不同添加劑對矸石粉煤灰制備免燒發泡墻體材料抗壓強度的影響

李 亮，劉景景，王金祥

（1.攀枝花學院釩鈦學院，四川 攀枝花617000；2.山東山水水泥集團有限公司，山東濟南250308）

0 引言

煤矸石是煤礦生產過程及煤的洗選加工過程中排出的固廢棄物。煤矸石大量堆放形成無數座矸石山，不僅占用大量土地，而且還污染環境。目前煤礦矸石大部分靠矸石電廠發電消耗掉，煤矸石的灰分高，約為65-85%，粉煤灰排放量大，產出粉煤灰量多而且質量較低，難以利用，使得矸石電廠粉煤灰大量堆積，并造成環境污染。矸石粉煤灰被收集后露天堆放，不僅占用了大量的土地，而且污染空氣和堆積處的地下水源，對環境的危害很大。矸石粉煤灰治理普遍缺乏有效措施，露天堆置的粉煤灰場很可能導致嚴重的二次揚塵污染。近年來很多科研人員致力從矸石粉煤灰中提取有用成分的研究工作（如提取SiO2、Al2O3），但所取得的工作成效相當有限，主要原因為矸石粉煤灰中有用成分質量較少，提取工藝較難產生經濟效益；采用矸石粉煤灰用于生產農業肥料，該利用量有限，較難對矸石粉煤灰進行規模化的回收利用；將矸石粉煤灰用于過濾吸附材料，該利用量也有限。為解決矸石粉煤灰的堆存和污染問題，很有必要開展對矸石粉煤灰的利用研究。本試驗以低活性矸石粉煤灰為主要原料，礦化劑選擇硅酸鹽水泥和熟石灰，發泡劑選擇金屬鋁粉，強度促進劑選擇硅溶膠、硅鐵灰和硅微粉，采用澆注法成型-蒸養工藝制備免燒發泡墻體材料，研究了金屬鋁粉、硅酸鹽水泥、熟石灰、硅溶膠、硅鐵灰和硅微粉對免燒發泡墻體材料性能的影響，制備出發泡墻體材料性能達到建筑用輕質墻體材料的要求，可以用于高層建筑輕質墻體材料，對于解決矸石粉煤灰的環境染問題具有重要的意義［1］。

1 實驗方法

采用澆注-蒸養法制備免燒發泡墻體材料，研究添加不同礦化劑、強度促進劑和發泡劑對免燒發泡墻體材料性能的影響，技術路線圖見圖1所示。

圖1 技術路線

（1）設計配方為100g一個試塊，根據百分比添加矸石粉煤灰、石灰、硅酸鹽水泥、發泡劑和增強劑；

（2）先將發泡劑倒入燒杯里加一定量的水進行攪拌，攪拌至充分發泡；

（3）攪拌均勻之后再加入其他干料進行攪拌，使物料混合均勻；

（4）調制成適宜的注漿成型泥料進行裝模成型。模具尺寸為50 mm×50 mm×50 mm，邊裝模邊振動成型，使泥料均勻、嚴實填充整個模具；

（5）成型完畢，自然放置24h；

（6）將自然干燥后的樣品放置蒸壓釡內蒸壓養護，形成強度；

（7）出釡冷卻后送樣檢測理化指標。

2 結果與討論

2.1 硅酸鹽水泥添加質量對發泡墻體材料強度的影響

制備矸石粉煤灰發泡墻體材料所采用的水泥應選用硅酸鹽水泥，硅酸鹽水泥起到調節混凝土漿料的增稠時間，保證料漿澆注具有穩定性作用。硅酸鹽水泥的水化、凝固、硬化可以提高坯體的強度，可提供Ca（OH）2與粉煤灰中的硅鋁成分起反應，在高溫蒸養的過程中，發泡墻體材料具有一定的強度和良好的耐久性［2、3］。石灰的添加質量選擇6%，鋁粉的添加質量選擇0.6%，研究硅酸鹽水泥添加質量對矸石粉煤灰發泡墻體材料強度的影響。試驗結果見圖2。從圖2可以看出，隨著硅酸鹽水泥添加質量的增加，經過高溫蒸養，矸石粉煤灰發泡墻體材料的強度增加。添加硅酸鹽水泥在蒸養過程中可以形成水合硅酸鹽復合物相，這些水合硅酸鹽復合物相形成水泥石的網狀結構，可以提高矸石粉煤灰發泡墻體材料強度。硅酸鹽水泥添加質量6%，強度達到1.5 MPa。

