（环境工程专业论文）低硅尾矿加气混凝土蒸养条件下反应机理的研究.pdf

中文摘要 尾矿属于矿业固体废物，有数量大、类型多、性质复杂的特点，在我国其 利用率非常低，仅达7 。尾矿的资源化，是当代经济与社会发展的重大课题， 也是当代科学技术提出的一个新课题。 程潮低硅铁尾矿因其无主要可利用的元素和矿物，而且以长石为主，强度 很低，难以进行高附加值利用。用此尾矿生产加气混凝土建筑制品，般条件 下制品质量很难合格。尾矿的活性也不是一成不变的，它可以通过人工手段激 活，常用的方法有如下三种：机械磨细法、水热合成法和碱性激发法。 本研究在陈吉春老师研究的基础上，根据上述思路，重点研究了物料配合 比、外加剂、蒸压养护方法对低硅尾矿加气混凝土制品性能的影响。经过大量 的对比实验，证实了早先研究结论的正确，根据合理级配的原理确定出在石英 砂细磨至2 0 0 目筛余o 6 、尾矿粗磨至2 0 0 目筛余1 4 的条件下，制品具有 较好的性能。筛选出了理想的外加剂w d ，实验证明当w d 的用量为每一混 凝土2 3 9 时，制品的比强度最大。并最终确定了最佳养护制度：恒温温度为 2 0 5 ，恒温压力2m p a ：升温时间为3 h ；恒温时间为9 h ：降温时间为3 h 。 通过x r d 与s e m 对试样进行微观测试分析，研究了加气混凝土制品内 部的微观结构和水化产物成分的变化。对自然养护的制品水化过程分析的研究 表明，尾矿和石英砂表面对于水化产物的主要影响是利于晶胚生成的“基底作 用”，基本不参与化学反应，而蒸压温度和压力对低硅尾矿加气混凝土水化产 物的结构、形态有着明显的影响，导致两种制品的抗压强度有明显差别。 本课题研究的对象是低硅尾矿制作新型建筑材料，研究的领域较新。研究 的方向是尾矿建筑制品在蒸养过程的反应行为规律，可以为生产技术的改进提 供理论依据。最终可以实现低硅铁尾矿的高附加值利用和循环利用，减少对环 境的破坏。无论从节约资源角度、环境角度、经济角度都有十分重要的意义。 关键词：铁尾矿，加气混凝土，蒸压养护，微观结构，机理 a b s t r a c t t a i l i n g sb e l o n gt ot h es o l i dt r a s ho fm i n i n gi n d u s t r y ，f o r t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fl a r g e q u a n t i t y ，m a n yt y p e s a n dc o m p l e xn a t u r e ，t h eu t i l i z a t i o nr a t eo fo u r c o u n t r y l o wv e r ym u c h r e a c h7 o n l y t h er e s o l l g c e o ft a i l i n g si s s o c i e t y i m p o r t a n tp r o g r a m w i t h p r e s e n te c o n o m i cd e v e l o p ，i sa l s oa n e w s u b j e c to fp r e s e n t s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s i n c ei th a sn om a j o ra v a i l a b l ee l e m e n ta n dm i n e r a l ，a n di sl o n gs t o n e m a i n l y , s i r e n g t h i s v e r yl o w ，c h e n gc h a ol o w s s i l i c o nt a i l i n g s i sh a r dt ob e a d d i t i o n a lv a l u eu s eh i g h i ng e n e r a lc o n d i t i o nw i t ht h i s t a i l i n g sp r o d u c i n g a e r o c r e t e ，q u a l i t yh a r dq u a l i f i e d t a i l i n g sa c t i v ea l s od on o tb ei m m u t a b l e ，i tm a y k n o ws u r p a s sw o r km e a n sa c t i v a t i o n ，g e n e r a lm e t h o d sh a v ef o l l o w i n g3k i n d s ： m e c h a n i c a lr e d u c t i o nl a w , h y d r o - t h e r m a ls y n t h e t i cl a wa n da l k a l e s c e n c ea r o u s e l a w a c c o r d i n gt oa b o v e - m e n t i o n e dw a y ，t h i sr e