钛矿渣制备加气混凝土的研究.pdf

2 0 1 4年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 6 J u n e 钛矿渣制备加气混凝土的研究 朱晓燕 ， 包文 忠 ， 赵 文新 ， 张 黎 ( 1 四川省非金属复合与功能材料重点实验室一 省部共建国家重点实验室培育基地 西南科技大学 ， 绵阳 6 2 1 0 1 0 ； 2 新疆天山水泥股份有限公司， 乌鲁木齐 8 3 0 0 0 6 ) 摘 要 ： 以低 活 度 钛 矿 渣 为原 材 料 ， 制 备 出容 重 为 7 0 0 k g m 的 加 气 混 凝 土 ， 同 时 以不 同原 材料 掺 量 对 加 气 混凝 土强度 的影响进行 了研究 ， 研 究表 明， 添加 Na oH 能提 高钛矿渣的 活性 ， 提 高矿渣 中 S i O 在高温下 的溶 解度 ， 从 而 提 高试体抗压强度 ； 加 气混凝 土的强度 随着石灰掺 量的增加 而增大 ， 掺量 为 2 5 时 ， 前期有较高的强度 ， 对后期 强度 影响较 小； 钛矿 渣掺 量在低 于 2 0 时， 加 气混凝 土随钛矿 渣的掺 量增加 而增大 但钛矿渣掺量不 宜超过 2 0 关键词 ： 磷石 膏； 泡沫混凝土 ； 容重 ； 强度 ； 导热 Abs t r a c t ：The a e r a t e d c o nc r e t e wi t h 70 0k g mbu l k de n s i t y p r e p a r e d u s i n g a l o w a c t i v i t y t i t a ni um s l a g a s r a w ma t e r i a l ，a n d t h e e f f e c t o f d i f f e r e n t r a w ma t e r i a l c o n t e n t o n t h e s t r e n g t h o f a e r a t e d c o n c r e t e w a s s t u d i e d T h e r e s u i t s h o W s t h a t t h e t i t a n i u m s l a g a c t i v a t i o n c a n b e a c t i v a t e d b y a d d i n g Na OH， a n d t h e s o l u b i l i t y o f S i O 2 a t h i g h t e mp e r a t u r e s i n c r e a s e wi t h i n c r e a s i n g t h e Na OH c o n t e n t Ae r a t e d c o n c r e t e s t r e n g t h i n c r e a s e wi t h i n c r e a s i n g l i me c o n t e n t ， wh e n t h e c o n t e n t i s 2 5 ， t h e e a r l y s t r e ng t h o f c o n c r e t e i s hi g h e r ，b ut i t ha s l i t t l e e f f e c t o n t h e l a t e r s t r e ng t h；wh e n t h e t i t a n i u m s l a g as h c o n t e n t i s l e s s t h a n 2 0 ，a e r a t e d c o n c r e t e s t r e n g t h i n c r e a s e w i t h t h e i n c r e a s i n g t h e i t a n i u m s l