不同养护条件对铁尾矿加气混凝土性能的影响.pdf

全国中文核心期-? lJ 斩癯 建巍 中 国 科 技 核 心 期 -? lJ 不同荠护条件对铁尾矿 力 口 号混凝土n 生 鹾硇影响 李德忠 ， 倪文 ， 王长龙 ， 耿碧瑶 ( 1 ． 北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 2 ． 河北工程大学土木工程学院 ， 河北 邯郸0 5 6 0 3 8 ) 摘要 ： 研究了浇注温度、 早期养护温度及早期养护时间对铁尾矿加气混凝土性能的影响， 并分析了其作用机理。 结果显示， 浇注 温度为5 0 ℃， 养护温度为 7 O ， 早期养护时间为 8 h时， 铁尾矿加气混凝土制品的强度较高， 最高抗压强度达 6 M P a 。 关键词： 加气混凝土； 铁尾矿； 浇注温度； 养护时间； 养护温度； 抗压强度 中图分类号 ： T U 5 2 2 ． 3 + 2 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 — 7 0 2 X( 2 0 1 1 ) 0 8 — 0 0 2 2 — 0 3 I nflue nc e of di f f e r e nt c uing co ndi t i ons o n t he pr o pe r t y o f a u t o c l a v e d a e r a t e d c o n c r e t e b a s e d o n i r o n o r e t a i l i n g s L I De z h o n g ， NI We n ’ ， WANG C h a n g l o n g ， GE N B i y a o ’ ( 1 ． S c h o o l o f C i v i l a n d E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e r i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Ci v i l a n d En g i n e e r i n g， He b e i Un i v e r s i t y o f En g i n e e rin g ， Ha n d a n 0 5 6 0 3 8 ， He B e i ， Ch i n a ) Abs t r ac t ： Th e p a r a me t e r s o f p o u rin g t e mp e r a t ur e ， t h e e a dy c u r i n g t e mpe r a t u r e a n d t h e f i r s t l y c u r i n g t i me， wh i c h wo u l d h a v e e f f e c t s o n t h e p e rf o r ma n c e of a u t o c l a v e d a e r a t e d c o n c r e t e， we r e s t u d i e d ． An d i t s me c ha n i s ms i n t h e p r o c e s s o f p r e p a r a t i o n o f a u t o c l a v e d a e r a t e d c o n c r e t e we r e a l s o a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e p r o d uc t s c o u l d a c h i e v e h i g h e r s t r e n g t h wh i l e t h e p o u rin g t e mp e r a t u r e i s 5 0℃， c u r i n g t e mp e r a t u r e i s 7 0℃， a n d t h e e a r l y c uri n g t i me i s 8 h， wi t h n l a x i mu m c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f 6 MPa ． Ke y wo r ds ： a u t o c l a v e d a e r a t e d c o n c r e t e ； i r o n o r e t a i l i n g s ； p o u r i n g t e m p e r a t u r e ； c u ri n g t i me ； c u ri n g t e m p e r a t u r e ； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 0 前言 矿产资源是重要的不可再生的自 然资源，是人类社会赖 以生存和发展的物质基础⋯ 。