s e a r c hi s o nt h ef o u n d a t i o no f j i c h u n - c h e nt e a c h e rr e s e a r c h f o c a lp o i n t sh a v es t u d i e ds t o c kc o o r d i n a t i o n ， a d d i t i v e ，s t e a mt op r e s sm a i n t e n a n c em e t h o df o rt h ei n f l u e n c eo fp e r f o r m a n c eo f l o w - s i l i c o nt a i l i n g sa e r o c r e t e p l e n t yo fc o n t r a s te x p e r i m e n t sh a v ec o n f i r m e d p r e v i o u s r e s e a r c hc o n c l u s i o ni s r i g h t l y f i r s t l ya c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo f r e a s o n a b l eg r a d i n g ，p r o d u c th a sb e t t e rp e r f o r m a n c ew h e nq u a r t zs a n dm i l lt ot h e 2 0 0e y eo 6 a n dt a i l i n g sm i l lt ot h e2 0 0e y e1 4 s e c o n d l yt h ea d d i t i v ew d b es e l e c t e di si d e a l ，a n de x p e r i m e n tp r o o fs t r e n g t ho fp r o d u c tb i g g e s tw h e np a w n w d 2 3 9 i ne a c hc u b i c a lc o n c r e t e t h i r d l yb e s tm a i n t e n a n c es y s t e mi sd e t e r m i n e d e v e n t u a l l y ：t h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ei s2 0 5c ，t h ec o n s t a n tp r e s s u r ei s2m p a ，t i m e o fh e a t i n gu pi s3h ；t h et i m eo fc o n s t a n tt e m p e r a t u r ei s9ha n dt i m eo f c o o l i n g d o w n i s3h t h r o u g h x r da n ds e m ，s a m p l e sa r ec a r r i e do u t m i c r o s c o p i c t e s ta n a l y s i sf o r s t u d y i n gt h ec h a n g eo fm i c r o s c o p i cs t r u c t u r ea n dh y d r a t i o no u t c o m ec o m p o s i t i o n o fa e r o c r e t e p r o d u c t a n a l y s i s f o rt h e p r o d u c th y d r a t i o np r o c e s s o fn a t u r a l m a i n t e n a n c es h o wt a i l i n g sa n dq u a r t zs a n ds u r f a c ei s a d v a n t a g ef o rt h em a j o r i n f l u e n c eo fh y d r a t i o no u t c o n i ei n j i n g p e i g e n e r a t e ”b a s er o l e ”，d o n o t d a r t i c i p a t ei nc h e m i c a lr e a c t i o nb a s i c a l l y ，w h i l e s t e a mt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e f o rh y d r a t i o ns t r u c t u r ea n df o r mo fl o ws i l i c o n - t a i l i n g sa e r o c r e t eh a v eo b v i o u s i n f l u e n c e ，i t i s w h yt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h