碱一磷渣加气混凝土的制备及性能研究

碱一磷渣加气混凝土的制备及性能研究

磷渣是在电池中产生的工业副产品，如磷矿石、硅石、焦腐、黄磷。其主要成分是cao和si02，以及少量al203、fe23、p205、ago、f、p2o和na2o。一般来说，1吨黄磷大约8吨。大量的磷渣如果不加以利用,不但会占用大量土地,而且会对环境造成污染,磷渣中的P2O5等有害成分会在雨水的冲淋下渗入地下,造成土壤及地下水污染。磷渣中含有CaO和SiO2,是有潜在活性的材料,因此综合利用磷渣不仅具有良好的经济效益,而且还具有重要的生态和社会效益。加气混凝土是一种具有多孔结构的人造材料,具有质轻、保温、隔热、吸声隔音、抗震防火、施工简便等优点,是一种节土、利废、节能的墙体材料。由于加气混凝土材料具有以上的优点,使其在国内外都得到了很好的应用和发展。目前制备加气混凝土采用的技术路线主要有三种:水泥—矿渣—砂,水泥—石灰—砂和水泥—石灰—粉煤灰,普通加气混凝土都需要经过蒸压养护才能获得较好的强度。目前在国内仅有个别学者对碱胶凝材料制备加气混凝土进行过试探性研究。用碱激发磷渣活性的方法制备出免蒸压的加气混凝土,既能消耗掉磷渣又能够制备出环保节能型的建材制品。本文通过对制备磷渣加气混凝土时各种影响因素的研究,确定出比较适宜的配比,为碱磷渣加气混凝土的进一步研究打下一定的基础。1实验1.1主要化学成分磷渣粉:贵阳国华天成磷业有限公司提供,比表面积380～420m2/kg,密度2.6～2.8g/cm3,其主要化学成分见表1:水泥:“乌江”P.O42.5,贵州水泥厂生产;粉煤灰:凯里电厂Ⅲ级湿排粉煤灰,原状灰含水率在30%左右;水玻璃:市售,模数为3.2～3.4,固含量≥40%;NaOH:贵州省遵义碱厂,含量≥96%;发气剂:Al粉,河北省辛集市金鹿银粉厂。1.2试块的制作与养护实验浇筑成型工艺参照普通加气混凝土生产工艺,先将磷渣等粉料和碱激剂、水等液料混合后充分搅拌均匀(一般需要2min左右),掺入发气剂后再搅拌30-60s,然后将料浆注入10cm×10cm×10cm的三联模中静置,待料浆发气结束后用细铁丝割去坯体上部多余部分,使试块成型为10cm×10cm×10cm的立方体。将试块带模放入混凝土养护室(温度:20±2℃,湿度:95±5%)中进行养护,一d后拆模,将拆模后的试块继续放入养护室中。到龄期取出试块进行性能测试,试块体积密度测试按GB/T11970—1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》进行,力学性能测试按GB/T11971—1997《加气混凝土力学性能试验方法》进行。2结果与讨论实验中用单因素实验法研究了各种因素对加气混凝土容重的影响。2.1试验结果及分析制备加气混凝土,关键是解决料浆稠化速度与铝粉发气速度相适应的问题,即料浆浇筑稳定性问题。实验以磷渣为主要原料,掺加一定量的粉煤灰和少量水泥,研究粉料各组分对料浆浇筑稳定性的影响(实验中其他因素保持不变:水固比为0.29,发气剂掺量为0.2%,碱激发剂掺量以粉料中Na2O的百分含量计,为6.0%),实验结果见表2。由A组实验可知,水泥对料浆浇筑稳定性影响很大,水泥在发气过程中起调整料浆稠化速度的作用:水泥量不足,铝粉发气速度快于料浆稠化速度,发气过程中出现塌模、冒泡等现象;水泥量≥9%,料浆稠化速度快于铝粉发气速度,发气过程中出现出现憋气、沉缩等现象。以上情况都会导致坯体中气泡数量损失,气泡尺寸分布不均匀,坯体强度乃至最终加气混凝土强度降低。由B组实验可知,粉料中粉煤灰的含量对料浆浇筑稳定性也有一定的影响:粉煤灰量<5%时加气混凝土孔隙较大且联通的较多;粉煤灰量>23%,加气混凝土孔隙过小,容重偏大。分析原因:实验以碱激发磷渣制备加气混凝土,碱激发剂掺量根据磷渣质量变化而变化,粉料中粉煤灰所占比例增加时,磷渣所占比例就减少,碱激发剂掺量也随之减少,料浆中碱含量也随之降低,导致铝粉发气速度慢于料浆稠化速度,加气混凝土容重就会增加。从表2实验结果分析可知,粉料中水泥含量应在5%～8%,粉煤灰含量应在15%～20%为宜。2.2铝粉掺量对磷渣加压混凝土容重的影响发气剂是加气混凝土的关键原料,本研究选用铝粉作为发气剂,实验结果见图1(实验时所选配合比为表1中B4)。从图1可以看出,磷渣加气混凝土的容重是随着铝粉掺量的增加而减轻的,但是当铝粉掺量超过0.3%以后曲线变得平缓,此时铝粉的增加对减轻加气混凝土容重所起的作用已经不大;当Al掺量达到0.45%时,浇筑时料浆有轻微的塌模。由此可见,Al掺量应控制在0.1%～0.4%之间,过量的铝粉不利于料浆的浇筑稳定性。2.3水玻璃模数对加压混凝土容重的影响根据以往学者们研究碱磷渣胶凝材料的资料,水玻璃模数一般需调制至1.2～1.5,在此范围内有利于激发磷渣活性。