2.2 硅微粉添加質量對發泡墻體材料強度的影響

硅微粉能夠填滿矸石粉煤灰發泡墻體材料顆粒間的空隙，與硅酸鹽水泥水化產物生成凝膠體，同時與堿性材料反應生成凝膠體，這樣膠凝體形成網狀結構，可以顯著提高矸石粉煤灰發泡墻體材料坯體的抗壓強度，可以有效降低硅酸鹽水泥的添加質量，降低矸石粉煤灰發泡墻體材料的生產成本［4］。生石灰的添加質量選擇6%，鋁粉的添加質量選擇0.6%，研究硅微粉添加質量對矸石粉煤灰發泡墻體材料強度的影響。試驗結果見圖3。從圖3可以看出隨著硅微粉的添加質量增加，硅微粉都可以提高矸石粉煤灰發泡墻體材料的強度，當硅酸鹽水泥的添加質量為2%，硅微粉的添加質量為20%，矸石粉煤灰發泡墻體材料的強度可達到3.5 MPa。

圖2 硅酸鹽水泥添加質量對抗壓強度的影響

圖3 硅微粉添加質量對抗壓強度的影響

2.3 硅溶膠添加質量對發泡墻體材料強度的影響

硅溶膠為納米級的二氧化硅顆粒在水中或溶劑中的分散液。由于硅溶膠中的SiO2含有大質量的水及羥基，硅溶膠可以表述為mSiO2.nH2O［5］。這種液態的硅溶膠具有較高的反應活性，在高溫蒸養作用下，能與堿性氧化物（如CaO）形成硅酸鹽礦物，這種硅酸鹽礦物具有較好的粘結強度，可以將矸石粉煤灰發泡墻體材料膠結成一個整體，提高強度。生石灰的添加質量選擇6%，硅酸鹽水泥添加質量選擇2%，鋁粉的添加質量選擇0.6%，研究硅溶膠添加質量對矸石粉煤灰發泡墻體材料強度的影響。試驗結果見圖4。從圖4看出，隨著硅溶膠的添加質量增加，矸石粉煤灰發泡墻體材料強度明顯增強，當硅溶膠的添加質量為10%，矸石粉煤灰發泡墻體材料強度達到7.05 MPa，這是由于硅溶膠粒子微細，有相當大的比表面積，粘度較低，分散性好，滲透性好，能與矸石粉煤灰充分混合均勻，當硅溶膠水份蒸發時，膠體粒子牢固地附著在矸石粉煤灰表面，粒子間形成硅氧結合，提高了粘合性能，減少矸石粉煤灰發泡墻體材料的過度膨脹，使矸石粉煤灰發泡墻體材料的強度大幅度提高。

