利用石墨尾矿制备泡沫混凝土

　　【摘要】对采用石墨尾矿为填充材料制备的泡沫混凝土的各项性能进行了研究，得到以下结论：单位体积内胶凝材料的量是影响泡沫混凝土强度主要因素；泡沫混凝土的其他性能与泡沫混凝土容重有关，强度越高、吸水率越低，导热系数越大。低容重泡沫混凝土中的裂纹是导致强度降低的主要因素，添加纤维可以有效地减少裂纹，增大抗裂性能。

　　【关键词】容重、强度、导热系数

　　0   前  言

　　随着我国墙体材料的改革与建筑节能政策的推行，节能型建筑材料的开发和应用受到广泛的重视[1-4]，国内正在大力发展节能、利废、保温、轻质等新型材料[5-7]。泡沫混凝土是一种多孔材料新型保温隔热材料。美国的Allied foam Fech公司和马来西亚的LCM Technology公司已经研发了一系列的轻质泡沫混凝土产品，大量应用在屋顶、墙体、地板、房屋隔板、轻质混凝土砌块和隔音煤灰砌块等方面，产品强度和导热系数可根据产品容重来调控。

　　制备泡沫混凝土通常是以机械方法将泡沫剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入到硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂组成的浆料中。经混合搅拌、浇注成型、养护而成。与加气混凝土相比，泡沫混凝土可以生产成各种各样的预制品、能现场浇注、良好的耐火性、可自然养护硬化、生产工艺简单，投资规模小。石墨尾矿是石墨选矿厂生产石墨后排放的工业矿渣。由于其排放量大，颗粒细小、含水量大、主要含石英砂岩，可利用性差，在石墨选矿厂周围大量、长期堆积，不仅占用了大量的农田，同时污染环境。因此将石墨尾矿用着填充料，用于制备泡沫混凝土，具有变废为宝的意义。

　　1  试验研究

　　1.1  原材料及工艺流程

　　水泥：标号为42.5普通硅酸盐水泥，拉法基四川双马水泥制造有限公司生产。初凝时间为118min,终凝时间为212min；28d抗折9.5MPa，抗压44.6 MPa。水泥各项性能满足GB175-2007.

　　石墨尾矿：主要成分为SiO2与Al2O3 ；粒度范围在0～0.4㎜,以细粒度为主，攀西石墨有限公司生产石墨时产生的工业废弃物，以下简称尾矿。

　　发泡剂，化学发泡剂，发泡倍数1800倍，自制。

　　减水剂：高效聚羧酸减水剂，固相含量30%，中国西卡柯帅外加剂有限公司生产。

　　纤维: 聚丙烯纤维

　　由于石墨尾矿颗粒细小，因此易于分散，将水泥、尾矿、减水剂、水按一定配比，在小型卧式搅拌机中均匀搅拌成泥浆；在此同时将发泡剂与水混合，在自制的高压发泡机的高速搅拌下形成直径约100微米的均匀细小泡沫；然后将发好的泡沫和搅拌好的浆体混合再快速搅拌，完成泡沫混凝土泥浆的均匀混合；将混匀的泡沫泥浆，放人模具中进行成型、养护。

　　具体工艺流程如图1所示

图1尾矿制备泡沫混凝土工艺流程

　　1.2  性能测定

　　密度及抗压强度试验:试件尺寸100 mm ×100 mm ×100 mm ,养护环境湿度95 %、温度(20 ±1) ℃,成型后带模养护24 h ,到达预定养护龄期3 d 后取出试件置入105 -110 ℃烘箱连续烘干3 d 后测定其密度;参照BSI1881part4 和ASTMC495 ,测定试件的抗压强度。密度和强度均取3 块试件平均值。

　　导热系数试验:试件尺寸300 mm ×300 mm ×50 mm ，养护条件同抗压强度试验，到达预定养护龄期3 d前，将试件放入电热鼓风干燥箱内，在(105 ±5) ℃连续烘3 d，然后取出试件，放到干燥器中冷却至室温，在J TRGⅢ建筑材料热流计式导热仪上进行导热系数测定。

　　2  结果与讨论

　　2.1  石墨尾矿掺量与泡沫混凝土强度的关系

　　固定泡沫混凝土的容重为800Kg/m3，改变水泥石墨尾矿的掺量，图2 显示，泡沫混凝土的抗压强度随着石墨尾矿掺量的提高而降低，并且压强随着龄期的增加而增加。其中3d强度几乎成直线增长。并且可以看出3d、7d、28d的强度增长率都较高。