o ft w op r o d u c t sh a v eo b v i o u s d i 觑r e n c e t h eo b j e c to ft h i sp r o g r a mr e s e a r c hi st ol o ws i l i c o nt a i l i n g sp r o d u c t ，a n d t h e r e s e a r c hf i e l do fn e wh o u s i n gm a t e r i a l si s n e wc o m p a r a t i v e l y d i r e c t i o ni st h e r e a c t i o nb e h a v i o rl a wo f p r o c e s so ft a i l i n g sb u i l d i n gp r o d u c t i ns t e a mr a i s e t h e s e m a yo f f e rb a s i ct h e o r y a b o u tt h e i m p r o v e m e n to fp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y t h e h i g h v a l u e a n d r e c y c l e u s eo fl o w s i l i c o n t a i l i n g s w i l l e v e n t u a l l yr e a l i z e d ， t h e r e f o r ed e c r e a s ef o rt h ed a m a g eo fe n v i r o n m e n t i nc o n c l u s i o n ，t h es t u d yh a v e v e r yi m p o r t a n tm e a n i n gf r o m t h ee n v i r o n m e n t a la n g l e ，e c o n o m i ca n g l ea n da n g l e o fr e s o u r c ec o n s e l - v a t i o n k e y w o r d ：i r o nt a i l i n g s ，a e r o e r e t e ，s t e a mp r e s sm a i n t e n a n c e ， m i c r o s c o p i cs t r u c t u r e ，m e c h a n i s m 武汉理工大学硕士学位论文 一刖吾 矿产资源的开发是国民经济发展的前提和保证，也是人类生存和社会发 展活动中一个非常重要的组成部分。目前世界上9 0 的工业产品和1 7 的 消费品依赖于矿物原料。我国9 5 的能源和8 5 的原材料依赖于矿产资源。 随着经济的发展，对矿产品的需求增长，矿业开发规模随之加大，而产出的选 矿尾矿数量也不断增加。据不完全统计，我国现有8 0 0 0 多个国营矿山和1 1 万多个乡镇集体矿山，堆存的尾矿量近5 0 亿吨，年排出的尾矿量高达5 亿 吨以上，其中黑色冶金矿山年排放量达1 5 亿吨。随着矿产资源的大量开 发和利用，矿石日渐贫化，资源日渐枯竭，尾矿作为二次资源己受到世界 各国的重视。同时排放大量尾矿给环境造成的严重污染和危害以及占用土 地等问题，也受到全社会广泛的关注。实践证明，综合利用尾矿资源是解 决环境和资源问题的重要途径，并具有重要的经济意义。国外已把矿山尾矿 的开发利用作为环境综合治理的重要内容，发达国家已把废料矿山作为研 究课题，开展尾矿的综合利用研究，有的国家还颁布相应法规鼓励矿山利用 尾矿和治理环境。我国1 9 9 4 年由国家计委、科委等主管部门制定的中国 2 1 世纪议程中，已将尾矿利用与矿业开发、环境保护、资源的有效合理利 用及永续供给等一系列2 1 世纪面临的重要发展项目有机地联系在一起，强 调了尾矿利用是一项根本性的政策，不仅强调了尾矿的有效保护、防止损失 破坏的问题，而且强调了尾矿利用的具体实旌计划，为尾矿利用开拓了广阔 前景。 第1 页 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 尾矿带来的诸多问题 1 i 1 尾矿已成为重要的污染源 选矿过程中产生的尾矿是污染矿区周边环境的主要原因。尾矿在受到 剥蚀时，以及进入到尾矿中的可迁移元素发生生物化学迁移，将会对大气 和水土造成严重污染，并会对近区的生态环境造成不良影响，导致土壤污 染、土地退化、植被破坏甚至直接威胁到人畜的生存。尾矿库表面产生的 粉尘可达到很远距离，特别是在干旱多风地带，往往会发生沙暴。尾矿引 起的粉尘云降低了大气的透明度，增加居住环境和生产条件的不舒适性。 尾矿中有关成分以及残留的选矿药剂对生态环境的影响也非常严重。 尤其是含重金属的尾矿，其中的硫化物产生酸性水进一步淋浸金属，其流 失将对整个生态环境造成危害。而残留在尾矿中的有毒、有害药剂对附近 地面水体和农田，造成严重的污染。目前我国因尾矿造成的直接污染土地 面积已达7 万h a ，间接污染土地面积6 7 万l l a 。 