MgO（1.20%）；石膏中的主要成分SO3為40%；發(fā)氣劑，主要使用鋁粉。

表1 實驗材料主要構成表

1.2 實驗步驟

本次實驗分三步進行：

第一步，按照配比以45℃的水混合水泥、石灰、石膏及磷尾礦等物質(zhì)，然后，使用攪拌器進行充分攪拌均勻，時間為2 分鐘。確?；旌衔镏械母鹘M分充分融合并達到均勻的狀態(tài)。這樣做可以為加氣混凝土的制備提供一個初步的材料混合過程。

第二步，將鋁粉摻入混合物中，再次進行攪拌1min。以此將鋁粉均勻地分散在混合物中以促進發(fā)泡反應[2]。隨后，將混合物倒入一個模具中（模具規(guī)格：100mm×100mm×100mm）并將模具靜置于45℃的烘箱中，等待料漿的發(fā)氣，該過程大約需要50min。待發(fā)氣結(jié)束后，可以用細鐵絲將坯體頂部多余的部分去除，得到一個成型的加氣混凝土試塊，待進一步的實驗和測試。

第三步，完成前述步驟后，將試塊放入蒸壓釜中進行蒸壓處理。蒸壓的條件為溫度：180℃，蒸汽壓力：1MPa。首先，將試塊放入蒸壓釜內(nèi)，并開始升溫過程。升溫時間為3小時，使溫度逐漸上升至設定值，升溫完成后，需要保持恒定溫度5 小時。隨后，開始降溫過程，持續(xù)2 小時，將溫度逐漸降低至常溫。然后，將試塊從蒸壓釜中取出，準備進行性能測試。

性能測試，包括體積密度測試和力學性能測試。體積密度測試按照國標GB/T 11970-1997 的標準和方法進行；力學性能測試執(zhí)行國標（GB/T 11971-1997）標準，測量加氣混凝土試樣的抗壓強度、抗折強度和凍融性能等力學性能。通過對蒸壓后的試塊進行上述性能測試，可以評估加氣混凝土的物理和力學性能，從而了解其適用范圍和性能特點。實驗工藝流程如圖1 所示。

圖1 尾磷礦加氣混凝土制備的試驗工藝流程圖

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 水泥摻入量與磷尾礦加氣混凝土的性能關系

在水料比0.64，鋁粉0.14%，磷尾礦65%等基本條件下，不同摻量的水泥和一定比例的石灰、石膏對制品容重和抗壓強度的影響存在一定差異。如表2 所示，水泥容量為5%時，加氣混凝土的容重為606kg·m-3，抗壓強度為3.4MPa；隨著水泥摻量的增加，石灰石膏參數(shù)適量變化，制品的容重也隨之增大，而抗壓強度在3.3-3.8 之間波動變化。其中在水泥摻量為6%，混凝土制品的抗壓強度達到最高值3.8MPa。

表2 不同水泥摻量對磷尾礦加氣混凝土性能的影響

這一變化是因為在發(fā)氣期間水泥可調(diào)整料漿稠化速度，當稠化速度明顯超過鋁粉發(fā)氣速度時，混凝土就會產(chǎn)生“憋氣”反應，將增大制品的容重；制品容重隨水泥摻量的增加而增大，但在水泥摻量達到限定值后，由于鈣質(zhì)過量，使得水泥水化后生成大量的低強度的C2SH（A），因此導致加氣混凝土的抗壓性能出現(xiàn)波動性下降。

2.2 鋁粉摻量與制品容重的變化關系

鋁粉作為一種發(fā)氣劑，是磷尾礦制備加氣混凝土的必要原料，不同的摻入量會對制品容重造成不同影響。圖2顯示，隨著鋁粉摻量的增加，制品容重出現(xiàn)逐漸降低的現(xiàn)象。當鋁粉摻量增加到0.14%時，之后的摻量增加對制品容重的影響輕微。如果繼續(xù)加大鋁粉摻量則很容易導致塌?，F(xiàn)象的出現(xiàn)，從而使得坯體難以成型。

圖2 鋁粉摻入量與磷尾礦加氣混凝土容重的變化示意圖

2.3 石灰與石膏混合量與制品性能強度之間的關系

在磷尾礦制備加氣混凝土的實驗過程中，石灰是一種重要的水熱反應鈣質(zhì)材料，它為混凝土提供了所需的鈣離子。同時，石灰還在消溶過程中生成堿溶液，可以為鋁粉創(chuàng)設良好的發(fā)氣條件，促使混凝土形成孔隙結(jié)構。石膏主要起到調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時間和延長石灰消溶時間的作用，促使鈣礬石的生成。另外，通過摻入適當?shù)氖?，還可以有效延緩混凝土的凝結(jié)反應，并提高加氣混凝土制品的抗壓強度和穩(wěn)定性。相關研究表明，石灰與石膏的最佳配比約為10∶1[3]，按照這個比例進行配制，可以獲得具有良好物理性能和機械性能的加氣混凝土產(chǎn)品。當水泥摻量為6%，鋁粉及水料比固定情況下，不同摻量的石灰和石膏隨磷尾礦用量的增加，所制備的加氣混凝土強度性能變化如表3 所示。

