不同添加剂对矸石粉煤灰制备免烧发泡墙体材料抗压强度的影响

李 亮，刘景景，王金祥

（1.攀枝花学院钒钛学院，四川 攀枝花617000；2.山东山水水泥集团有限公司，山东济南250308）

0 引言

煤矸石是煤矿生产过程及煤的洗选加工过程中排出的固废弃物。煤矸石大量堆放形成无数座矸石山，不仅占用大量土地，而且还污染环境。目前煤矿矸石大部分靠矸石电厂发电消耗掉，煤矸石的灰分高，约为65-85%，粉煤灰排放量大，产出粉煤灰量多而且质量较低，难以利用，使得矸石电厂粉煤灰大量堆积，并造成环境污染。矸石粉煤灰被收集后露天堆放，不仅占用了大量的土地，而且污染空气和堆积处的地下水源，对环境的危害很大。矸石粉煤灰治理普遍缺乏有效措施，露天堆置的粉煤灰场很可能导致严重的二次扬尘污染。近年来很多科研人员致力从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当有限，主要原因为矸石粉煤灰中有用成分质量较少，提取工艺较难产生经济效益；采用矸石粉煤灰用于生产农业肥料，该利用量有限，较难对矸石粉煤灰进行规模化的回收利用；将矸石粉煤灰用于过滤吸附材料，该利用量也有限。为解决矸石粉煤灰的堆存和污染问题，很有必要开展对矸石粉煤灰的利用研究。本试验以低活性矸石粉煤灰为主要原料，矿化剂选择硅酸盐水泥和熟石灰，发泡剂选择金属铝粉，强度促进剂选择硅溶胶、硅铁灰和硅微粉，采用浇注法成型-蒸养工艺制备免烧发泡墙体材料，研究了金属铝粉、硅酸盐水泥、熟石灰、硅溶胶、硅铁灰和硅微粉对免烧发泡墙体材料性能的影响，制备出发泡墙体材料性能达到建筑用轻质墙体材料的要求，可以用于高层建筑轻质墙体材料，对于解决矸石粉煤灰的环境染问题具有重要的意义［1］。

1 实验方法

采用浇注-蒸养法制备免烧发泡墙体材料，研究添加不同矿化剂、强度促进剂和发泡剂对免烧发泡墙体材料性能的影响，技术路线图见图1所示。

图1 技术路线

（1）设计配方为100g一个试块，根据百分比添加矸石粉煤灰、石灰、硅酸盐水泥、发泡剂和增强剂；

（2）先将发泡剂倒入烧杯里加一定量的水进行搅拌，搅拌至充分发泡；

（3）搅拌均匀之后再加入其他干料进行搅拌，使物料混合均匀；

（4）调制成适宜的注浆成型泥料进行装模成型。模具尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，边装模边振动成型，使泥料均匀、严实填充整个模具；

（5）成型完毕，自然放置24h；

（6）将自然干燥后的样品放置蒸压釡内蒸压养护，形成强度；

（7）出釡冷却后送样检测理化指标。

2 结果与讨论

2.1 硅酸盐水泥添加质量对发泡墙体材料强度的影响

制备矸石粉煤灰发泡墙体材料所采用的水泥应选用硅酸盐水泥，硅酸盐水泥起到调节混凝土浆料的增稠时间，保证料浆浇注具有稳定性作用。硅酸盐水泥的水化、凝固、硬化可以提高坯体的强度，可提供Ca（OH）2与粉煤灰中的硅铝成分起反应，在高温蒸养的过程中，发泡墙体材料具有一定的强度和良好的耐久性［2、3］。石灰的添加质量选择6%，铝粉的添加质量选择0.6%，研究硅酸盐水泥添加质量对矸石粉煤灰发泡墙体材料强度的影响。试验结果见图2。从图2可以看出，随着硅酸盐水泥添加质量的增加，经过高温蒸养，矸石粉煤灰发泡墙体材料的强度增加。添加硅酸盐水泥在蒸养过程中可以形成水合硅酸盐复合物相，这些水合硅酸盐复合物相形成水泥石的网状结构，可以提高矸石粉煤灰发泡墙体材料强度。硅酸盐水泥添加质量6%，强度达到1.5 MPa。

2.2 硅微粉添加质量对发泡墙体材料强度的影响

硅微粉能够填满矸石粉煤灰发泡墙体材料颗粒间的空隙，与硅酸盐水泥水化产物生成凝胶体，同时与碱性材料反应生成凝胶体，这样胶凝体形成网状结构，可以显著提高矸石粉煤灰发泡墙体材料坯体的抗压强度，可以有效降低硅酸盐水泥的添加质量，降低矸石粉煤灰发泡墙体材料的生产成本［4］。生石灰的添加质量选择6%，铝粉的添加质量选择0.6%，研究硅微粉添加质量对矸石粉煤灰发泡墙体材料强度的影响。试验结果见图3。从图3可以看出随着硅微粉的添加质量增加，硅微粉都可以提高矸石粉煤灰发泡墙体材料的强度，当硅酸盐水泥的添加质量为2%，硅微粉的添加质量为20%，矸石粉煤灰发泡墙体材料的强度可达到3.5 MPa。