1 1 2 堆存尾矿占用了大量土地 尾矿库要占用大量的农田、林地土地，其中包括生产力高的耕地、良 田，这就导致尾矿库所在地区的土地资源失去平衡。以我国的冶金矿山为 例，目前占地面积己达6 5 万h a ，其中采场、排土场、尾矿库三大场地占 地为5 4 。据报道，全国固体矿产采选业排放的尾矿废石破坏的土地和堆 存占地面积达到1 8 7 2 4 7 万h a 。 1 1 3 营运费用高，并成为安全隐患 尾矿处理设施是结构复杂、投资巨大的综合水工构筑物，其基建投资 占整个选矿企业费用的5 4 0 。尾矿库的维护和维修更需要消耗大量的资 金。据统计，我国冶金矿山每吨尾矿用于尾矿库基建投资l 3 元，生产经 营管理费用3 5 元。全国现有4 0 0 多个尾矿库，每年的营运费用就达7 5 亿元。随着尾矿数量的不断增加，尾矿库坝体高度也随之增加，不安全隐 患日益增大，尾矿坝的安全已成为矿山安全生产的重要环节。建国以来， 第2 页 已发生大小事故数十次，其中7 次造成人身死亡，死亡人数近3 0 0 人a 1 1 4 导致了资源的严重浪费 由于受到技术水平、装备性能、经济条件等因素的限制，选矿工艺不 可能尽善尽美，并且在实际生产中还受到操作等因素的影响，从而不可避 免的造成一些有价元素损失到尾矿中。就冶金矿山而言，年排放尾矿量达 1 5 亿吨，平均含铁1 1 ，最高达2 7 ，相当于铁金属量1 6 0 0 万吨。据国 家计委统计资料，1 9 9 1 年矿山尾矿及赤泥占全国工业固体废物的3 0 9 ， 而利用率仅为3 2 。存在尾矿中的有价金属组分大多可再选回收，而大量 的非金属组分也有很高的利用价值。 1 2 我国铁矿尾矿资源状况及程潮铁矿现状 我国铁矿选厂尾矿具有数量大、粒度细、类型繁多、性质复杂的特点。 根据1 9 9 6 年黑色冶金矿山统计年报，全国铁矿选厂入选原矿量为2 1 5 亿吨， 排出的尾矿量达1 3 0 亿吨，占入选矿石量的6 0 4 6 ；全国重点选矿厂入选 原矿量为1 1 0 亿吨，排出的尾矿量达5 8 0 2 6 万吨，占入选矿石量的5 2 7 5 。 目前我国堆存的铁尾矿量高达十几亿吨，占全部尾矿总量的近1 3 。 我国铁矿的尾矿资源按照主要元素的含量可分为单金属类尾矿和多金 属尾矿两大类。 单金属类尾矿：根据其硅、铝、钙、镁的含量又可分为： 1 ) 高硅鞍山型铁尾矿：该类是数量最大的铁尾矿类型，尾矿中含硅高， 有的含s i o z 高达8 3 。属于这类的选厂有本钢南芬、鞍钢东鞍山、首 锅大石河等。 2 ) 高铝马钢型铁尾矿：该类尾矿年排出量不大，其主要特点是m z 0 3 含量较高，多数尾矿不含有伴生元素和组分，属于这类的有马钢姑山 铁矿、南山铁矿等。 3 ) 高钙镁邯郸型铁尾矿：这类尾矿主要集中在邯郸地区的铁矿山。主 要伴生元素为s 、c o ，o 0 7 4 m m 粒级含量占5 0 7 0 。 4 ) 低钙镁铝硅酒钢型铁尾矿：尾矿中主要非金属矿物是重晶石、碧玉， 第3 页 武汉理工大学硕士学位论文 伴生元素有c o 、n i 、c a 、c u 等。 多金属类铁尾矿主要分布在我国西南攀西地区、内蒙古包头地区和长 江中下游的武钢地区。根据1 9 8 9 年冶金部矿山公司对全国3 4 个重点铁矿 选厂的调查，属于这类尾矿的选厂有8 个，年尾矿排出量占总排出量的 1 8 9 7 。多金属尾矿的特点是矿物成分复杂，伴生元素多。 程潮铁矿是属于武钢的大型黑色金属地下开采矿山，为大冶式热液交 代矽卡岩型磁铁矿床，其探明拥有矿石储备2 0 0 2 3 亿吨，预计尾矿总产量 0 5 4 5 4 亿吨。为妥善解决尾矿堆存问题，程潮铁矿先后建成郎头山，杨家 岭两座尾矿库，占地0 7 6 平方公里，库存量已达8 8 0 余万吨，且每年的排 放量达4 0 余万吨。堆积的铁尾矿选矿厂采用全流程，全粒径抛尾工艺，中碎 后+ 3 m m 粒级采用于式抛尾，抛尾后的尾矿泵送至尾矿库，此为尾矿库尾矿； 中碎后3 m m 粒级采用湿式抛尾，抛尾后的尾矿经直线振动筛脱水，就地堆积， 此为筛上尾矿尾矿的堆存造成了大量矿产资源的浪费，对周边环境和居民 的危害也日益严重。因此铁尾矿的利用是解决环境和资源问题的重要途径， 并具有重要的经济意义。 1 - 3 铁尾矿的应用和研究现状 从8 0 年代开始，我国对矿产资源综合利用工作加强了宏观管理，并于 1 9 8 6 年首次在中华人民共和国资源保护法中将尾矿综合利用以法律形 式提出。在国家科委和国家计委等联合制定的中国2 l 世纪议程中，将 资源的合理利用与环境保护列为四个主要内容之一。这些措施有力的推动 了尾矿利用与治理工作的步伐。 1 3 1 铁尾矿再选与有价元素的综合回收 9 0 年代以来，我国一些矿山企业从提高经济效益考虑，开始对从尾矿中 回收有价元素给予关注，并陆续建成一些尾矿回收选矿厂，综合回收铁、 钛、硫、钴、金、银等有价组分并取得明显效益。如歪头山铁矿和南芬铁 矿采用磁力回收机处理铁矿厂尾矿，粗精矿经再磨再选，每年可从尾矿中 回收7 万多吨精铁矿，年创效益1 7 0 0 万元。济源钢铁厂采用选矿工艺对其尾 第4 页 武汉理工大学硕士学位论文 矿进行硫钴回收，当原矿硫品位为1 3 0 3 、钴品位o 0 3 9 时，经选别后， 可获得硫钴精矿产率2 5 ，硫品位3 6 1 1 、钴品位o 5 9 的一级钴精矿。 