大摻量石墨尾礦綠色泡沫混凝土的研究

高 東 趙海濤 仲偉程

（黑龍江省建筑材料工業規劃設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150080）

黑龍江省石墨資源豐富，石墨儲量占全國64%、占世界45%。全國晶質石墨年產量50萬t左右，選礦尾礦年排放量600萬t以上。全國晶質石墨選礦廠均建設有尾礦壩，將尾礦存放于尾礦壩內，連年累積存量巨大，占用大量土地資源，石墨尾礦的綜合利用勢在必行。近年來，國內石墨尾礦多用于生產免燒磚、制備承重燒結磚、燒結多孔磚、環保陶瓷生態磚、高速公路基層等方面。目前，我省只有石墨尾礦用于陶瓷、燒結磚和高速公路基層料方面的研究，石墨尾礦泡沫混凝土的研究內容相對較少。

本文利用石墨生產企業生產過程排放的大量石墨尾礦，以通用水泥為主要膠凝材料，分別加入泡沫劑、減水劑等功能性外加劑，通過對生產工藝和養護工藝的選擇，制成滿足綠色建筑砌體要求的泡沫混凝土，大量利廢，綜合利用。泡沫混凝土是通過發泡機的發泡系統將發泡劑用機械方式充分發泡，并將泡沫與水泥漿體等均勻混合，然后進行現澆施工或模具成型，經自然養護后形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質保溫材料。圖1為石墨尾礦壩。

圖1 石墨尾礦壩

1 原料及試驗

1.1 原材料

1.1.1 石墨尾礦

石墨尾礦的礦物組成一般包括石英、長石、云母、透閃石、透輝石、方解石、硫鐵礦、石墨、高嶺石、鈦鐵礦等。尾礦的粒度組成各石墨礦之間雖有所差異，但一般粒度分布比較集中，主要集中范圍在0～0.6mm。

試驗選用鶴崗市蘿北縣石墨產業園區的石墨尾礦，篩分結果見表1，化學分析結果見表2。尾礦的化學組成以SiO2為主，其中Al2O3、Fe2O3、CaO的含量也較高，細度模數為1.3，堆積密度為1 590kg/m3，含泥量為7.8%，含水率為6.9%。

表1 石墨尾礦篩分結果

表2 石墨尾礦試驗分析結果

1.1.2 水泥

水泥選用普通硅酸鹽水泥P·O42.5，試驗結果見表3。

表3 水泥試驗分析結果

1.1.3 發泡設備和泡沫劑

發泡機選用便攜式水泥發泡機，攪拌機選用快速泡沫混凝土攪拌機。

分別對D1動物蛋白水泥發泡劑、Z1植物蛋白水泥發泡劑和Z2植物蛋白水泥發泡劑進行試配試驗，其中，D1水泥發泡劑稀釋比例1∶20，Z1水泥發泡劑稀釋比例1∶40，Z2水泥發泡劑稀釋比例1∶33，D1、Z1兩種發泡劑為深褐色液體，pH值為7.0，Z2發泡劑為無色透明液體，pH值為7.0。經試驗試配D1動物蛋白水泥發泡劑的穩泡性更好，與石墨尾礦的適應性較好，本課題選用D1動物蛋白水泥發泡劑為課題用發泡劑。

1.1.4 外加劑

通過以往的試驗經驗選擇了3種減水效果較好的減水劑，對3種減水劑的減水率、與水泥和石墨尾礦的適應性進行試驗，本課題選用聚羧酸高效減水劑，其建議摻量為0.2%～0.3%，減水效果在30%～40%。

1.2 試驗內容

1.2.1 配合比設計

本試驗目的是大量利用石墨尾礦，石墨尾礦固體廢物的用量應≥60%，且石墨尾礦泡沫混凝土最終滿足《泡沫混凝土砌塊》（JC/T 1062-2007）要求：強度等級達到≥A3.5、密度≤B08、導熱系數≤0.21W/m·K、抗凍性達到嚴寒地區的F50要求。

通過對試驗結果的分析，不斷調整配合比設計及試塊的養護方式，當試驗拌和物中不摻加石墨尾礦時，隨著泡沫的摻入量增加，試塊的干表面密度、強度隨之降低。當石墨尾礦摻入量為70%時，水灰比在0.5～0.6，由于石墨尾礦的大量摻加，拌合物的流動性差，拌合物中漿體較少，對石墨尾礦和泡沫的包裹差，脫模時強度低，試塊破損嚴重，需要加入外加劑調節拌合物性能。通過試驗結果分析，石墨尾礦摻入量超過60%時，拌和物和試塊的性能不能達到課題的預期指標，后期試驗按石墨尾礦摻入量為60%進行項目研究。石墨尾礦泡沫混凝土配合比見表4。

表4 石墨尾礦泡沫混凝土配合比

經試驗驗證，將石墨尾礦、水泥、減水劑和水按設計配合比攪拌均勻后，再將經發泡機制成的泡沫加入到漿體中，先慢速攪拌10s，再快速攪拌30～50s，以所加入的泡沫完全均勻地攪拌入漿體為準，通過控制拌和物的密度，調整泡沫的加入量，確保試塊的密度小于830kg/m3，將攪拌均勻的泡沫混凝土澆筑到100mm的立方體模具中，在室溫下養護3d后脫模，將試塊放置在溫度20℃±2℃、相對濕度大于95%的環境養護至齡期進行下一步試驗。試驗流程如圖2所示。