当今世界9 0 ％以上的能源和 7 0 ％以上的工业原料来自 矿产资源，而我国9 5 ％以上的能源 和8 5 ％以上的工业原料来源于矿产资源圜 。据不完全统计， 截 止到 2 0 0 6 年， 我国尾矿堆存总量已达到 8 0 亿 t 以上， 其中堆 存的铁尾矿量占全部尾矿堆存总量的近 1 ／ 3 [3 ] 。尽管我国在矿 产资源综合利用方面取得了很大 进展， 工业固 体废弃物总体 基金项 目： “ 十一五 ” 国家科技支撑计划项 目( 2 O 0 6 BA c 2 1 B O 3 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 3 — 2 1 作者简介 ： 李德忠 ， 男， 1 9 8 4年生 ， 山东德州人 ， 博士研究生。地址： 北 京市海淀区学院路 3 0号北京科技大学 3 9 4信箱， E — m a i l ： d z l i 0 6 3 6 @y a h o o ．c n。 2 2 新型建筑材料 2 0 1 1 ． 8 利用率在 6 0 ％ 左右， 但尾矿综合利用率不到 1 0 ％， 远低于国 外6 0 ％的利用率 。加气混凝土属新型墙体材料， 是一种以化 学反应获得气体而制成的多孔混凝土， 具有质量轻、 保温性能 好、 易 加工和不燃烧等 特点 。利用铁尾矿取代天然资源河 砂作为硅质材料制备加气混凝土，不仅减少了天然资源的开 发， 而且也实现了固体废弃物资源的循环再利用。 养护是混凝土施工和生产工艺中的一个重要环节 ， 与普 通混凝土养护方式不同，加气混凝土养护主要包括静停养护 和蒸压养护2 个方面，蒸压养护是加气混凝土获得最终强度 的必要条件圈 。 而静停养护工序主要是促使浇注后的料浆继 续完成稠化、硬 化的 过程， 包括发气膨胀和 坯体 养护2 个过 程， 以使料浆完成发气形成坯体， 并使坯体达到一定强度， 以 便进行切割及抵抗在蒸压养护过程中升温时温度变化和水分 迁移所引起的应力， 防止制品开裂。 对于蒸压养护过程人们的 研究 较多， 而 对于 静停养护的 研究则较少。为 此， 本试验重点 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李德忠， 等： 不同养护条件对铁尾矿加气混凝土性能的影响 考查了静停养护阶段养护温度与养护时间对铁尾矿加气混凝 土制品性能的影响。 1 试验 1 ． 1 原材料 ( 1 ) 铁尾矿： 北京首云矿业股份有限公司提供， 其化学成 分见表 1 。 表 1 原料 的化学成分 ％ 项 目 S i O 2 A 1 2 0 3 T F e 2 03 Mg O C a O Mn O S O 3 K 2 0 L O I ( 2 ) 水泥： 北京市琉璃河水泥有限公司提供的4 2 ． 5 级普 通硅酸盐水泥， 比表面积 3 5 5 m 2 ／ k g ， 初凝时间1 2 5 ra i n ， 终凝 时间2 2 0 m i n ， 标准稠度用水量2 4 ． 2 ％， 其化学成分见表 1 。 ( 3 ) 石灰： 采用北京金隅加气混凝土有限责任公司生产所 用石灰， 消解时间1 5 m i n ， 消解温度 6 5 c c ， 有效C a O含量大 于6 0 ％ ， 2 0 0目 筛筛余1 2 ％ 一 1 5 ％ 。 ( 4 ) 脱硫石膏： 北京石景山电厂提供， 化学成分见表 l 。 1 ． 2 试验方法 加气混凝土基准配比为： m( 铁尾矿) ： m( 石灰) ： m( 水泥) ： m( 石膏) = 6 2 ： 2 3 ： 9 ： 6 。原料经计量混合均匀后， 加水搅拌 9 0 s ( 水温随浇注温度的变化而变化) ， 然后加入铝粉再搅拌4 0 s ， 浇 入模具后在不同 养护温 度下 静停养护2 h ， 硬化后的试块 送 到 工厂高压釜进行蒸压养 护， 蒸压养护过程中的 压力 控制 在 1 ． 3 5 M P a 左右，温度控制在 1 7 0 1 9 0 c C 。蒸养结束后，按照 G B ／ T 1 1 9 7 l 一1 9 9 7 (( 力 口 气混凝土力学性能试验方法》 对制品的 性能进行测试。由于加气混凝土的强度与试块的干密度紧密 相关， 所以采用比强度对各个因素进行评价。 