1 3 2 用尾矿回填和复垦 采矿区充填是直接利用尾矿的最有效途径之一。尾矿只要处理得当， 是一种很好的填充材料。具有就地取材、来源丰富和输送方便的特点。并 省去扩建、增建尾矿库的费用。将尾矿用于矿井充填料，费用仅为碎石的1 4 一l 1 0 。有些矿山由于地形原因，不可能设置尾矿库，将尾矿填于采空区就 更有意义。 国外矿山土地复垦率已达8 0 以上，我国矿山的土地复垦工作起步于 6 0 年代，在8 0 年代后期至9 0 年代进展较快。马鞍山矿山研究所于9 0 年代 初在姑山尾矿库和排土场开展了扬尘抑制及植被复垦的技术研究，现在开 发研制的“冶金矿山土地复垦专家系统”，可为不同地区不同气候条件不同 土壤及矿石特征的矿山提供有关最佳复垦方案等方面的专家咨询。南芬选 矿厂于1 9 8 2 年将粗破碎施工中挖出的表土2 万m 3 运至旧尾矿库，造地2 h a ， 现在整个旧尾矿库已复垦还地，变成了沃土良田，成为南芬地区主要蔬菜 生产基地之一。 1 3 3 铁尾矿做土壤改良剂及微量元素肥料 尾矿中含有z n 、m n 、c u 、f e 等微量元素，这正是维持植物生长和发 育的必需元素。因此用尾矿可以生产出磁化肥料改良土壤。马鞍山矿山研 究院率先进行了利用磁化铁尾矿作为土壤改良剂的研究工作。由特定的磁 化机在一定场强下对磁选厂铁尾矿进行磁化处理，生产出磁化尾矿，施入 土壤。实验表明，磁化尾矿施入土壤后，提高了土壤的磁性，引起了土壤 中磁团粒结构的变化，使土壤的结构性、孔隙度、透气性均得到改善，农 作物增产效果十分明显。 1 3 4 利用铁尾矿作建筑材料 就目前有关资料来看，尾矿在建筑工程和基础工程的应用，是最主要 的利用方式，也是提高其利用率的根本途径。 第5 页 武汉疆工大学硕士学位论文 1 3 4 1 直接作用千交通、土术工程中。 铁尾矿用做铺路材稀、黄沙替代品、水泥臂料簿材科。黄沙替代品、 水淀学料等怒最基本豹建筑携料，瓣他学成分没有严格要求，只要求糖辩 有一定的硬度和粒度。河北迁安铁矿用粗粒尾矿作为建筑用砂，每年供应 天津建筑市场上百万t ，并和丽废石加工铁路遒渣碎石；齐大山铁矿忍矿加 入其它既料簌，用非路嚣毒于料，经工业实验 委明，该路蘑材料达n - - 级 公路的强度要求。 1 3 4 2 用作水泥配料。 水泥原辩中一般配祷2 0 的秸主，可敬用尾矿代替。熏庆天府硫铁矿通 过再选，用捧蔫硅酸锓酸靛拳淀襄普递求溅配糕。马镧桃冲铁矿与南京他工 大学合作，用含铁尾矿配入水泥原料中，建成_ 2 0 万t 年的水泥厂。 用作永漉复合矿亿荆。农水泥艇料中荜掺或混合掺入这种隧矿，烧成 农渥熬辩眩霹降低烧戏滋度嚣降低辘耗，劳改誉承泥熟辩的某些性能。如澳 南铅锌矿尾矿中含氟化钙，加入后使水泥的烧成温度降低1 5 0 左右。 1 3 4 3 尾矿用作装饰建筑制品 关于用熊矿生产玻纯砖和微晶玻璃花岗岩作高级装饰材料不乏冀例。 玻纯砖以裹黩尾矿必原糖料，翅适攘嚣主，经搂雾予燥垂割成型 高温烧成。微晶玻璃则以石英为主，尾矿w 掺入1 5 2 5 ，加入碎 玻璃，经熔化求淬升温晶化后成为玻璃相和结晶楣的复合多相陶 瓷。孛强遮矮辩学夔尾矿剥鼹中心，剥耀棒出铁矿选矿厂戆缨粒铁震矿， 磁实验寰研制成了黑色、蓝色等4 种深色微晶玻璃花岗岩高级装饰材料。 l ，3 4 4 尾矿用作墙体材料 长期以来，我国墙体材料直以秸士烧结砖为嘉，而粘土烧结砖生产 占翔大簧农爨，戈了莓约辨缝，充分剥惩废渣，各铁矿出都把疆割壤体耪料终 为尾矿利用的主要方面，研究较多的是蒸养砖、烧结砖、免烧免燕砖、加气 混凝土等。这些产箍大多都可以大黛消耗尾矿，并其有较好的经济效益。 鞍钢大魏出迭矿厂，潋铁遐矿必主要琢料弗鸯翼入适量溪性秘料，经搜抟、半 第6 页 武汉理工大学硕士学位论文 干法压制成型、自然养护生产出免烧尾矿砖南京梅山铁矿利用尾矿和粘土 为主要原料，再辅以其他工业废渣，经配料、混合、成型、干燥及焙烧等 工序制成的烧结砖，尾矿掺量达5 0 ，抗压强度超过普通粘土砖指标。鞍钢矿 渣厂利用大孤山高硅铁尾矿配以水泥、石灰研制成加气混凝土。 尾矿种类繁多，矿物性质复杂，是限制其开发利用的重要原因。前苏 联科夫多尔和卡齐卡纳尔选矿公司对低品位尾矿选矿尾矿研究表明：尾矿中 含有大量硅酸镁类矿物，而且含有不同粒度的超基性成分。通过大量实验证 明，硅酸镁具有胶凝性质，而这些性质又与化学一矿物学成分、存在的杂质及 其形成条件有关，不同情况下它们的化学一矿物学成分均有较大的变化，其 中尤以添加剂和矿物杂质的影响最为显著。针对不同性质的铁尾矿，研究不 同的实验条件对制品强度的影响，成为尾矿利用的必经之路。乌克兰研究 表明，选别铁尾矿可按如下方式利用， o 1 4m i l l 粒级尾矿用做重混凝土的建 筑砂浆， 7 5 ，石英含量4 0 ) 。 2 ) 尾矿中铁的含量较高，主要以黄铁矿形式存在，其含量达l o 左右，具有 回收利用价值，同时也增加了制品的容重。 3 ) 尾矿中含有一定量的硬石膏，在研锖t ：j l 气混凝土制品时可以不必添加石 膏做调节材料。 第1 1 页 4 )高i 9 5 ) 表2 3 乌龙泉矿石英砂岩的半定量分析( ) 由于程潮铁矿尾矿的s i o z 远不能满足加气混凝土所需含量的要求，必 须补充硅质材料。 