聚丙烯纤维和高效减水剂双掺对铁尾矿粉泡沫混凝土抗冻性能的影响*

肖力光　李　杨　张士停

(吉林建筑大学材料科学与工程学院,长春　130118)



聚丙烯纤维和高效减水剂双掺对铁尾矿粉泡沫混凝土抗冻性能的影响*

肖力光李杨张士停

(吉林建筑大学材料科学与工程学院,长春130118)

摘要：铁尾矿粉泡沫混凝土由铁尾矿粉、水泥、粉煤灰、高性能矿物掺合料、泡沫剂、聚丙烯纤维、聚羧酸系高效减水剂等制成.本实验研究了聚丙烯纤维和聚羧酸系高效减水剂双掺对铁尾矿粉泡沫混凝土抗冻性能的影响及其微观结构，实验结果表明，聚丙烯纤维和聚羧酸系高效减水剂双掺大大提高了铁尾矿粉泡沫的抗冻性能，使铁尾矿粉泡沫混凝土的孔微观结构有了明显的改善.

关键词：铁尾矿粉综合利用；聚丙烯纤维；羧酸系高效减水剂；泡沫混凝土

0引言

铁尾矿粉是铁矿石经加工、磁选后排放的一种矿物废料，我国铁尾矿资源丰富，堆存量接近50亿t，尾矿占地面积大，由于储量巨大造成了严重的安全隐患[1].由于矿山尾矿已磨细，常渗流溢出，刮风扬尘，严重污染环境，尾矿的资源化是世界各国的高度重视的研究课题[2-5]，将尾矿应用到建筑材料中是解决尾矿综合利用的有效途径，因此，利用铁尾矿制造泡沫混凝土对于尾矿综合利用具有重要意义，而在北方严寒地区泡沫混凝土的抗冻性是最重要的技术关键.

1实验原材料及其性能

(1) 铁尾矿粉.SiO261.49，Al2O 5.84，Fe2O312.78，CaO 6.84，MgO 2.96，SO31.41，粒径小于0.3mm；

(2) 水泥.42.5强度等级普通硅酸盐水泥；

(3) 聚丙烯纤维.直径μm300，密度900(kg·m-3)，抗拉强度400MPa，弹性模量<8GPa，长度15mm，拉伸率165%.

(4) 粉煤灰.堆积密度﹤750kg/m3，SiO2和Al2O3﹥70%，烧失量﹤8%，活性指数(28d)﹥85%；

(5) 减水剂.使用自制的具有早强功能的聚羧酸系高效减水剂.

(6) 发泡剂.采用动物蛋白与植物的复合型发泡剂，发泡倍数≥20，1h沉降距≤70mm，1h泌水率≤70%.

2实验过程

2.1　专用聚羧酸系高效减水剂的制备

装有搅拌器的容器中加入一定量的甲基烯丙醇聚氧乙烯醚和去离子水，与恒温水浴中加热，待原料全部溶解并升温到一定温度后，分别用恒流泵开始滴加丙烯酸、甲基丙烯磺酸钠和引发剂溶液，反应结束后，自然降温至40℃左右，然后用NaOH溶液中和，调节反应产物的pH值为7.0，制得具有早强功能的聚羧酸系高效减水剂，经测试掺量为0.4%时，减水率可达到40%以上.

2.2　铁尾矿粉泡沫混凝土的制备

再将制备的泡沫加入到含水泥、铁尾矿粉、粉煤灰、聚丙烯纤维、聚羧酸系高效减水剂、水及外加剂组成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、养护等工序制备出铁尾矿粉泡沫混凝土.

3实验结果与讨论

3.1　专用聚羧酸系高效减水剂的结构表征

制备的专用聚羧酸系高效减水剂的红外光谱如图1所示.

从图1可以看出，在1572cm-1,1724.2cm-1处有羧基(-COO-)的吸收振动峰；在1273.2cm-1处有磺酸基团(-SO3-)的伸缩振动峰；2883.9cm-1,3463.9cm-1处有聚醚基团(-C-O-C-)的伸缩振动峰；在1103.2cm-1处有聚醚基团(-C-O-C-)的特征吸收峰.结果表明，合成的减水剂的分子结构中含有醚基(-C-O-C-)、羧基(-COO-)、磺酸基团(-SO3-)等功能基团.