图2 石墨尾矿的掺量对泡沫混凝土强度的影响  图3 石墨尾矿的不同掺量与容重的关系

　　在相同的容重情况下，当尾矿掺量增大时，相应的胶凝材料的比例减小，由于尾矿在泡沫混凝土中只是作为骨架材料，基本上没有胶凝性能，因此尾矿的掺量越大，泡沫混凝土孔壁的水泥浆体越少，孔壁抗压能力下降。此外，从图2 还可以看出，随着养护龄期的增长，泡沫混凝土 的强度不断上升，表明水泥在泡沫混凝土中随时间延长不断发生水化过程，气泡孔壁的强度随硅酸钙水化凝胶量的增大，强度变高。

　　2.2  泡沫混凝土容重与强度的关系

　　从图3可以看出随着容重增加，泡沫混凝土强度不断增大，可能与单位体积内的胶凝材料的含量有很大关系，单位体积内凝胶数量增多，孔壁变厚，抵抗外力作用的能力越强。而且强度与容重几乎成线性变化。随着泡沫混凝土容重的降低，其形成的气孔壁存在裂纹(图4)，该裂纹也是导致泡沫混凝土强度降低的一个重要原因。当受外力压迫时，颗粒间的张应力延沿裂纹方向延伸，裂纹长度不断增加，从而降低颗粒间的骨架作用，导致强度降低。

图4 泡沫混凝土中的裂纹

　　2.3  纤维掺量对泡沫混凝土性能的影响

　　在泥浆中加入不同掺量纤维，制成500kg/m3的泡沫混凝土。其物理力学性能（表1）表明，加入纤维增加了泡沫混凝土的抗压强度和抗折强度， 极大地改善了韧性，说明纤维一定程度上抑制了早期干缩开裂。由于纤维直径只有几十微米，而且具有亲水性,在基体中的分散性良好，所以在泡沫混凝土中，纤维以单位体积内较大的数量均匀分布于混凝土内部，形成了一种乱向支撑体系，故混凝土的干燥收缩在发展的过程中必然会受到纤维的阻挡,消耗了能量，难以进一步发展，从而提高了混凝土的限缩能力，达到抑制收缩的作用。

表1 纤维对泡沫混凝土性能的影响

　　2.4  吸水性能

　　由于泡沫混凝土采用水泥作为胶凝材料，水化后形成水化硅酸钙凝胶，当烘干后，水化凝胶部分脱水，形成很多无数的毛细管，而在泡沫混凝土内部，本身含有大量的圆形孔洞，这些毛细孔和空洞可以吸纳大量的水分，因而没有经过疏水剂处理过的泡沫混凝土都具有一定的吸水性。泡沫混凝土吸水率的大小严重影响其使用性能，因此吸水性是泡沫混凝土生产中非常重要的一项指标。

　　实验通过改变泡沫的加入量来改变泡沫混凝土的容重，制备出七种不同容重的泡沫混凝土，根据吸水率测定方法测定了所制备的泡沫混凝土的吸水率。测试结果如图5所示。从结果可以看出：随着容重的增加，吸水率不断下降,

图5 容重和吸水率的关系

图6 容重对导热系数的影响

　　2.5　隔热保温性能

　　由于气体的导热系数很低，仅为一般固体材料的十分之一，如空气在常温下导热系数为0.03w/(m·k)，而泡沫混凝土内存在许多孔隙，因而其具有较低的导热性，它的导热系数比普通固体材料要小很多，采用DRY-300F导热仪对不同容重泡沫混凝土导热系数进行测试，结果如图6所示。

　　由图可知，随着泡沫混凝土容重的增加，其导热系数不断增加，这与其内部结构有关，不同容重的泡沫混凝土内部气孔大小、气孔率等是不一样的。随着泡沫混凝土容重的增加，气孔率下降，单位体积内固相含量增加，固相传热作用增强，导致导热系数增加。

　　3  结论

　　对采用石墨尾矿为填充材料制备的泡沫混凝土进行了研究。通过对容重、导热系数、强度、吸水及内部结构的观察，得到如下结论：单位体积内胶凝材料的量越大，泡沫混凝土强度越高；泡沫混凝土容重越大，强度越高、吸水率越低，导热系数越大。低容重泡沫混凝土中的裂纹时导致强度降低的主要因素，添加纤维可以有效地减少裂缝，增大抗裂性能。

　　参考文献

　　[1] Laukaitis A, Fiks B. Acoustical properties of aerated autoclaved concrete[J].Applied Acoustics,2006,67(12):284-296.

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　　[5 ]张磊，杨鼎宜．轻质泡沫混凝土的研究及应用现状册[M]．混凝土，2005(8)： 14-48．

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　　[7] 何振甲，何艳君．泡沫混凝土实用生产技术[M]．北京：化学工业出版社，2006.

　　【作者简介】何顺爱，男，博士，西南科技大学材料科学与工程学院。