2 1 2 钙质材料 2 1 2 1 石灰 采用武汉硅酸盐制品厂生产的自烧石灰，磨细至4 9 0 0 孔筛余1 3 ， 有效钙含量为8 5 ，消化时间3 4 m i n ，消化温度9 1 ，属快速消化石灰。 石灰在加气混凝土中的作用主要有： 1 ) 提供有效氧化钙，与硅质材料反应生成各种水化产物，使制品获得强 度： 2 ) 提供料浆碱度，促进铝粉发气，自身消解时也发生体积膨胀； 3 ) 具有水化凝结性能，可促使料浆的稠化凝结； 4 ) 消化时产生大量热量，在坯体的静停阶段促使坯体硬化； 2 1 2 2 水泥 采用市售4 2 5 # 普硅水泥，水泥在加气混凝土中的作用主要有： 1 ) 与水混合后水泥首先水化析出大量c a ( 0 h ) 2 ，并生成较多的系列水 化产物为坯体提供初期强度，以满足成型及切割的强度要求； 2 ) 水泥的稠化较石灰慢，而硬化较石灰快，有利于发气和坯体的硬化； 3 ) 在蒸压条件下，水泥析出的与硅质材料经水热合成反应生成水化产 物，赋予制品最终强度。 第1 2 页 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 发气剂一铝粉 铝粉取自武汉硅酸盐制品厂，铝粉是目前生产中使用最广泛、最成熟 的发气剂，铝粉在碱性介质中的发气反应： 2 a l + 6 h 2 0 2 = a i ( o h ) 3 + 3 h 2 f 2 a 1 + 3 c “o h ) 2 + 6 i - h o = 3 c a 0 a l 2 0 3 1 - 1 2 0 + 3 i - hf 因为铝粉的活性很强，在空气中会生成致密的氧化物，阻挠反应继续进 行加气混凝土料浆中的水泥和石灰，呈较强的碱性，在水的作用下发生首先 会发生下列发应： a l 2 0 3 + 2 n a o h = 2 n a a l 0 2 + 1 4 _ 2 0 a l ( o h ) ，+ n a o h = n a a l 0 2 + 2 h 2 0 可以看出，发气剂的主要作用是在料浆中进行化学反应，放出气体形成 细小而均匀的气泡，使加气混凝土具有多孔状结构达到轻质的目的。提高 料浆碱度可以有效促使铝粉发气。 2 1 4 添加剂 均为市售的化学试剂和工业副产品，使用外加剂已逐渐成为改善加气 混凝土性能的重要手段和方向性措施。 添加剂的主要作用如下： 1 ) 根据料浆流变性能及发气速度，改善加气混凝土的孔隙结构 2 1 消除絮凝现象，避免胶结料分布均匀性降低 3 ) 保证足够的发气量并使气泡分布均匀，降低混凝土容重 通过调节水化物产物的种类和数量来提高制品的强度 5 ) 增强加气混凝土的耐久性 2 1 5 调节材料一石膏 石膏在加气混凝土中的作用主要有： 1 ) 参与水泥的水化反应，调节水泥的凝结时间； 2 ) 抑制石灰的消化速度，降低水泥的凝结时间； 第1 3 页 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 参与铝粉的发气反应； 4 ) 提高坯体和制品强度，减少收缩量。 2 2 实验设备仪器 2 2 1 实验设备 1 )球磨机 本研究主要用于非金属固体矿石粉磨到需要的颗粒细度。 型号：s m 中5 0 0 x5 0 0 毫米；规格：巾5 0 0 5 0 0 毫米 2 )j i i 型密封式化验试样粉磨机 该机适用于金属和非金属固体矿石、矿物、原材料化验试样粉磨加工。 型号：o j i i 型 3 ) 干燥箱 本研究主要用于加气混凝土制品在浇注静停阶段的中温养护和蒸压 后测量绝干容重加热烘干。 型号：1 0 1 2 型 4 ) 电子天平 本研究主要用于精确称量低硅尾矿粉磨后的残余产物和铝粉的重 量。 型号：e s - 2 1 0 0 a 型 5 ) 蒸压釜 本研究主要用于加气混凝土坯体，使之在高温高压蒸汽中发生水化 反应生成强度更高的制品。 型号：z _ 一3 0 0 型 6 ) x m b - 中2 4 0 x 3 0 0 棒磨机 7 ) 其他工具：天平，铲子，搅拌机，模具等。 2 2 2 测试手段 1 ) x 射线衍射分析( x r d ) x - r a y 衍射分析广泛地应用于矿物的定性、定量物相分析。本研究中 第1 4 页 武汉理工大学硕士学位论文 主鼗用于分析原料及水化产物的矿物成分。 所麓佼器为舀举理学公司生产鹣r t g a k ub 淑x 强度型x - r a y 衍象纹。 实验条件为：锕靶c u k a ，电压暾流3 5 k v 3 0 姒，接收狭缝r s 0 1 5 嗍，步宽2 e0 0 2 。s t e p ，扫描速度8 0 m m m i n 。 2 ) 扫描电镜分析( s e m ) 扫播电镜驻移赢鼹形象遗驻示锯质内部鑫毒徽观梅造，鬻象立体感谥、 分辨率赢。本研究中用予研究硬化体的显微结构特点和水化产物的形态及 分布情况。 所麓仪器强国本疆石公司艇产斡s x 一4 0 型招摇电镜。实验象件舞：蕊 速电压1 5 - 2 0 k v ，柬漉8 0 1 0 0 m a 。 