a g a s h c o n t e n t ，b u t the c o n t e n t s h o u l d n o t e x c e e d 2 0 Ke y wo r d s ：P h o s p h o g y p s u m； F o a m c o n c r e t e ； B u l k d e n s i t y ； S t r e n gth ；He a t c o n d u c t i o n 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 6 6 6 一 O 4 0前 言 加气混凝土是一种节 能墙体材料 ，以粉煤灰 、 煤矸 石 、 矿 渣 、 石 膏 、 水 泥 、 石 灰 和 铝 粉 等 为 主要 原 料 ， 经过搅拌 、 浇注 、 发泡 、 切割与高压蒸养制成 ， 可 用于工业与民用建筑的墙材及保温隔热材料_ 1 J 。该 产品具有保温 、 隔热 、 耐火 、 阻燃 、 吸音 、 隔声 、 轻便 、 组砌灵活、 施工简单等特点 。利用粉煤灰 、 矿渣等工 业废 料生产加气混凝土和蒸压砖 是墙体材料发展 的重 点l 2 l ， 无论 在生产环节 ， 还是在 建造使 用节能 、 资源 节 约 、 产 业化 等方 面 ， 都有较 大 的经 济价值 。 攀 钢 自 1 9 7 2年 投 产 以来 ， 已 累积 堆 积 6 0 0 0余 万 t 钛矿渣【3 1 。钛矿渣 中 T i O 含量高 ， 即使淬冷 仍 生成大量的无水硬 活性 的钙钛矿 ( C a O) ， 致使进入 玻璃体的 C a O量较少 ， 玻璃体 中硅氧四面体聚合度 较高 ， 水硬活性较低 。因此 ， 攀钢高炉矿渣不能直 接用于生产矿渣水泥 ， 同时 ， 因钛 品位不够高而不 能用作钛工业 的原料 。此外 ， 由于钛矿渣 中含有 比 较 高 的 S i O 和 A 1 O 3 ，而 含 钛 的 物相 有 很 强 的结 晶 能力 ， 结 构稳 定性好 。 活 性低 。充 分利 用钛 矿渣 中的 S i O 和 A 1 O ， ，使其在高温下也与石 灰形成胶凝材 基金项 目： 四川 省教育 厅基 金项 目( 1 l z d l 1 2 2 ) ； 西 南科 技大 学博士基金项 目( 0 8 z x 7 1 2 6 ) 。 一 66一 料 ， 从 而 制成 具 有 节能 环保 、 质 轻高 强 、 抗 震 、 隔音 、 隔热 、 保温 、 抗冻性等优 良性能的加气混凝土 ， 不但 可 以实现节地 、 节 能 、 利废 、 资源综合利用 、 保护环 境等 ，而且还可 以实现钛矿渣的大量处理和利用 会 对 我 国建 筑 节 能 l丁作 的开 展 及 建 筑 节 能 目标 的 实现做出很大贡献 ， 具有重要环保意义及 实际应用 价值。 1 试 验 原料 与方 法 1 1 试验 用 原料及 化学 成分 钛 矿 渣 ： 来 自于攀 枝 花 钢铁 集 团 ， 其 主 要 成 分 是 S i O 2 、 C a O、 A 1 2 O 3 、 T i O 2 等 ， 其 X R D 图谱 见 图 1 ， 化 学组成 见表 1 。该钛 矿渣所含 主要 晶体 为钙 钛矿 “ j【l_ j 0 L O 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 20 。 图 1 钛 矿 渣 的 XRD 图谱 朱晓燕 ， 包文忠 ， 赵文新 ， 等 钛矿渣制备加气混凝土的研究 ( C a O T i O 2 )与透 辉石( C a O Mg O 2 S i O 2 ) ，前 者 的 X R D主峰为 2 7 0 A， 后者 的 X R D主峰为 2 5 2 5。此 外 该钛矿渣 中基本不含钙铝黄长石 、 石英等晶体 。 由图 1 可见 ，该钛矿渣 的 X R D谱图中基本不可见 普通高炉矿渣所具有 的馒头状玻璃体弥散峰 ， 这表 明该废渣 中玻璃体含量很低 ， 这必然影响其活性的 发挥。