图2 硅酸盐水泥添加质量对抗压强度的影响

图3 硅微粉添加质量对抗压强度的影响

2.3 硅溶胶添加质量对发泡墙体材料强度的影响

硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒在水中或溶剂中的分散液。由于硅溶胶中的SiO2含有大质量的水及羟基，硅溶胶可以表述为mSiO2.nH2O［5］。这种液态的硅溶胶具有较高的反应活性，在高温蒸养作用下，能与碱性氧化物（如CaO）形成硅酸盐矿物，这种硅酸盐矿物具有较好的粘结强度，可以将矸石粉煤灰发泡墙体材料胶结成一个整体，提高强度。生石灰的添加质量选择6%，硅酸盐水泥添加质量选择2%，铝粉的添加质量选择0.6%，研究硅溶胶添加质量对矸石粉煤灰发泡墙体材料强度的影响。试验结果见图4。从图4看出，随着硅溶胶的添加质量增加，矸石粉煤灰发泡墙体材料强度明显增强，当硅溶胶的添加质量为10%，矸石粉煤灰发泡墙体材料强度达到7.05 MPa，这是由于硅溶胶粒子微细，有相当大的比表面积，粘度较低，分散性好，渗透性好，能与矸石粉煤灰充分混合均匀，当硅溶胶水份蒸发时，胶体粒子牢固地附着在矸石粉煤灰表面，粒子间形成硅氧结合，提高了粘合性能，减少矸石粉煤灰发泡墙体材料的过度膨胀，使矸石粉煤灰发泡墙体材料的强度大幅度提高。

2.4 生石灰添加质量对发泡墙体材料强度的影响

生石灰是制备矸石粉煤灰发泡墙体材料的主要钙质材料，其主要作用是向矸石粉煤灰发泡墙体材料提供有效的氧化钙，使之在水热合成条件下与矸石粉煤灰中的二氧化硅、氧化铝作用，生成水化硅酸盐矿物与水化铝硅酸矿物，从而让样品具有一定的强度。同时，生石灰的掺入增加矸石粉煤灰发泡墙体材料的碱度，给铝粉创造了发泡条件，让铝粉进行充分发气反应。对提高矸石粉煤灰发泡墙体材料的气孔率有利。1 Kg熟石灰可释放1080 KJ热量。生石灰的这种迅速大量放热能力，可以使坯体升温80-90摄氏度，促进坯体中凝胶材料的进一步凝结硬化，从而促使矸石粉煤灰发泡墙体材料较快的硬化。硅微粉的添加质量选择15%，硅溶胶的添加质量选择10%，硅酸盐水泥添加质量选择2%，铝粉的添加质量选择0.6%，研究生石灰添加质量对矸石粉煤灰发泡墙体材料强度的影响。试验结果见图5。从图5可以看出，随着熟石灰添加质量增加，矸石粉煤灰发泡墙体材料的强度不断提高，达到最高强度11 MPa，生石灰与硅质材料中的活性SiO2发生化学反应，在水合作用下形成具有一定强度的mCaO·SiO2·nH2O（水化硅酸钙）。mCaO·SiO2·nH2O形如“胶水”，将未参与反应的其他骨料进行包裹而“粘结在一起”，增加矸石粉煤灰发泡墙体材料的强度［6、7］。当生石灰添加质量超过16%，生石灰与硅质材料中的活性SiO2反应完成，多余的生石灰分布在新形成的矿物之间，影响新形成的矿物成为一个整体，降低矸石粉煤灰发泡墙体材料的强度。

图5 生石灰添加质量对抗压强度的影响

图6 Al粉添加质量对吸水率、抗压强度的影响

2.5 发泡剂添加质量对发泡墙体材料性能的影响

本次试验选用发泡剂为铝粉，在搅拌机中，加入粉煤灰、硅酸盐水泥、生石灰、铝粉、水以及其他外加剂后，硅酸盐水泥与生石灰发生水化反应。硅酸盐水泥水化析出Ca（OH）2，生石灰与水反应生成Ca（OH）2，生成的 Ca（OH）2与铝粉发生反应为：2Al+3Ca（OH）2+6H2O＝3CaO·Al2O3·6H2O+3H2。铝粉与Ca（OH）2饱和溶液发生反应产生氢气，该氢气极少溶于水，随着温度升高氢气体积增大，促使矸石粉煤灰料浆产生膨胀而发泡［8］。硅微粉的添加质量选择15%，硅溶胶的添加质量选择10%，硅酸盐水泥添加质量选择2%，生石灰的添加质量选择6%，研究Al粉添加质量对矸石粉煤灰发泡墙体材料性能的影响。试验结果见图6。从图6可以看出，随着金属铝粉添加质量的增加，矸石粉煤灰发泡墙体材料的吸水率增大。当金属铝粉添加质量为0%时，吸水率最小为13%。当金属铝粉添加质量为0.6%时，吸水率最大为31%。由图6可知，随着金属铝粉添加质量的增加，矸石粉煤灰发泡墙体材料抗压强度呈下降的趋势。金属铝粉添加质量掺量为0 g的抗压强度最大10.5 MPa，金属铝粉添加质量为0.6 g时，抗压强度为7 MPa。

3 结论

（1）添加硅酸盐水泥在蒸养过程中可以形成水合硅酸盐复合物相，这些水合硅酸盐复合物相形成水泥石的网状结构，可以提高矸石粉煤灰发泡墙体材料强度，提高强度不明显。硅酸盐水泥添加质量6%，强度达到1.5 MPa。

（2）在复合配料条件下，添加硅溶胶可以较明显提高矸石粉煤灰发泡墙体材料强度，当硅溶胶的添加质量为10%，矸石粉煤灰发泡墙体材料强度达到7 MPa，硅溶胶粒子有相当大的比表面积，粘度较低，分散性好，能与矸石粉煤灰充分混合均匀，当硅溶胶水份蒸发时，胶体粒子牢固地附着在矸石粉煤灰表面，粒子间形成硅氧结合，提高了粘合性能。

（3）添加金属铝粉可以提高矸石粉煤灰发泡墙体材料吸水率，降低矸石粉煤灰发泡墙体材料的强度。当金属铝粉添加质量为0.6%时，吸水率最大为31%，强度降低到7 MPa。