比强度 b ) 定义 为试块绝干抗压强度和干密度的比值， 按式( 1 ) 进行计算： R b = R J p 0 ( 1 ) 式中： R 一 试块抗压强度， M P a ； p 旷 一 干密度， k g ／ m 。 2 试验结果与讨论 2 ． 1 浇注温度对制品强度的影响 浇注工序的成功与否直接影响到加气混凝土制品的质 量， 是加气混凝 土能 否形成良 好气孔结构的重要 工序。 它与配 料工序一起构成加气混凝土生产工艺过程的核心环节。浇注 温度的高低对料浆的稠化速度、水泥的水化速度及石灰的消 解速度都有重要的影响，同时也对硅质材料的活性有一定的 影响。 一般来说， 温度越高， 水泥的水化速度、 石灰的消解速度 及硅质材料的反应速度都加快。 当养护温度为7 0 ℃， 养护时问为2 h时， 浇注温度对制 品性能的影响见表2 。 表 2 浇注温度对制品性能的影响 由 表2 可以 看出， 随着浇注温 度的 提高， 制品抗 压强 度增 大； 浇注温度为5 5 ℃时， 制品抗压强度最高； 但浇注温度超过 5 5 ℃时， 抗压强度开始下降。 这说明， 在浇注温度为5 5 ℃时制 品的性能最优。温度太高， 料浆稠化过快， 对铝粉的发气和料 浆顺利膨胀造成障碍， 常常出现憋气、 发不满模等现象， 严重 时料浆表面出现裂缝， 对制品的强度不利。反之， 浇注温度太 低， 料浆稠化过 慢， 料浆保气能力差， 容易形成 气泡偏大， 出现 料浆向模具外溢流等现象， 严重时会导致塌模， 同样对制品强 度的发展不利。综合以上分析， 在下述试验中， 浇注温度确定 为 5 5 q C 。 2 ． 2 养护温度对制品强度的影响 硬化过程的进行主要依靠加气混凝土坯体内部具有水化 能 力的 材料自 身的反应和某 些辅 助材料的 参与和推动，同时 也需要外部环境的恰当配合， 提供维持或促进坯体内部 化学 反应的必要条件。通常这主要是指坯体外部的温度、 湿度、 空 气流动情况及震动与否等， 一般主要指温度。 养护温度直接影 响到制品的强度。 当浇注温度为5 5 ℃， 养护时间为2 h时， 养护温度对制 品性能的影响见表3 。 表 3 养护温度对制品性能的影响 从表3 可以 看出， 养护 温度对加气混凝土抗压强度的影 响很大。养护温度从4 0 ℃升高到7 0 ℃时，制品抗压强度由 3 ． 9 5 M P a 增大到5 ．4 4 M P a 。养护温度为7 0 ℃时， 制品抗压强 度最高； 超过7 0 ℃， 制品抗压强度开始下降。这说明， 在静停 养护阶段不是温度越高越好，养护温度太高，坯体硬化速度 N E W B Ul L D I N G MAT E R I AL S 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李德忠， 等： 不同养护条件对铁尾矿加气混凝土性能的影响 快，铝粉发气速度与坯体硬化速度不协调，容易产生憋气现 象， 导致气孔结构不均匀， 从而使制品强度下降； 养护温度太 低， 不 但坯体 硬化速度减慢， 容易 发生 塌模， 而且 坯体成型后， 残留的水分过多， 坯体早期强度低， 在蒸压养护时， 水分急剧 蒸发也容易引起制品开裂。 此外， 坯体在静停养护阶段需要在 一 定的温度下， 脱除一部分水分， 以保证坯体具有适宜的蒸前 含水量和蒸前强度。 综合以上分析， 试验过程中采取养护温度 为7 0 ℃最佳。 2 - 3 养护时间对硬化坯体强度的影响 前期 静停养护硬化的试块拆 模后再 放入一定温度的 养护 箱中养护， 进行不同养护时间对制品性能影响的试验研究。 当浇注温度为5 5 q C ， 养护温度为7 0 ℃时， 养护到规定时 间后送入高压釜进行蒸养， 此时养护时间分别为0 、 2 、 4 、 8 、 1 2 、 2 4 、 3 6 和4 8 h 。试验结果见图 1 。 O 2 4 8 1 2 2 4 3 6 4 8 早期养护时间／ h 图 1 不同早期养护时间与坯体抗压强度的关系 由图 1 可以看出， 随着早期养护时间的增加， 坯体抗压强 度也逐渐增大。从 0 h 增加到 4 h 时，抗压强度由0 ． 0 7 5 M P a 提高No ． 1 0 5 M P a ，增长缓慢。从4 h 增加到8 h时，强度由 0 ． 1 0 5 M P a 提高到0 ． 2 0 5 M P a ， 增长加快。随后强度增长开始 变得缓慢，从8 h 到4 8 h ，强度仅从0 ． 2 0 5 M P a 提高到 0 ． 2 7 5 M P a ， 仅提高 0 ． 0 7 M P a 。 2 ． 4 养护时间对制品 比强度的影响 ( 见图2 ) ∞ 2 ＼ 靼 U 4 Z4 3 b 早期养护时间／ h 图 2 不 同早期养护时间对制品 比强度 的影响 由图2 可以看出， 随着养护时间的增加， 制品的比强度增 大； 当 养护时间为8 h 时， 制品比 强度达到最高值( 绝干抗压 约 达6 M P a ) ； 超过8 h 后， 制品比 强度开始下降。 