正交试验法在铜尾矿制备加气混凝土中的应用.pdf

全国中文核 心期刊 新鲤 建巍 柑 中 国 科 技 核 心 期 刊 正 交 L I L 一 - - 一 X 验法在铜尾矿制备 加号混凝土巾硇应用 钱嘉伟 ， 倪文 ( 1 江苏省建筑工程质量检测中心 有限公司， 江苏 南京2 1 0 0 0 0 ； 2 北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京1 0 0 0 8 3 ) 摘要 ： 采用正交试验方法对铜尾矿制备加气混凝土配合比进行研究， 探讨了铜尾矿、 石灰、 水泥、 石膏掺量和水料比对加气混凝 土 强度 的影 响。 结果表明， 在上述 5个 因素中， 铜尾矿 的掺量对加气混凝土强度的影响最大 ； 按优化配比制备 的加气混凝土平均密度 为 6 1 9 】k g m ， 平均抗压强度为 4 5 MP a ， 符合 A 3 5 、 B 0 6级加气混凝土合格品的规定， 满足环保利废和建筑节能的要求。 关键 词： 正交试验； 铜尾矿； 加气混凝土； 抗压强度 中图分类号： T U 5 2 2 3 + 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 2 ) 1 2 0 0 0 1 0 3 Ap p l i c a t i o n o f o r t h o g o n a l e x p e r i me n t r e s e a r c h o n a e r a t e d c o n c r e t e p r e p a r a t i o n wi t h t a i l i n g s o f c o p p e r mi n e Q I A N J i a w e i ， M We z ( 1 J i a n g s u T e s t i n g C e n t e r f o r Q u a l i t y o f C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g C o L t d ， N a mi n g 2 1 0 0 0 0 ， J i a n g s u ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l a n d E n v i r o n me n t E n g i n e e r i n g ， Un 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 ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Or t h o g o n a l e x p e ri m e n t m e t h o d i s a p p l i e d t o r e s e a r c h o n mi x t u r e r a t i o d e s i g n o f a e r a t e d c o n c r e t e w i t h t a i l i n g s o f c o p p e r mi n e ， t h e e f f e c t o f th e c o n t e n t o f t a i l i n g s o f c o p p e r mi n e ， l i me， c e me n t ， gy p s u m r e p l a c e me n t a n d wa t e r - s o l i d r a t i o o n the s t r e n g t h of a e r a t e d c o n c r e t e wa s d i s c u s s e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t a mo n g t h e fi v e f a c t o r s a b o v e， t h e c o n t e n t o f t h e r a i l i n g s o f c o p p e r p l a y s t h e mo s t s i g n i fic a n t r o l e o n t h e s t r e n gth of a e r a t e d c o n c r e t e ； a n d i n a