4 ) 抗压强度的测定 采用w e 3 0 溅液压式万自材料试验机测定制品的破坏载荷，按g b j 8 1 8 5 酱通灞凝士力学髓能实验方法进行测定 2 2 3 实验工笙流穰 实验奎要工芑过耩如下： 1 ) 尾矿、孙掺硅质拳| 辩和水泥与水分别计繁居一起搅挣1 戚n ，然后 加入添加剂搅捧3 m in ，添加剂主娶与锊质材料作用； 2 ) 石灰随后加入，并搅j 举5 m i n ，荐虢入锅粉，搅拌5 0 s ； 3 ) 浇注入模，送入瞧涅予燥箍发气势搏养护2 3 h ； 4 ) 送入定制蒸压釜中蒸羼养护，并进行性能测试。 实验流程觅黼2 - 2 第1 s 页 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 实验流稷图 第1 6 页 圈 武汉理工大学硕士学位论文 三实验与讨论 低硅尾矿加气混凝土是以钙质材料和硅质材料为基本组分，以化学发 气的方法形成多孔结构，通过蒸压养护获得强度的轻质人工石材。通过上 述方法制成的墙体材料，其力学和耐久性能主要取决于反应生成物的种类、 数量及其比例，而其种类和数量又受尾矿的成分、粒度、物料配比、成型 条件、养护制度等工艺条件制约。因此，加气混凝土的研制是一项系统工 程，要综合考虑各种影响因素。从资料看，提高加气混凝土强度主要是取 决于如下因素： 1 ) 严格控制原材料质量，严格控制各项工艺参数，提高混合料的均匀 性，提高混合料的预反应能力； 2 ) 有良好的孔结构，气孔大小均匀； 3 ) 加气混凝土坯体在蒸压养护之前有较好的预养能力，提高坯体早期 强度； 4 ) 提高尾矿与石灰的反应率，使水化产物生成充分。 本研究参照陈吉春老师大量试验后的已有结论，严格控制各种反应参 数，将硅钙比，浇注温度，搅拌参数等诸多因素固定，重点研究原料级配、 外加剂和蒸养制度对提高加气混凝土强度的作用。 3 1 级配试验 一般说来，水化物的生成机理取决于原始物料的性能及它们和胶凝材 料之间进行反应时的条件。胶结料的相互作用，特别是多种矿物之间的相 互作用，和物料级配的优劣密切相关，主要表现在： 1 ) 经过磨细的物料，可以减缓沉降分离速度，为已经搅拌均匀、正 在发气料浆的稳定创造了必要的条件； 2 ) 适当细度的物料( 包括砂、尾矿、石灰等) 有利于料浆保持适当 的稠化速度，使发气过程能顺利完成。 3 ) 适当细度的物料对混凝土坯体的硬化速度和强度有较大影响。 第1 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 本实验固定条件，尾矿：石英砂：石灰：水泥= 6 0 0 ：1 0 0 ：1 5 0 ：1 5 0 ( 重量比) ，钙硅比为0 7 5 ，浇注温度4 5 5 0 c ，养护温度7 0 c ，蒸压采 取武汉硅酸盐制品厂现场使用的l h 一8 h l h 的蒸压养护制度。 3 1 1 尾矿细度试验 用c5 0 0 x5 0 0 球磨机磨出6 个细度，控制磨料时间为1 5 、2 0 、3 0 、 4 0 、5 0 、6 0 m i n ，采用水筛法，通过2 0 0 目标准筛获取筛上残余产物，分析 尾矿细度对加气混凝土强度的影响。粉磨时间和细度的关系见表3 - l 。 表3 - 1 尾矿粉磨时间和细度的关系 序号粉磨时间( m i n )料浆流动性浇注稳定性 由表3 1 和表3 2 说明，低硅尾矿的细度影响其反应活性的发挥，对料 浆的稳定性起至关重要的作用。尾矿越细，流动性就越好，参加反应的颗 粒表面积越大，其活性越高，负面影响是导致料浆过稠，造成发气高度不 够t 而尾矿颗粒粗，流动性差，沉降速度快，容易造成塌模和沉陷。本实 验结果证明，尾矿粉磨的过粗或过细对性能都起不良作用，尾矿干磨4 0 r a i n 后制成的加气混凝土制品的外观效果最佳。 第1 8 页 武汉理工大学硕士学位论文 的外观效果得出的结论相一致。考虑到时间、磨矿能耗、经济等因素，因 此，确定后续实验过程中尾矿均经4 0 m i n 粉磨。 3 1 2 石英和尾矿的级配实验 用c5 0 0 5 0 0 球磨机磨出5 个细度，控制磨料时间为2 5 、3 0 、3 5 、4 0 、 4 5 m i n ，采用水筛法，通过2 2 0 目筛网获取筛上残余矿物，分析石英砂细度 对制品强度的影响情况。粉磨时间和细度的关系见表3 - 4 表3 - 4 石英粉磨时间和细度的关系 0 2 0 1 5 熊 堠0 1 皿 。 呙0 0 5 0 0l o2 03 04 05 0 粉磨时间( m i n ) 图3 2 石英粉磨时间和细度的关系 实验结果表明，粉磨时间达到4 5 m i n 后，石英的筛余量近似为零。在 3 0 m i n 4 0 r a i n 之间粉磨的效率最高。石英砂在加气混凝土中的作用主要是 提供氧化硅，在蒸养条件下与氧化钙反应，生成水化硅酸钙。此外，尚未 反应完的砂子颗粒残核在加气混凝土气泡壁内起骨架和集料的作用。因此， 第2 0 页 武汉理工大学硕士学位论文 原料的细度对加气混凝土制品的整体性能有着直接的影响：细度越细t 比 表面积大，水化产物增多，但同时会增加料浆的粘度，阻碍铝粉的发气， 并使制品中缺少骨料，导致不能形成良好的骨架及气孔结构，造成制品整 体性能的下降。 本实验采用的低硅尾矿若不加外掺硅质材料，反应物很难达到合格制品 的要求，故根据合理级配的原理，将外掺高硅材料细磨，以提高反应所需 的s i o ：，而将低硅尾矿粗磨，以提供制品所需的骨架的骨料，找出两者之 间的最优化点，从而提高制品的整体强度。 