这说明早期 2 4 新型建筑材料 2 0 1 1 ． 8 养护时间为8 h 时， 对制品比强度的发展有利。 2 ． 5 坯体与制品的 X R D分析 图3 给出了养护时间为8 h 时， 坯体与制品的X R D 分 析。 - 角 ◇ 托 臭 △C a ( o H ) ， 石英 ◆ 绿泥石 V 石膏 口辉石 v方解石 斜长石 9 - 芄 H ．父 I ． ．定 父氟 ． 。 ． ￡ 壹 几 ． ．父 I ) ．恶。 盒 L k ．i k ． 女 1 0 20 3 O 40 5 O 6 0 7 0 20 ／ ( 。 ) 图 3 坯体 与制品的 X R D分析 由图3 可以看出， 尾矿和石英几乎没有参与水化反应， 坯 体中 主要物相为石 英， 还有钙矾 石和少量的 水化硅酸钙， 但水 化产物的量较少。这说明， 在早期养护阶段， 加气混凝土各组 成物料之间难以进行物理化学反应生成新的物相，早期强度 主要来源于水泥的水化产物。 而蒸压养护后， 制品中的主要物 相为托贝莫来石， 此外还有一定数量的石英和硬石膏等。 托贝 莫来石是一种结晶完好的单碱水化硅酸钙， 呈薄片状， 与纤维 状的低碱水化产物C S H( I ) 的合适组成可以使制品获得较 高的强度。原尾矿中的矿物相如斜长石、 角闪石、 绿泥石等物 相经过蒸压养护后分解， 部分铁离子、 铝离子进入托贝莫来石 结构中， 形成了新的矿物相， 对制品强度的发展极为有利 。 石 英的衍射峰强度也明显下降，残余的石英在加气混凝土制品 中作为骨料存在。 3 结论 ‘ ( 1 ) 浇注温度为5 5 ℃、 养护温度为7 0 q C 、 养护时间为8 h 时， 制品内部能够形成良好的气孔结构， 制品强度最佳， 绝干 抗压强度约达 6 M P a 。 ( 2 ) 浇注温度、 养护温度及前期养护时间都对制品强度有 一 定程度的影响， 影响机理各不相同。温度太高， 坯体硬化速 度快， 容易 产生憋气现象， 导致气孔结构不均 匀， 从而使制品 强度下降； 养护时间过长， 制品强度提高不明 显， 但时间 太长， 直接影响到生产效率的高低。 ( 3 ) 对养护时间为8 h的坯体与制品的X R D分析结果显 示， 在坯体初期形成的水化硅酸钙凝胶类物质， 经过蒸压养护 后， 多数都转变为结晶良 好的托贝莫来石。 残留的石英颗粒在 加气混凝土气泡壁内 起到骨 料的 作用， 对强度的发展 起到积 极的 作用。 ( 下转第3 6 页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 周强， 等 ： 单向纤维腹板增强复合材料夹层结构的受弯性能试验研究 表 3 夹芯层等效弹性模量 M P a 再由一般复合材料夹层结构破坏模式与极限破坏荷载的 计算方法来预测4 个试件的破坏模式和极限破坏荷载，并与 试验对比， 见表4 。 表4 试件破坏模式和极限荷载的试验值与理论值比较 从表4 可得， 上述理论模型可以比 较好地预测D X 一 1 试 件和D X 一 2 试件的极限荷载和破坏模式。 D X 一 3 试件的试验极 限荷载比理论极限荷载高4 2 ％， 通过试验可以观察到当荷载 增加到1 1 k N左右时， D X 一 3 试件挠度持续增加， 但力传感器 测得的荷载却只维持在 1 1 k N左右， 则表明试件在 1 1 k N时， D X 一 3 试件已开始发生一定的破坏，可以确定的是加载端处 的面层 破坏， 挠度持 续增加一段时间后荷载开始增加则说明 已有新的面层来抵抗荷载。 根据上述理论分析模型， D X 一 3 试 件夹芯层的面层厚度为1 ． 6 m m ， 大于0 ． 8 m m面板厚度， 可以 看出当面板遭到破坏后， 荷载渐渐可由夹芯层来承受， 而理论 计算得出的1 0 ． 4 k N正是0 ． 8 fi l m面板破坏时的荷载，试验也 出现了 1 1 k N左右时的破坏现象， 说明该理论模型仍然有效， 但只能得出最初破坏荷载， 无法得出最终破坏荷载。 D X 一 4 试 件由 于工艺的不完善使得 横向 腹板刚 度太大， 用上述理论模 型无法很好地预测。 3 结论 ( 1 ) 在保持夹层梁一些基本参数不变的情况下， 小的腹板 间距能够明显提高单向纤维腹板增强复合材料夹层梁的受弯 性能； 增加腹板厚度能够明显提高该夹层梁的极限变形能力， 然而不能明显提高其极限承载力。 ( 2 ) 单向纤维腹板增强复合材料夹层梁抗弯刚度的理论 计算基本符合试验抗弯刚度。 ( 3 ) 把只含有0 ~ ／ 9 0 。 