p p r o p ria t e c o n d i t i o n s ， t h e p r e p a r e d t a i l i n g a e r a t e d c o n c r e t e h a s a v e r a g e d e n s i t y o f 61 9 1 k g m a n d a v e r a g e c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f 4 5 MPa t h a t a c c o r d wi t h t h e p r o v i s i o n o f A3 5 a n d B0 6 q ua l i fie d p r o d u c t o f a e r a t e d c o n c r e t e ， wh i c h f u l l y me e t t h e r e q u i r e me n t s o f e n v i r o n me n t p r o t e c t i o n a n d b u i l d i n g e n e r gy s a v i ng Ke y wo r d s ： o r t h o g o n a l e x p e rim e n t ； t ail i n g s o f c o p p e r mi n e ： a e r a t e d c o n c r e t e ； c o m p r e s s i v e s t r e n gth 我国9 5 的能源和 8 5 的原材料依赖于矿产资源l1 _ ， 产出 的尾矿不断增加。近年来， 尾矿的综合利用受到各界所关注， 已成为各矿山资源综合利用和环境保护的重要课题之一嘲 。 加气混凝土是集轻质、 保温、 防火、 吸声、 环保等诸多优 点于一身的新型建筑材料l引 ， 本文通过正交试验研究， 制备出 以铜尾矿、 硅砂为主要原料的加气混凝土， 所制备的加气混 凝土平均密度为6 1 9 1 k g m ， 平均抗压强度为4 5 M P a ， 符合 A 3 5 、 B 0 6级加气混凝土合格品的规定， 有显著的环保、 经济 基金项 目： 国家“ 8 6 3 ” 计划课题 ( S S 2 O 1 2 A A O 6 2 4 O 5 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 8 2 3 作者简介： 钱嘉伟， 男， 1 9 8 5 年生， 江苏盐城人， 硕士， 助理工程师。地 址： 南京市红山路 1 0 7 号， 电话： 0 2 5 8 5 4 5 8 1 6 8 ， E m a i l ： j i a w e i q i a n 1 6 3 c o m。通讯作者： 倪文， 地址： 北京市海淀区学院路 3 O号 北京科 技 大学土木 与环境 工程 学院 3 0 2室 ， E ma i l ： n i w e n c e s u s t b e d u c n 。 效应。 1 试验 1 1 试验原材料 1 1 1 硅质材料 铜尾矿： 产于河北省承德市寿王坟铜矿， 经过球磨机粉磨 2 0 m in ， 2 0 0 目 筛 筛余1 1 ， 其主 要化学成分如 表1 所示。 透光及反光镜下鉴定表明， 铜尾矿的矿物组成为： 透闪石一 阳起石、 透辉石、 绢云母、 白云石、 蛇纹石、 滑石、 绿泥石、 长石； 另外还有少量的石英、 石榴石、 萤石、 黄铁矿、 磁黄铁矿、 黄铜 矿和磁铁矿一 赤铁矿。 铜尾矿中S i O 含量近4 4 ， 但石英态S i O 含量极少， 未达到加气混凝土生产对原材料中S i O 含量的一 般要求( 用于生产加气混凝土的砂， 一般要求S i O 含量大于 7 0 ， 并要求石英态S i O 含量大于4 0 ， 铜尾矿的x射线衍 射图谱如图1 所示。 N E W BUI L D J NG M ATE RI AL S 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钱嘉伟， 等： 正交试验法在铜尾矿制备加气混凝土中的应用 60 O0 5 0 0 0 4 0 0 0 30 00 2 0 0 0 1 O 0O 0 一 口 、 ! 透闪石一 一 1 。 T绢云母 一 滑石 绿泥石 蛇纹石 。 啦 Z 口石 英 I 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 20 ( 。 ) 起石 图 1 铜尾矿 的 X R D图谱 硅砂： 经球磨机粉磨3 0 m i n ， 2 0 0目筛筛余5 2 ， 主要化 学成分如表 1 所示， 其S i O 含量高达8 3 ， 与铜尾矿搭配使 用可提高原材料的含硅量， 满足加气混凝土生产的要求。 表 1 硅质材料的主要化学成分 项 目 S i O 2 A 1 2 O 3 F e 2 O 3 F e O Mg O C a O N a 2 0 K 2 0 烧失量 铜尾矿4 3 9 7 3 3 5 2 3 2 O 1 5 4 9 0 5 9 O 8 8 1 9 7 硅砂8 2 8 3 7 1 3 O 5 3 1 4 3 1 1 4 1 8 3 1 5 5 2 6 9 0 8 7 1 1 2 钙质材料 石灰： 采用中速消解石灰， 活性C a O含量6 5 左右、 M g O 含量小于6 ， 2 0 0 目 筛 筛余1 2 1 5 ， 消解时间1 2 m in ， 消 解 温度可达6 5 q C ； 水泥： 采用P 0 4 2 5 水泥。 l 。 1 3 其它材料 发气剂： 哈尔滨东轻金属粉业有限责任公司生产的亲水发 气铝粉； 调节剂： 天然石膏， 粉磨细度2 0 0 目 筛筛余8 ； 稳泡 剂： 北京金隅加气混凝土公司生产线上所用的稳泡剂。 1 2 试验工艺流程( 见图2 ) 笪 王 竺 丝 图2 铜犀矿制备加气混凝土工艺流程 1 3 试验仪器及设备 w L 一 1 型微粒球磨机、 Y H 一 4 0 B 型标准恒温恒湿养护箱、 Y E S 一 3 0 0型数显液压压力试验机、 J n B 3 0 0 0 1 数字式电子天 平( 最大称量3 0 0 0 g ， 分度值0 1 g ) 、 J M B 6 0 0 2 数字式电子天 平( 最大称量6 0 0 g ， 分度值0 0 1 g ) 、 C S I O 1 3 E电热鼓风干燥 2 新型建筑材料 2 0 1 2 1 2 箱、 H H 一 1 数显恒温水浴锅、 烧杯、 搅拌棒、 蒸压釜、 日本理学 D M a x R C衍射仪、 激光粒度分布测定仪等。 1 4 正交试验 本试验由于影响因素较多， 采用正交试验设计是最理想 的选择。根 据钱嘉伟 圈 等在铜尾矿掺 量对加气混凝土性能的 影响研究可知， 在一定条件下， 随着外添硅质材料硅砂掺 量的减少、 铜尾矿掺量的增加， 加气混凝土制品力学性能不断 降低， 所以选定硅砂掺量为3 4 。 为了充分利用铜尾矿， 降低 生产成本， 还要保证加气混凝土制品具有良 好的力学性能， 应 选择较低的铜尾矿掺量为宜， 因此选用铜尾矿掺量 3 0 3 6 的配合比来安排正交试验。 本 试验 研究目 的是在确保浇注稳定的 前提下， 确定水料 比、 水泥、 石灰、 石膏、 铜尾矿的最佳配合比。根据生产经验及 试验目 标( 设计密度等级为B 0 6 级， 强度为A 3 5 ) ， 并不能确 定在加气混凝土生产中哪个因素起主要作用， 因此， 本试验采 用5 因素4 水平正交表来安排， 因素水平表如表2 所示。 表 2 铜尾矿制备加气混凝土正交试验因素水平 1 9 2 0 21 2 2 8 9 1 0 1 】 O51 05 2 05 3 O 5 4 2 正交试验设计与结果 为了安排5因素4 水平试验， 选用L ( 4 s ) 的正交表。试 验( 5 5 热水搅拌、 4 5 恒温养护、 A l 粉掺量 0 0 6 ) 次数为 l 6 次， 每组成型6 个试块( 1 0 0 m m l O 0 m m x l 0 0 m m ) ， 试验结 果如表3 所示。 从表3 试验结果可以 看出，第6 组试件绝干强度最高为 5 0 1 M P a ， 比强度最高为8 3 3 x 1 0 ， 且密度为6 叭- 5 k g m 。 。其组 合条件是A 2 B 2 C 1 D 4 E 3 。即配比P ： 铜尾矿掺量3 2 、 石灰掺量 2 0 、 水泥掺量8 、 石膏掺量6 、 水料比0 5 3 ； 本次试验中各因 素对比 强度影响的主次顺序为： A D E B C ，即铜尾矿掺量对 比强度的影响最大、 石膏掺量和水料比次之、 水泥和石灰影响 相对较小。 最佳配合比为： A 2 B 2 C 1 D 3 E 3 ， 即配比O ： 铜尾矿掺量 3 2 、 石灰掺量2 0 、 水泥掺量8 、 石膏掺量5 、 水料比0 5 3 。 