实验中用NaOH将水玻璃模数分别调至1.0,1.2,1.4,1.6,实验结果见图2。从图2中曲线可知,水玻璃模数在1.1～1.5之间时加气混凝土容重在570～650kg/m3之间,变化不大;模数<1.1或>1.5时,加气混凝土容重则迅速增加,模数为1.6时所对应的容重已接近900kg/m3。结果表明:水玻璃模数在1.0～1.5时才能保证磷渣加气混凝土的容重小于800kg/m3。2.4碱含量对磷渣含压混凝土容重的影响碱含量以碱激发剂中Na2O质量计,实验中将水玻璃模数调至1.4作为碱激发剂,通过改变碱激发剂的掺量来调整料浆中的Na2O含量,实验结果见图3。图3中Na2O含量<6.0%时磷渣加气混凝土容重随着碱含量增加而降低,当Na2O含量<5.1时制品容重>850kg/m3,已不属于加气混凝土的范围。说明料浆中碱含量不足时A1发气速率会受到影响,导致料浆膨胀过程中出现憋气和发气量不足的现象;Na2O含量>6.5时,料浆浇筑过程中易出现冒泡和塌模的现象,这是料浆中碱含量过大导致铝粉发气速度快于料浆稠化速度引起的。由此可见,合理的碱含量应在5.2%～6.2%之间,过量的碱会引起坯体塌模,不利于在实验中控制加气混凝土容重。2.5平均容重变化用NaOH和水玻璃调制碱激发剂时会放出一定的热量,实验时将碱激发剂存放至不同的温度,然后进行实验,结果见图4。由实验结果可知,温度对加气混凝土容重影响不明显,图4中当碱液温度在10～50℃变化时,加气混凝土的容重在540～570kg/m3之间,变化不大。碱液温度对料浆的稠化速度影响很大,实验结果见表3:表中料浆初始发泡用时指从料浆中加入发气剂Al粉到料浆开始膨胀所需要的时间,结束发泡用时指从料浆中加入发气剂Al粉到料浆结束膨胀所需要的时间。表3表明:温度越高料浆稠化所需时间越短即稠化速度越快,说明较高的温度更有利于促进磷渣活性的激发,加速胶凝材料的水化。当碱液温度为50℃时,加入铝粉后在搅拌过程中料浆就开始发气膨胀,导致料浆浇筑成型困难。出于操作时间和生产方面的考虑,配制好的碱激发剂一般应陈化到室温(20℃),最高应不超过30℃。2.6磷渣加压混凝土抗压强度力学性能是加气混凝土的重要指标,一般以抗压强度来表示加气混凝土的强度。实验中测试了标准养护条件下不同龄期的加气混凝土强度。到龄期后取出试块待其表面水分晾干(此时试块含水率约20%-25%之间),然后进行抗压强度测试,实验结果见图5。从强度测试的结果可知,磷渣加气混凝土在标准养护条件下可获得强度,无需蒸压养护。不同容重的加气混凝土,28d抗压强度都能够达到GB11968—2006《蒸压加气混凝土砌块》中的要求。从图5中曲线分析,磷渣加气混凝土的强度发展大致可以分成三个阶段:从成型到28d为第一个阶段,这个阶段是强度快速增长期,加气混凝土强度在这个阶段发展最快;从28d到60d为第二个阶段,此阶段加气混凝土的强度增长不明显;60d以后为第三阶段,这个阶段加气混凝土强度有缓慢的增长。2.7碱磷渣的溶解反应磷渣的碱激发过程是化学反应过程,对铝硅酸盐与碱反应的研究表明:碱胶凝材料的水化过程是“溶解-聚合”的过程,即在碱性溶液中硅氧键和铝氧键等发生断裂、溶解,然后又发生聚合反应。程麟等人通过对碱磷渣水泥水化过程的研究,认为在此过程中同样进行着“溶解-聚合”反应:碱激发剂加入水中后,在水的作用下迅速水解生成大量的OH-,溶液的pH值急剧升高,磷渣的表面最先发生溶解,磷渣溶解过程中会在溶液中产生大量的Ca2+,[SiO4]4-等离子。另外由于磷渣中还含有少量的Al,因而在强碱性溶液中还会由于溶解形成[A1O4]5-等离子,溶液中大量的Na+,Ca2+又会和[SiO4]4-,[A1O4]5-发生聚合反应而形成水化硅酸钙、沸石类矿物,它们不断聚合从而形成整个碱磷渣水泥的骨架。由此可见,碱磷渣胶凝材料的水化是一个“溶解-聚合”的过程。根据李志清的研究,碱磷渣胶凝材料的水化产物主要为低碱性的水化硅酸钙。3磷渣加压混凝土容重与强度的关系(1)以磷渣为原材料可以制备出免蒸压的加气混凝土制品,固体废弃物(磷渣和粉煤灰)可以占到制品中粉料总质量的90%以上。(2)水泥在磷渣加气混凝土中起调节料浆稠化速度的作用,其合理掺量是5%～8%;粉煤灰对料浆浇筑稳定性也有一定的影响,其合理掺量是15%～20%。(3)发气剂掺量,水玻璃模数,料浆碱含量等都会影响磷渣加气混凝土容重。要制备出容重≤800kg/m3的加气混凝土,铝粉掺量为0.1%～0.4%,水玻璃模数为1.0～1.5,Na2O含量在5.2%～6.2%之间,实际生产中应根据磷渣加气混凝土的具体容重,在以上所给参数范围内合理选择各参数的值。(4)碱溶液温度对磷渣加气混凝土容重影响不大,但对料浆稠化速度影响很大,温度越高料浆稠化速度越快。为了有充足的时间进行浇筑成型,碱