表3 石灰和石膏摻量對磷尾礦加氣混凝土抗壓性能的影響

表3 顯示，當石灰與石膏總摻量達到28.9%，磷尾礦用量為65%時，制備的加氣混凝土能達到3.8MPa 的強度性能。表明，該參數(shù)條件下鈣質(zhì)總量能夠充分滿足反應需求。

2.4 漿液溫度與磷尾礦加氣混凝土的關系

合適的摻料漿液溫度是加氣混凝土制備過程中，確保鋁粉發(fā)氣的重要條件。一般漿液溫度與反應物的反應速度、鋁粉發(fā)氣效率正相關。通過調(diào)整料漿溫度可以在一定程度上提升漿體的稠化速度[4]。由圖3 可知，總體上來看，磷尾礦加氣混凝土的料漿膨脹高度隨料漿溫度的變化而變化，當漿液溫度45℃時，達到加氣混凝土的理想發(fā)氣條件。

圖3 摻料漿液溫度與膨脹高度的變化曲線圖

2.5 水料比的選擇

水料比是指用于混凝土中水的質(zhì)量與固體膠凝材料（水泥、石灰等）的質(zhì)量之比。磷尾礦制備加氣混凝土時，水料比的選擇需要考慮諸多因素，包括混凝土的工作性能、強度要求、耐久性以及原材料特性等[5]。通常情況下，較低的水料比可以提高混凝土的強度和耐久性，但可能對施工性能產(chǎn)生不利影響；而較高的水料比有利于混凝土的流動性和施工性能，但可能降低混凝土的強度和耐久性。

根據(jù)實驗和實踐經(jīng)驗，一般建議磷尾礦制備加氣混凝土的水料比在0.45 到0.65 之間。具體的水料比應根據(jù)混凝土的設計要求和實際條件進行綜合考慮，本次實驗顯示水料比在0.64 時，更符合制備要求。

3 反應機理分析

使用磷尾礦制備加氣混凝土的過程中，涉及到多項物質(zhì)的多種化學反應。主要包括：

①石灰與水的反應：CaO+H2O→Ca（OH）2

石灰（CaO）與水（H2O）發(fā)生水化反應，生成氫氧化鈣（Ca（OH）2）。這是一個劇烈的放熱反應，產(chǎn)生大量的熱量。

②石膏的水化反應：CaSO4·2H2O+3H2O →CaSO4·0.5H2O·2.5H2O

石膏（CaSO4·2H2O）與水發(fā)生水化反應，生成硬石膏（CaSO4·0.5H2O）。這是一個較慢的反應過程。

③鋁粉的反應：6Ca（OH）2+6Al→3Ca（AlO2）2+3H2↑

鋁粉（Al）與氫氧化鈣（Ca（OH）2）在堿性環(huán)境中發(fā)生反應，生成氣體（主要是氫氣）并產(chǎn)生熱量。這個反應是氣泡形成的關鍵。

上述反應過程中，石灰提供了水熱反應所需的鈣離子，石膏調(diào)節(jié)了水泥的凝結(jié)和水化反應速率，鋁粉作為發(fā)氣劑在堿性環(huán)境下與水熱反應，產(chǎn)生氣體形成微觀孔隙結(jié)構。反應使得混凝土中形成均勻分布的氣泡和孔隙，從而減輕了混凝土的密度，提高了混凝土的抗壓強度和絕熱性能。同時，氫氧化鈣和硬石膏的水化產(chǎn)物（鈣硅石、鈣鋁石等）與渣質(zhì)顆粒之間的膠凝作用，也有助于提高混凝土的力學性能。

需要注意的是，實際的磷尾礦制備加氣混凝土的反應機理可能還受到其他因素的影響，如添加劑的選擇、配比設計以及施工工藝等，需要根據(jù)實際情況和特殊需求進行合理設計。

4 結(jié)論

通過使用65%以上的磷尾礦，可以制備出強度達到3.7MPa 以上的B06 級加氣混凝土。水泥在整個制備過程中具有調(diào)節(jié)料漿稠化速度的作用，利用促進坯體的成型。然而，水泥摻量不可過多，否則會使得料漿稠化速度過快，不利于氣泡的擴散而產(chǎn)生“憋氣”，影響實際效果，通過實驗證實其最佳摻入量為6%左右。鋁粉摻量和水料比的主要作用是平衡發(fā)氣速度和稠化速度，關系到反應效果；鋁粉摻量0.14%，水料比0.64 為磷尾礦制備加氣混凝土的最佳參數(shù)設計。