黃鐵礦尾礦泡沫混凝土力學性能和水化特征

趙婉辰 ，盧軍燕 ，孫明明

（1. 山西水利職業(yè)技術學院，山西 運城 044004；2. 鄭州工商學院 工學院，河南 鄭州450014；3. 大連理工大學工程抗震研究所，遼寧 大連 116024）

隨著地下礦產資源的不斷開采利用，尾礦如何處理的問題也愈發(fā)突出，尾礦大多含有重金屬和硫化物，長期的堆放會使尾礦中的重金屬離子和硫離子隨著雨水滲入進土地和地下水中。這不僅會使大片土地無法正常使用，也會對周圍的生態(tài)環(huán)境造成污染，會危及到人們的生命安全[1-2]。泡沫混凝土作為一種新型建材具有質地輕、耐火和隔音等優(yōu)勢，但是其力學性能比普通硅酸鹽混凝土要差[3]。將尾礦摻入泡沫混凝土中不僅可以解決尾礦的問題，也可以適當增強泡沫混凝土的力學特性。

本文研究了用黃鐵礦尾礦和礦渣制備泡沫混凝土時發(fā)泡劑的種類、稀釋倍數(shù)、水膠比、黃鐵礦尾礦比表面積、纖維種類及摻入量對發(fā)泡混凝土力學性能的影響，并用紅外光譜、熱重分析和水化熱檢測分析研究了泡沫混凝土的力學特性和水化特性。

1 實 驗

1.1 實驗原料

黃鐵礦尾礦：選用遼寧省阜新市某礦場，礦渣選自鞍山市某鋼鐵公司，烘干粉磨后，原料化學成分見表1。脫硫石膏：選自遼寧省阜新市某電廠，經過烘干后進行粉磨。發(fā)泡劑：分別選用植物型、動物型和復合型發(fā)泡劑，其pH 值在7～9 之間，每立方米泡沫混凝土建議使用量為0.6～0.8 kg 之間。纖維：分別采用聚丙烯纖維和復合纖維。

表1 化學組成/%Table 1 Chemical composition

1.2 實驗器材

實驗器材有FBT-9 型比表面積測定儀、YH-40B 恒溫養(yǎng)護箱、水泥膠砂攪拌機、水泥膠砂振動臺和YED-200 電子壓力實驗機。

1.3 實驗方法

將不同配合比的黃鐵礦尾礦制備的泡沫混凝土經過3、7、和28 d 的養(yǎng)護后試件通過力學性能檢測、IR 檢測、TG-DSC 檢測和水化熱檢測，以確定較佳配合比以及不同配合比的黃鐵礦尾礦渣對泡沫混凝土水化機理和破壞機理的影響。

實驗中選擇了三種不同種類的發(fā)泡劑：動物型、植物物型和復合型，并逐個稀釋至20、30、40、50 倍[4-5]。

實驗結果表明，復合型發(fā)泡劑的稀釋倍數(shù)為40 倍時，其泌水率和沉降距為較優(yōu)狀態(tài)，因此由黃鐵礦尾礦渣制備的泡沫混凝土可選用復合型發(fā)泡劑（發(fā)泡劑∶水=1∶40）。

2 結果與分析

2.1 不同參數(shù)對泡沫混凝土試件力學性能的影響

2.1.1 黃鐵礦尾礦摻量的影響

為探究尾礦對泡沫混凝土力學特性的影響規(guī)律，進行不同黃鐵礦尾礦摻量（10%、20%、30%、40%）配合比方案設計，配合方案見表2。

表2 混凝土配合比Table 2 Concrete mix ratio

四種不同黃鐵礦尾礦摻量的泡沫混凝土試件抗壓強度變化曲線見圖1。

由圖2 可知，當黃鐵礦尾礦和礦渣總量為870 g時，黃鐵礦尾礦的摻入量影響泡沫混凝土試件的力學性質，隨著黃鐵礦尾礦占比的增加試件的力學特性逐漸降低。這是因為黃鐵礦尾礦比礦渣的活性要低，水化作用也要弱，不能快速提供C-SH 凝膠和鈣礬石來保證泡沫混凝土的強度。由圖1可以看出，摻入量在100 g 到200 g 時，其力學性能比其他摻入量的試樣會大幅下降，這是因為黃鐵礦尾礦摻入量較少時，其較小顆粒可以填補顆粒之間的縫隙，這樣有助于增強其力學性能。當摻入黃鐵礦尾礦過多時，試件內部活性物質大幅度降低，僅依靠填充顆粒間的裂隙增加的強度不足以彌補活性物質降低帶來的力學性質的下降。在實際工程中，可將10%作為黃鐵礦尾礦渣的較佳摻入量，28 d 齡期時的泡沫混凝土抗壓強度為5.08 MPa。