圖2 試驗流程圖

1.2.2 配合比的確定

按初步配合比設計試驗，選擇滿足強度等級和密度等級的配合比作為基準配合比，在基準配合比的基礎上進行下一步試驗，驗證其他指標，各配合比試塊的密度和28d抗壓強度見表5。

表5 石墨尾礦泡沫混凝土試驗結果

通過對各配合比數據分析，選定A11為基礎配合比進行其他指標驗證，試驗結果見表6。

表6 配合比驗證試驗結果

泡沫混凝土抗凍性的好壞，直接影響其在黑龍江省等寒冷地區、嚴寒地區的應用。泡沫混凝土的開口孔隙率越大，吸水率越大，則其抗凍性越差，泡沫混凝土的閉口孔隙率越大，吸水率越小，則其抗凍性越好。泡沫混凝土中摻入大量的泡沫，泡沫的形態、穩定性直接影響泡沫混凝土的閉口孔隙率，從而影響泡沫混凝土的抗凍性等性能。

不同材料的導熱系數不同，泡沫混凝土的干密度、孔隙率等都影響其導熱系數的大小，隨著泡沫混凝土的孔隙率增大，其導熱系數呈下降趨勢。

1.2.3 試驗方法

石墨尾礦泡沫混凝土最終應滿足《泡沫混凝土砌塊》（JC/T 1062-2007）要求，其規范性引用文件中對GB/T 11971-1997、GB/T 11970-1997、GB/T 11973-1997為強制引用，故試驗方法按下列進行：①抗壓強度按《加氣混凝土力學性能試驗方法》（GB/T 11971-1997）進行試驗。②密度按《加氣混凝土體積密度 含水率和吸水率試驗方法》（GB/T 11970-1997）進行試驗。③導熱系數按《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定 防護熱板法》（GB/T 10294-2008）進行試驗。④抗凍性按《加氣混凝土抗凍性試驗方法》（GB/T 11973-1997）進行試驗。

2 性能分析

2.1 石墨尾礦摻加量對泡沫混凝土性能的影響

石墨尾礦的粒度較細，比重較大，摻加大量石墨尾礦的泡沫混凝土，石墨尾礦容易分層沉積在試塊底部，對泡沫混凝土的均勻性、密度影響較大。

石墨尾礦的含泥量高，其中含有部分石墨成分，混凝土拌合物表面上浮石墨，引起泡沫混凝土的強度降低，出現試塊表面剝離、收縮等現象。圖3為泡沫混凝土表面上浮石墨、圖4為水洗石墨尾礦表面石墨。

圖3 泡沫混凝土表面上浮石墨

圖4 水洗石墨尾礦表面石墨

2.2 泡沫對泡沫混凝土性能的影響

隨著泡沫摻量的增加，泡沫混凝土的孔隙率不斷增大，平均孔隙直徑也增大，泡沫混凝土的干密度不斷減小，泡沫的增加直接影響泡沫混凝土的內部結構和力學性能。泡沫過量加入，會導致破泡現象增加，嚴重時出現塌模、試塊脫模破損等現象。圖5為YS-500泡沫。

圖5 YS-500泡沫

因石墨尾礦的比重較大，在泡沫混凝土中容易下沉，影響泡沫混凝土的均勻性，破壞混凝土的內部結構，應選擇黏聚性好、韌性好、穩定性好、泡沫直徑較小的發泡劑，這樣的泡沫混凝土才能澆筑性穩定、連通孔較少、保溫性能好、吸水率小、抗凍性好。圖6為A8配合比泡沫混凝土試塊表面孔隙圖樣、圖7為 A8配合比泡沫混凝土試塊內部孔隙圖樣。

圖6 A8配合比泡沫混凝土試塊表面孔隙

圖7 A8配合比泡沫混凝土試塊內部孔隙

2.3 水灰比對泡沫混凝土性能的影響

水灰比大，料漿太稀且黏度太低，對泡沫沒有穩定作用，容易塌模，強度低。水灰比小，料漿太干，料漿流動度低，料漿中很難摻入較多的泡沫，試塊難于成型。因料漿中摻入泡沫，成型時應避免震動，故水灰比小混凝土的密度較大，強度也達不到設計要求。

聚羧酸高效減水劑有效地解決了泡沫混凝土的水灰比和流動度的問題，合理的外加劑摻量能有效減小水灰比，提高泡沫混凝土的強度。

3 結語

（1）試驗結果表明，當泡沫混凝土中石墨尾礦固體廢物用量為60%時，泡沫混凝土性能滿足強度等級≥A3.5、密度≤B08、導熱系數≤0.21W/m·K、抗凍性達到嚴寒地區的F50指標要求。（2）泡沫混凝土的抗壓強度受干密度影響較大，在相同水灰比下，當泡沫的摻加量增大時，試塊的干表面密度降低，泡沫混凝土的抗壓強度隨之降低。（3）泡沫混凝土的水灰比增大時，泡沫的最大摻入量增加，更容易得到干表面密度低的試塊，但泡沫混凝土的強度降低明顯，選擇合適的減水劑，控制泡沫混凝土的水灰比≤0.5時，強度等級更容易達到A3.5以上。（4）泡沫混凝土中摻入大量石墨尾礦時，選擇黏聚性好、韌性好、穩定性好、泡沫直徑較小的發泡劑，泡沫混凝土的穩定性更好。（5）泡沫混凝土中摻入大量石墨尾礦時，因早期強度低，需要2～3d的常溫養護，才能保證砌塊的完整性。