玻纤布的复合材料层看作面层， 其余 看作夹芯层，作为分析单向纤维腹板增强复合材料夹层梁的 理论模型，结合经典夹层梁理论可以比较有效地预测该夹层 梁的破坏模式和极限荷载。 ( 4 ) 根据试验和理论分析， 要尽可能地完善生产工艺， 使 横向 腹板趋于合 理的 厚度， 纵向 腹 板能 够均匀分布在梁宽 上， 这样才能达到好的 腹板增强效果。 参考文献 ： [ 1 ] 黄 涛， 矫桂琼 ， 潘文革 ．缝 纫泡沫夹层 结构弯 曲性能研 究I J J ． 材料 科学与工程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 4( 4 ) ： 5 3 5 — 5 3 8 ． 【 2 】 黄涛 ， 矫桂 琼， 徐婷 婷．z向增强泡沫 夹层 结构 复合材 料I J 1． 纤维 复合材料 ， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 1 9 — 2 3 ． ． [ 3 】 周祝林． 高速船玻璃钢夹层结构件原材料力学性能分析[ J 1 ． 材料 开发与应用 ， 1 9 9 7 ， 1 2 ( 6 ) ： 2 1 — 2 6 ． [ 4 ] A S T M C 3 9 3 — 0 0 ， S t a n d a r d T e s t Me t h o d f o r F l e x u r a l P r o p e r t i e s o f S a n d w i c h C o n s t r u c t i o n s [ S ] ． [ 5 ] 方海．新型 复合材 料夹层结构受力性能及其道面 垫板应用研究 [ D 】 ． 南京 ： 南京工业大学 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ] 王耀先． 单向复合材料弹性模量预测新式[ J 】 ． 玻璃钢／ 复合材料， 1 9 9 5 ( 4 ) ： 2 6 — 3 1 ． A ( 上接第 2 4页) 参考文献： 【 1 】 杨国华， 郭建文， 王建华． 尾矿综合利用现状调查及其意义f J ] ． 矿 业工程 ， 2 0 1 0 ， 8( 1 ) ： 5 5 — 5 7 ． 【 2 ] 徐凤 平， 周兴龙 ， 胡天喜． 国内尾 矿资源综合 利用 的现状及建 议 【 J 1． 矿业快报 ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 4 — 6 ． 【 3 ] 张淑会 ， 薛 向欣 ， 金在峰． 我 国铁尾矿 的资源 现状及 其综合利 用 『 J ] ． 材料与冶金学报 ， 2 0 0 4 ， 3 ( 4 ) ： 2 4 1 — 2 4 5 ． f 4 】 张崇淼． 矿产资源综合利用与环境保护之关系的探讨[J ] ． 矿冶， 2 0 0 3， 】 2( 2 ) ： 2 2 - 2 5 ． 3 6 新型建筑材料 2 0 1 1 ． 8 【 5 1 Na r a y a n a n N ， R a ma m u rt h y K． Mi c r o - s t r u c t u r a l i n v e s t i g a t i o n s o n a e r a t e d c o n c r e t e [ J ] ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 0， 3 0( 3 ) ： 4 5 7 — 46 4． [ 6 】 甘立炜， 朱丽苹， 张召述， 等．磷渣 活化制备加气混凝土 的研 究【 J J ． 昆明理工大学学报 ( 理工版) ， 2 0 1 0 ， 3 5 ( 3 ) ： 3 3 — 3 7 ． [ 7 】 孔丽娟 ， 吴志刚． 养护条件对不 同陶粒掺量 混凝土强度影响 的研 究[ J 1 ．工业建筑 ， 2 0 1 0 ， 4 0 ( 1 1 ) ： 3 2 - 3 6 ． [ 8 】 府坤荣． 蒸压加气混凝土养护制度的探讨【 J 】 ． 新型建筑材 ， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 7 2 — 7 4 ． 【 9 】 李德忠， 倪文， 张静文， 等． 铁尾矿在蒸压养护过程中的物相变化 l J 1 ．硅酸盐学报， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 4 ) ： 7 0 8 — 7 1 3 ． A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m