圖1 黃鐵礦尾礦渣泡沫混凝土抗壓強度曲線Fig.1 Compressive strength of concrete of different mixtures

圖2 水膠比對抗壓強度的影響Fig.2 Effect of water-binder ratio on compressive strength

2.1.2 水膠比的影響

由于不同的水膠比會改變泡沫混凝土的密度，進而影響到其抗壓強度，本文在試件A1 試件配合比的基礎上摻入不同比例的水膠比（0.35、0.40、0.45 和0.50），泡沫混凝土的強度變化曲線見圖2。

由圖2 可知，水膠比的增加使泡沫混凝土的力學特性有所增強，并且在0.45 時到達峰值。這是因為當水膠比較低時，試件內部的水化反應不充分，且容易出現(xiàn)顆粒團聚和消泡的現(xiàn)象；當水膠比過高時，會降低泡沫混凝土的密實度，進而導致抗壓強度下降。

2.1.3 黃鐵礦尾礦的比表面積影響

為探究黃鐵礦尾礦的比表面積對其泡沫混凝土力學特性的影響，在試件A1 原試件配合比和水膠比0.45 的基礎上設置了四種不同的黃鐵礦尾礦比表面積（300、400、500、600 m2/kg），結果見圖3。

圖3 比表面積對試件抗壓強度的影響Fig.3 Effect of specific surface area on compressive strength

由圖3 可知，黃鐵礦尾礦的比表面積增大會使泡沫混凝土的強度提高，這是由于粉磨時會破壞礦渣的顆粒晶體[6]，進而會增加黃鐵礦尾礦的水化活性，并且比表面的增加會使顆粒更加圓潤，這會改變試件內部顆粒的接觸模式，可以避免一部分的應力集中；尾礦粒度的減小使尾礦內部顆粒所帶相同電荷的數(shù)量增加，因此導致每個顆粒之間的排斥力增加，降低了顆粒之間團聚的幾率，進而使其力學特性在一定程度上提升。由于比表面積在600 m2/kg 和500 m2/kg 時其力學性能相差不大，考慮到工時和能量消耗問題最終選擇黃鐵礦尾礦的比表面積為500 m2/kg。

2.1.4 纖維的影響

將黃鐵礦尾礦粉磨致500 m2/kg 后，在A1 原試件配比和水膠比0.45 的基礎上，摻入不同配合比的（0、1%、3%和5%）的6 mm 復合纖維和6 mm聚丙烯纖維制備黃鐵礦泡沫混凝試件，其抗壓強度測定結果見圖4。

圖4 纖維摻入量對試件抗壓強度的影響Fig.4 Effect of fiber incorporation on compressive strength

由圖4 可知，聚丙烯纖維對試件的力學特性提升更加顯著；混凝土的抗壓強度隨著纖維摻入量的增加顯著增大，但是摻入量超過3%時，泡沫混凝土的強度大幅度下降，出現(xiàn)這種變化是因為當纖維摻入量過多，混凝土內部出現(xiàn)纖維團聚物的幾率逐漸增大，致使混凝土內部顆粒出現(xiàn)更多不均勻分布，出現(xiàn)更多的應力集中現(xiàn)象，致使其力學特性降低[7]。

2.2 混凝土試件的TG-DSC 分析

黃鐵礦用TG-DSC 熱分析法測定了由黃鐵礦尾礦制備的泡沫混凝土的不同齡期和不同配合比水化產物的TG-DSC 曲線，其結果見圖5。

由圖5 中DSC 曲線可以得出，泡沫混凝土的齡期為3 d 時，不同摻和量的混凝土曲線上均出現(xiàn)三個峰值，這說明四種不同配合比的黃鐵礦尾礦泡沫混凝土內部均有水化產物鈣礬石和C-S-H 凝膠形成，且摻入量的增大，會使DSC 曲線中峰的面積不斷減小，說明了黃鐵礦尾礦摻入量的增加會使水化產物鈣礬石和C-S-H 的生成量降低；并且由曲線可知，每一個峰的位置大致相同，說明了黃鐵礦尾礦渣的摻入量和齡期的變化都不會使水化產物的種類發(fā)生改變。通過TG 曲線分析可以得到，摻有黃鐵礦尾礦的混凝土試樣重量減少主要是因為鈣礬石和C-S-H 凝膠的形成并受熱分解所導致的，隨著黃鐵礦尾礦摻入量的增加泡沫混凝土的重量損失呈現(xiàn)衰減趨勢，這也說明了黃鐵礦尾礦摻入量的增加會使抑制水化反應的發(fā)生。通過不同齡期泡沫混凝土的對比，養(yǎng)護時間的延長會加劇泡沫混凝土重量的損失，說明了養(yǎng)護時間的延長會使水化產物的生成量增大，即養(yǎng)護時間會改善混凝土的力學特性。