表3 5 石英粉磨细度和制品比强度的关系 时间( m i n ) 2 53 03 54 04 5 出釜容重( g c m 3 ) 8 2 28 1 48 0 88 0 18 0 1 出釜强度( m p a ) 2 9 93 6 l3 9 34 0 73 9 6 出釜比强度 3 6 44 4 34 8 75 0 84 9 4 绝干容重( g , c m 3 ) 6 8 26 6 66 6 06 4 66 4 3 绝干强度( m p a ) 2 7 53 5 04 4 74 6 04 4 2 绝干比强度 4 0 35 2 66 7 77 1 26 9 4 从表中数据可以看出，随着石英砂粉磨时间的延长，制品强度上升明 显。在尾矿细度为2 0 0 目筛余1 4 前提下，石英砂粉磨至2 0 0 目筛余为o 6 时，加气混凝土制品的比强度最大。再继续磨细，制品强度降低；而且从 制品表面看，石英砂粉磨时间短时，胶凝材料过少，混合料的和易性差， 容易产生蜂窝现象；反之，如果石英砂粉磨时间过长，骨料的用量过少， 缺乏应有的骨架，使砌块收缩值增加，容易使砌块出现周边形裂缝不利于 使用。 第2 l 页 武汉理工大学硕士学位论文 0 粉磨时间( m i n ) 图4 - 3 石英粉磨细度和强度的关系 3 1 3 水料比实验 加气混凝土的浇注发气成型是区别其它品种混凝土的一个重要特征， 是一个特殊的工艺过程。在这个过程中，各种组分材料尾矿、石灰、水泥 按照一定的配合比混合搅拌后，再加入铝粉浇注在模具内。铝粉在碱性环 境条件下产生氢气，使料浆内部充满气泡。当料浆中气泡的气压、气泡压 力梯度和料浆极限剪应力三者保持在适当的水平，料浆发气舒畅，膨胀顺 利，使加气混凝土内部气孔结构均匀，浇注稳定性就好。其本质是使加气 混凝土料浆的稠化与铝粉发气的速度相适应。 因此，水料比是加气混凝土制品的浇注稳定性的重要参数。无论哪种 加气混凝土，水料比都会对料浆的稠度和稠化速度产生重要的影响。水料 比小，料浆稠化过程中粘度的增长速度快，达到稠化的时间短，反之，稠 化的时间长。如果铝粉的发气滞后于料浆的稠化，会出现发气不畅，气泡 不匀，即所谓的“憋气”现象；如果铝粉发气过快，则会出现气孔的变形、 兼并和破裂，即所谓的“塌模”现象。这两种现象都是在生产中必须避免 第2 2 页 8 7 6 5 4 3 2 l o 勺d m 一世想 产生的。因此，在确定生产配方时，确定了合理的粒度级配后，选择最佳 水料比是很重要的。 以同一个配比，五个不同的水料比浇注制品，可得到水料比对制品性 能影响如表3 6 ； 表3 - 6 水料比和制品强度的关系 4 7 4 6 4 5 爨 4 1 4 3 9 3 8 0 5 6o 5 7o 5 80 5 90 60 6 l0 6 2 水料比 图3 4 水料比和制品强度的关系 由表3 - 6 和图3 - 4 可知，水料比过大或过小都会导致制品强度的降低。 使料浆达到水料比为0 5 7 时的出釜强度最高，但容重偏大，水料比为o 5 9 o 6 0 时，出釜强度下降很快，这是由于料浆粘度变小，保气性差，气体容 易浮升逃逸。实验确定的水料比是o 5 8 ，在这一水料比条件下，制品的比 强度最大，综合性能达到最佳。原则上在一定的悬浮稳定性和提供给铝粉 第2 3 页 武汉理工大学硕士学位论文 合适的发气条件下，水料比尽可能低一些，以确保最终强度。 3 2 外加剂试验 3 2 1 外加剂基本概况 混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中掺入，用以改善混凝土性能的物 质，其掺量一般不大于水泥质量的5 。根据不同工程施工和技术条件的需 要，研究出了能够改变混凝土各种性能的不同外加剂。当今，外加剂己成 为混凝土中除水泥、砂、石灰和水之外不可缺少的第五组分。 混凝土外加剂按其主要功能分为四大类： ( 1 ) 改善混凝土拌合物流变性能的外加剂：如减水剂、引气剂等。 ( 2 ) 调节混凝土凝结时间及硬化性能的外加剂：如缓凝剂、速凝剂、早强剂 等。 ( 3 ) 改善混凝土耐久性的外加剂：如防水剂、阻锈剂等。 ( 4 ) 改善混凝土其他性能的外加剂：如加气剂、膨胀剂等。 下面着重介绍几种最常用的混凝土外加剂。 混凝土减水剂减水剂亦称分散剂，混凝土掺入减水剂后，可在不影响 混凝土和易性的条件下，使新拌混凝土的用水量减少。从国内外的实践情况 来看，减水剂的使用量一般在千分之几到百分之几。减水剂的使用可以提高 混凝土强度、减少回弹，并明显改善其不透水性和抗冻性。常用的减水剂按 其化学成分可分为：木质素磺酸盐及其衍生物；多环芳基聚合磺酸盐及其衍 生物；羟基羧酸盐及其衍生物；多羟基碳水化合物及其衍生物；水溶性密胺甲 醛树脂磺酸盐及其衍生物等。此外，还有一些表面活性剂可作为减水剂使用。 混凝土引气剂引气剂能使混凝土在搅拌过程中引入大量微小气泡， 从而改善其和易性与耐久性。气泡还对水转化成冰所产生的体积膨胀起缓 冲作用。因而可显著地提高其抗冻融性和不透水性，同时还增加抵抗化学侵 蚀的能力。目前常用的引气剂是松香皂类的松香热聚物、松香酸钠以及合 成洗涤剂类的烷基苯磺酸钠、烷基磺酸钠或洗衣粉。 混凝土早强剂早强剂能使混凝土早期强度显著提高，并且凝结不会太 第2 4 页 武汉理工大学硕士学位论文 快。早强剂的种类繁多，一般分为三大类：无机盐类早强剂：如氯化钙早强 剂