为了验证铜尾矿加气混凝土配合比以及上述正交试验的 正确性，按照以 上配比P 、 Q进行验证性试验，试验次数为2 组， 每组成型6 个试块( 1 0 0 m m x l 0 0 m m x l 0 0 ra m ) 。 试验测得 配比P组试块的密度为6 0 8 6 3 k g m ， 绝干强度为5 3 3 M P a ， 如 l 2 3 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钱嘉伟， 等： 正交试验法在铜尾矿制备加气混凝土中的应用 表 3 L ( 4 5 ) 正交试验方案与试验结果 绝干比强度为8 7 5 x l 0 4 ； 配比Q组试块的密度为6 l 1 0 5 k g m ， 绝干强度为5 0 0 M P a ， 绝干比强度为8 1 9 x 1 0 。 从验证性试验结果可以看出， 按配比P制备的加气试块 的抗压强度以及比强度均高于配比Q ，因此确定低硅铜尾矿 生产加气混凝土优化配比为铜尾矿 3 2 、石灰 2 0 、水泥 8 、 石膏6 、 硅砂 3 4 ， 水料比0 5 3 ， A l 粉掺量为0 0 5 7 ， 稳 泡剂1 0 m l ( 2 2 0 0 g 干料计) 。 3 最佳配比铜尾矿加气混凝土试块的性能 3 1 抗压强度 降低A l 粉用量可以增加制品干密度， 另外， 加入少许稳 泡剂可以很好调节改善混凝土气孔结构， 最终提高制品强度。 以配比P 制备试块， 其中硅砂3 4 、 A 1 粉0 0 5 7 、 稳泡剂1 0 m l ( 2 2 0 0 g 干料计) ， 按G B 1 1 9 6 8 -2 0 0 6 蒸压加气混凝土砌块 中的规定测试， 结果如表4 所示。 表 4 按配比P制备的加气混凝土试块的抗压强度 从表4可以看出，抗压强度和密度均达到G B 1 l 9 6 8 2 0 0 6 规定的A 3 5 、 B 0 6 级加气混凝土合格品的要求，表明采 用低硅铜尾矿生产加气混凝土是可行的。 3 2 X R D分析 按试验优化配合比所制备的加气混凝土砌块的X R D图 谱如图3 所示。 图3 最佳配合 比加气混凝土试块的X R D图谱 从图3 可以看出， 低硅铜尾矿加气混凝土试样的水化产 物主要为托贝莫来石、 C S H( B ) 、 水石榴子石及未参加反应 的石英S i 0 。 水化产物中托贝莫来石、 C S H( B ) 和反应残留的 石英S i 0 ： 为铜尾矿加气混凝土的强度提供重要的保障。 4 结语 ( 1 ) 铜尾矿制备加气混凝土优化配合比为： 铜尾矿3 2 、 石灰2 0 水泥 8 、 石膏6 、 硅砂3 4 ， 水料比0 5 3 ， A 1 粉掺 量为0 0 5 7 ， 稳泡剂 1 0 m l ( 2 2 0 0 g 干料计) 。 ( 2 ) 低硅铜尾矿的掺量对加气混凝土制品强度的影响最 大， 石膏掺量和水料比次之， 水泥和石灰掺量影响相对较小。 ( 3 ) 按优化配合比制备的铜尾矿加气混凝土平均密度为 6 1 9 1 Wm ， 平均抗压强度为4 5 M P a ， 符合G B 1 1 9 6 8 -2 0 0 6 中A 3 5 、 B 0 6 级加气混凝土合格品的要求。 ( 4 ) 铜尾矿加气混凝土试样的水化产物主要为托贝莫来 石、 C S H( B ) 、 水石榴子石及未参加反应的石英S i O 。 参考文献： 1 向武 尾矿综合利用途径及其意义f J 】 矿产保护与利用 ， 1 9 9 8 ( 5 ) ： 42 - 4 4 【 2 】 郭建平， 吴甫成 ， 谢淑 容 湖南 临湘 铅锌矿尾矿 库环境状 况及开 发利用研究【 J 1 土壤通报 ， 2 0 0 7 ， 3 8 ( 3 ) ： 5 5 3 5 5 7 1 3 陈友治， 蔡云 ， 李方贤 ， 等 利用尾矿生产加气混凝土 的试验研究 J 1 广东建材 ， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 2 3 2 5 【 4 张继 能， 顾 同曾 加气混凝土 生产工 艺【 M】 武汉 ： 武汉工业大学 出 版社， 1 9 9 4 5 钱 嘉伟， 倪文， 李德忠， 等 利用低硅铜尾矿生产加气混凝土的试 验研究f J 新型建筑材料， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 2 0 2 4 A N E W BUI L DI NG MATE RI AL S 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m