圖5 TG-DSC 圖譜Fig.5 TG-DSC curves of test specimens

2.3 混凝土試件的FTIR 分析

黃鐵礦尾礦不同摻入量和不同齡期黃鐵礦泡沫混凝土試件的FTIR 測試結果見圖6。

圖6 不同齡期混凝土FTIRFig.6 FTIR spectra of concrete of different ages

由圖6（a）可知，波數(shù)3438、1668、675 cm-1附近的吸收峰是OH-彎曲和伸縮振動引起的[8]，代表了水化產物的化學結合水；1103 cm-1附近的吸收峰和998 cm-1附近的吸收峰是由于Si-O 鍵彎曲伸縮；515 cm-1附近的吸收峰是Al-O 鍵伸縮振動引起，1441 cm-1附近的吸收峰是由于C-O 鍵收縮振動引起的，說明水化的過程中有CO32-的生成。隨著黃鐵礦尾礦摻入量的增加，每條曲線吸收峰的面積都會降低，這是由于黃鐵礦尾礦水化反應的活性較低，水化反應的速度相對較慢，因此水化產物生成量降低，致使其力學性能降低。圖6（b）為齡期28 d的FTIR 圖譜，相較于圖（a），A3 和A4 試件3439、1663 和653 cm-1附近的吸收峰明顯上升，也就是說養(yǎng)護時間到達28 d時，黃鐵礦尾礦渣摻量的增加，水化產物C-SH 凝膠生成的數(shù)量也同步增加。這是因為黃鐵礦尾礦析出大量的Mg2+，Mg2+離子還可以參與水化反應，生成鈣礬石復鹽，并且黃鐵礦尾礦參與水化反應會降低體系內部的pH 值，從而促進了C-SH 凝膠的生成，可進一步增強泡沫混凝土的強度。因此縮短了圖4 中A3 與A4 的抗壓強度差距。

2.4 混凝土試件的水化熱分析

水化熱分析可以將水化反應的速率和程度都通過水化熱的形式表達出來。本文對P.O 42.5 硅酸鹽混凝土和A1-A4 泡沫混凝土試件進行水化熱對比測試，測試結果見圖7。

圖7 28 d 不同混凝土水化熱曲線Fig.7 Curves of hydration heat of different concrete in 28 d

由圖7 可知，四個混凝土試件放熱率最高的區(qū)域都集中在24 h 內，且A1-A4 混凝土試件的放熱率要遠小于硅酸鹽混凝土的放熱率，這說明了黃鐵礦尾礦泡沫混凝土在24 h 之內產生的水化產物含量要遠遠低于硅酸鹽混凝土。因此當齡期為24 h 時，硅酸鹽水泥的力學性能也要遠好于摻入黃鐵礦尾礦渣的泡沫混凝土。當水化反應進行到50 h 后，摻入黃鐵礦尾礦的泡沫混凝土隨著摻入量的增加發(fā)熱率逐漸超過了普通硅酸鹽水泥，這是因為普通礦渣主要參與泡沫混凝土前期的水化反應，礦渣占比越大前期發(fā)生水化反應放出的能量越多；78 h 后A4 試件放熱速度較快，并且出現(xiàn)了新的峰，這說明黃鐵礦尾礦渣水化生成了鈣釩石的復鹽，混凝土內部pH 值增加同樣會促進水化反應的發(fā)生，提升泡沫混凝土養(yǎng)護后期的力學特性。

3 結 論

（1）復合型發(fā)泡劑1∶40 的稀釋倍數(shù)更加適合黃鐵礦尾礦泡沫混凝土的制備，0.45 的水膠比是制備黃鐵礦尾礦泡沫混凝土的較優(yōu)選擇，適當?shù)臋C械研磨可以增加黃鐵礦尾礦的反應活性，進而提高水化產物的生成，0.3%聚丙烯纖維的摻入可以最大程度的增強泡沫混凝土的力學特性。

（2）黃鐵礦尾礦的活性比礦渣活性低，在水化反應的過程中只能產生少量的水化產物，摻入量的增加會使泡沫混凝土的力學特性變壞。

（3）黃鐵礦尾礦的水化速度雖然慢但會生成鈣釩石的復鹽，對泡沫混凝土后期強度的增大有促進作用，在泡沫混凝土中適量加入黃鐵礦尾礦可以提升其養(yǎng)護后期的力學特性。