2.4 生石灰添加質量對發泡墻體材料強度的影響

生石灰是制備矸石粉煤灰發泡墻體材料的主要鈣質材料，其主要作用是向矸石粉煤灰發泡墻體材料提供有效的氧化鈣，使之在水熱合成條件下與矸石粉煤灰中的二氧化硅、氧化鋁作用，生成水化硅酸鹽礦物與水化鋁硅酸礦物，從而讓樣品具有一定的強度。同時，生石灰的摻入增加矸石粉煤灰發泡墻體材料的堿度，給鋁粉創造了發泡條件，讓鋁粉進行充分發氣反應。對提高矸石粉煤灰發泡墻體材料的氣孔率有利。1 Kg熟石灰可釋放1080 KJ熱量。生石灰的這種迅速大量放熱能力，可以使坯體升溫80-90攝氏度，促進坯體中凝膠材料的進一步凝結硬化，從而促使矸石粉煤灰發泡墻體材料較快的硬化。硅微粉的添加質量選擇15%，硅溶膠的添加質量選擇10%，硅酸鹽水泥添加質量選擇2%，鋁粉的添加質量選擇0.6%，研究生石灰添加質量對矸石粉煤灰發泡墻體材料強度的影響。試驗結果見圖5。從圖5可以看出，隨著熟石灰添加質量增加，矸石粉煤灰發泡墻體材料的強度不斷提高，達到最高強度11 MPa，生石灰與硅質材料中的活性SiO2發生化學反應，在水合作用下形成具有一定強度的mCaO·SiO2·nH2O（水化硅酸鈣）。mCaO·SiO2·nH2O形如“膠水”，將未參與反應的其他骨料進行包裹而“粘結在一起”，增加矸石粉煤灰發泡墻體材料的強度［6、7］。當生石灰添加質量超過16%，生石灰與硅質材料中的活性SiO2反應完成，多余的生石灰分布在新形成的礦物之間，影響新形成的礦物成為一個整體，降低矸石粉煤灰發泡墻體材料的強度。

圖5 生石灰添加質量對抗壓強度的影響

圖6 Al粉添加質量對吸水率、抗壓強度的影響

2.5 發泡劑添加質量對發泡墻體材料性能的影響

本次試驗選用發泡劑為鋁粉，在攪拌機中，加入粉煤灰、硅酸鹽水泥、生石灰、鋁粉、水以及其他外加劑后，硅酸鹽水泥與生石灰發生水化反應。硅酸鹽水泥水化析出Ca（OH）2，生石灰與水反應生成Ca（OH）2，生成的 Ca（OH）2與鋁粉發生反應為：2Al+3Ca（OH）2+6H2O＝3CaO·Al2O3·6H2O+3H2。鋁粉與Ca（OH）2飽和溶液發生反應產生氫氣，該氫氣極少溶于水，隨著溫度升高氫氣體積增大，促使矸石粉煤灰料漿產生膨脹而發泡［8］。硅微粉的添加質量選擇15%，硅溶膠的添加質量選擇10%，硅酸鹽水泥添加質量選擇2%，生石灰的添加質量選擇6%，研究Al粉添加質量對矸石粉煤灰發泡墻體材料性能的影響。試驗結果見圖6。從圖6可以看出，隨著金屬鋁粉添加質量的增加，矸石粉煤灰發泡墻體材料的吸水率增大。當金屬鋁粉添加質量為0%時，吸水率最小為13%。當金屬鋁粉添加質量為0.6%時，吸水率最大為31%。由圖6可知，隨著金屬鋁粉添加質量的增加，矸石粉煤灰發泡墻體材料抗壓強度呈下降的趨勢。金屬鋁粉添加質量摻量為0 g的抗壓強度最大10.5 MPa，金屬鋁粉添加質量為0.6 g時，抗壓強度為7 MPa。

3 結論

（1）添加硅酸鹽水泥在蒸養過程中可以形成水合硅酸鹽復合物相，這些水合硅酸鹽復合物相形成水泥石的網狀結構，可以提高矸石粉煤灰發泡墻體材料強度，提高強度不明顯。硅酸鹽水泥添加質量6%，強度達到1.5 MPa。

（2）在復合配料條件下，添加硅溶膠可以較明顯提高矸石粉煤灰發泡墻體材料強度，當硅溶膠的添加質量為10%，矸石粉煤灰發泡墻體材料強度達到7 MPa，硅溶膠粒子有相當大的比表面積，粘度較低，分散性好，能與矸石粉煤灰充分混合均勻，當硅溶膠水份蒸發時，膠體粒子牢固地附著在矸石粉煤灰表面，粒子間形成硅氧結合，提高了粘合性能。

（3）添加金屬鋁粉可以提高矸石粉煤灰發泡墻體材料吸水率，降低矸石粉煤灰發泡墻體材料的強度。當金屬鋁粉添加質量為0.6%時，吸水率最大為31%，強度降低到7 MPa。