查阅文献可知， 各种钛矿渣的X R D图谱 中大 都很难见到 明显 的玻璃体弥散峰 ， 即使有 。 其 高度 与宽 度也 很 低 ， 这 可 能是 钛矿 渣 结 构 特性 的普 遍 特 点之一 。 水泥 ： P 0 4 2 5级水泥 ， 其化学成分见表 2 。 石灰 ： 绵 阳某石灰厂产 ， 其化学成分见表 3 。 铝粉膏：南宁产 G L S 一 6 5型加气铝粉膏 ，银灰 色、 鳞片状粉末 ， 其物理化学性能指标见表 4 。 表 1 钛矿渣的化学 组成 表 3 石灰 的化学组成 表 5 粉磨时间与细度的关系 石英 砂 ： 普 通河 砂 ， S i O 含量 9 5 左 右 。 氢氧化钠 ： 重庆某公司产 ， 纯度 9 9 3 。 1 2试 验方 法 按设计组分配 比进行配料 。成型后在 4 5 养护 箱内养护 8 l O h后脱模 ； 并放入蒸压釜进行蒸压养 护。养护制度为 ： 预设蒸压温度 1 8 5 o C， 1 0 5 MP a ， 用 2 5 h升温 升压 。 恒温 恒压蒸 养 9 h 。 产 物 的 微观 形 貌 用 日本 产 T M一 1 0 0 0型 台式 电 子 显 微 镜 进 行 观 察 ：物 相 组 成 采 用 荷 兰产 X P e r t P R O型多晶 x射线衍射分析仪进行分析 ； 粒度及粒 度分布采用英国产 Ma s t e r s i z e r 2 0 0 0激光粒度分析 仪测 定 。 加气混凝土性能参照 G B T 1 1 9 6 9 2 0 0 8 ( 蒸压加 气混 凝土 性能 试验 方法 进行 。 2试 验及 结果 分析 2 1 不同粉磨时间对钛矿渣粒度分布的影响 由于钛含量偏高 ， 钛矿渣 的耐磨性能好 ， 因此 ， 常用作耐磨混凝土掺合料。作为加气混凝土原料 ， 对钛矿渣进行粉磨 ， 既可提 高其化学活性 ， 又有利 于成 分 的均化 。表 5为不 同粉 磨时 间获 得 的粉体 细 度 。 表 5的试验数据显示 ， 粉磨时间越 长 ， 钛矿渣 的颗 粒越 细 。 2 2 钛 矿渣 细 度对加 气混 凝 土强 度的影 响 以水泥掺量 1 5 ， 石灰掺量 2 5 ， 石英 粉掺量 3 5 ， 水料 比 0 4 4， 铝粉 掺量 1 3 k g m。 ， 钛 矿渣掺量 2 5 为定量 ； 改变钛矿渣 细度 ， 分别 以细度 1 、 2 、 3 、 4 、 5 ， 做 5组对 比性试验， 试验结果如图 2所示 。 宝 骥 图 2 钛 矿渣 细度 对 加 气混 凝 土 强度 的 影 响 从图 2可 以看 出， 试件 的强度 随钛矿渣细度 的 增大而增大 ， 主要原因是 ： 钛矿渣的细度越细 ， 其 比 表面积越大 ，玻璃体颗粒受损坏的程度也越大 ， 颗 粒与周围其他物质的接触面积也随着增大 。增大钛 矿渣颗粒反应的有效面积 ， 总体上活性增大可使试 件强度增大 。由此可见 ， 提高钛矿渣 的细度可有效 提高钛矿渣的活性 ， 细度越细 ， 其活性越高 。 一 6 7 2 0 1 4年第 6期 昆 凝土与水泥制品 总第 2 1 8期 2 3 钛矿 渣掺 量对 加气 混凝 土强 度 的影 响 以水泥掺量 1 5 ， 石灰掺量 2 5 ， 水料 比 0 4 4 ， 铝 粉掺 量 1 - 3 k m 为定 量 ，改变 钛矿 渣和 石英 粉 的 掺量 钛矿渣掺量分别 为 l O 、 1 5 、 2 0 、 2 5 和 3 0 石英粉 的对应掺量分别为 5 0 、 4 5 、 4 0 、 3 5 和 3 0 共做 5组对 比性试验 ， 试验结果见图 3 所示 皇 想 l U l ， 2U Z jU 钛矿 渣掺量 图 3 钛矿渣掺量对加气混凝 土强 度的影 响 从 图 3可以看 出 ，钛矿渣掺量从 1 0 增加到 2 0 时 。加 气混 凝 土试 件 的强 度随 钛矿 渣掺 量 的增 加 而 增 加 ，钛 矿 渣 掺 量 在 2 0 左 右 时强 度 达 到最 高 ： 之后 随着钛矿渣掺量 的增加试件强 度不 升反 降。其主要原因是 ： 在水泥水化过程 中， 高钛矿渣潜 在活性受石灰 、水化物 C H的激活生成一定数量的 水 化 产 物 ， 增 加 了混 凝 土 的 强 度 ； 最 重 要 的 原 因是 钛 矿 渣微 粉 具有 微 核 效应 改 善 了水化 产 物 在 空 间 的均匀分布，加速 了水泥的水化 ，并使水化产物在 整个浆体 内均匀分布 ， 从而提高 了试件的强度 。而 当钛 矿 渣 掺 量 继续 增 大 时 ，因 为钛 矿 渣 的 活 性 较 低 ， 其掺量较大时， 料浆的总体活性 降低 ， 故其强度 也随之降低 。 2 4 碱 掺量 对钛 矿渣 活性 激发 的影 响 以水 泥 掺 量 1 5 ， 石 灰 掺 量 2 5 ， 石 英 粉 掺 量 4 0 ， 水 料 比为 0 4 3 。 铝粉掺 量 1 3 k g m ， 钛 矿渣掺 量 2 0 为定量 ， 改变 N a O H的掺量 ， 掺量分别为 0 、 l k g m 。 、 1 5 k g m 。 、 2 k g m 、 2 5 k g m ，共做了 5组对 比 性试 验 ， 试 验结 果 如 图 4所 示 。 从图 4可 以看 出 试件强度随碱掺量的增加而 增大 。这是由于 N a O H对钛矿渣的潜在活性具有激 发作用 ， 可使 硅铝酸盐矿物的硅铝链解 聚 ， 提 高了 钛矿渣的活性 ， 使其 能参 与水化反应 ， 故增加 了试 件的强度。其次 ， S i O ： 在碱性浆体中可 以提高溶解 度 ， 随着 p H值 的增加 ， 无定形 S i O ： 的溶解度增大 ， 这有助于反应 的进行 ， 从而提高试块强度 。试验结 一 68一 果表 明 ， N a O H对钛 矿 渣有 一定 的激 活作 用 。 凸一 皇 鼎 N a O H掺量 ( k m ) 图 4 不 同碱 掺量 对加气混 凝土强度的影响 2 5 石灰 掺量 对钛 矿渣 活性 的影 响 以水 泥掺 量 1 5 ，水料 比 0 4 4 ，铝 掺 量 1 3 k m ， 钛矿渣掺量 2 5 为定量 ， 改变石灰和石英 粉的 用 量 ， 石灰 掺量 分 别 为 1 5 、 2 0 、 2 5 和 3 0 ， 石 英 粉对应掺量分别为 4 5 、 4 0 、 3 5 和 3 0 ，共做 5 组 对 比性试 验 ， 试 验 结果 见表 6 。 表 6石灰掺量对加气混凝土强度的影响 从 表 6可 看 出 ， 加 气 混 凝 土试 件 的强 度 随石 灰 掺量 的增加 而增大 ， 但石灰对试件后期的收缩影 响 很大 ， 收缩率会 随石灰掺量 的增加 而增 大 ， 这对后 期强度非常不利 ，故石灰不宜多掺 。综合考虑 图 5 的 试验 结 果 及石 灰对 加 气混 凝 土 后 期强 度 的影 响 我们认为石灰的最佳掺量为 2 5 。此掺量下 ， 加气 混凝土前期可有较高的强度值 ， 且对后期强度的影 响 较小 。 加气混凝土试件的微观结构如图 5所示 。从微 观产物来观察 ， 图 5 ( a ) 与图 5 ( b ) 二试件的微观产物 主要都 以片状和纤维状为主 。纤维状 主要是 C S H (I) 和钙沸石等物质 ， 薄片状主要是托勃莫来石 。 从 晶体排列角度上看 ， 图 5 ( a ) 、 图 5 ( b ) 二试 的晶体 排列都是以纤维状 和薄片状相互交叉排列 ， 并排成 坚 固的 “ 网状结构” ，但从 以上晶体排列图可以看 出 ， 图 5 ( a ) 图晶体排列 比较有规则 ， 纤维状 和薄 片 状 晶体区域性分布较明显 ， 二晶体交错分布较不均 匀 ： 而图 5 ( b ) 图中二晶体交错分布相对 比较均匀 ， 5 4 3 21 0 9 8 7 6 5 4 3 2l O 8 8 8 8 8 8 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7