图1 减水剂红外光谱图

3.2　专用聚羧酸系高效减水剂对铁尾矿粉泡沫混凝土强度的影响

专用聚羧酸系高效减水剂掺量对铁尾矿粉泡沫混凝土强度的影响实验结果见图2.

图2 减水剂掺量对铁尾矿粉泡沫混凝土强度的影响

由图2可以看出，专用聚羧酸系高效减水剂可使铁尾矿粉泡沫混凝土抗压强度显著提高，当减水剂的掺量达到0.3%时，铁尾矿粉泡沫混凝土的7d和28d抗压强度达到最大值.

3.3　聚丙烯纤维和专用聚羧酸系高效减水剂双掺对铁尾矿粉泡沫混凝土抗冻性的影响

本实验选用表观密度为900级的试块，聚丙烯纤维掺量分别为0.5%,1%,1.5%,2%(A1-A4)，专用聚羧酸系高效减水剂掺量分别为0.1%,0.2%,0.3%,0.4%(A5-A8)的铁尾矿粉泡沫混凝土与空白样(A0)进行研究，实验结果见表1.

表1 铁尾矿粉泡沫混凝土25次和50次冻融实验结果　(%)

从表1可以看出，随着专用聚羧酸系高效减水剂和聚丙烯纤维掺量的增加，铁尾矿粉泡沫混凝土的抗冻性明显提升.减水剂掺量为0%的铁尾矿粉泡沫混凝土，冻融25次和50次的质量损失率分别为3.3%，4.1%，强度损失率分别为5.4%，14.2%；减水剂掺量为0.1%的铁尾矿粉泡沫混凝土质量损失率分别降低到2.7%，3.2%，强度损失率分别降低到3.6%，9.9%；当聚丙烯纤维掺量为0.05%时，质量损失率分别为2.8%，3.4%，强度损失率分别为3.8%，10.1%；当减水剂掺量增加到0.4%时，冻融25次和50次的铁尾矿粉泡沫混凝土质量损失率均降到了2.6%以下，强度损失率分别降低到了2.8%和5.7%左右.这是由于混凝土的抗冻性与其内部的孔结构和其自身的水灰比的大小有关，当混凝土中减水剂掺量增加时，在保持塌落度和水泥用量不变的情况下，由于减水剂的分散作用，水的用量会大幅度减少，从而降低了水灰比.低水灰比可降低混凝土中的毛细孔、有害孔的形成，还可以改善其内部的孔结构，使孔径分布更加均匀.聚丙烯纤维掺量增加时可改善铁尾矿粉泡沫混凝土的孔结构，使孔分布更加均匀，因此，随着专用聚羧酸系高效减水剂和聚丙烯纤维掺量的增加，铁尾矿粉泡沫混凝土的抗冻性能也随之升高.

3.4　铁尾矿粉泡沫混凝土的微观结构

本实验选用表观密度为900级，聚丙烯纤维掺量为0%和1%的铁尾矿粉泡沫混凝土，对其孔结构进行了微观分析，孔的微观结构如图3所示.

图3 铁尾矿粉泡沫混凝土的微观结构

通过图3可以发现，未将聚丙烯纤维掺入铁尾矿粉泡沫混凝土中时，在其气孔孔壁和孔的间隙中有细小的裂纹，大孔比较多.将聚丙烯纤维和专用聚羧酸系高效减水剂掺入到泡沫混凝土中，其内部的孔结构有了明显的改善，细小的裂纹明显减少，大孔减少，小孔增多，孔的分布相对均匀，孔隙率提高，独立的封闭孔多，而且孔壁结构比较完整，因此，聚丙烯纤维和专用聚羧酸系高效减水剂双掺的铁尾矿粉泡沫混凝土力学性能和热工性能好.

4结论

聚丙烯纤维和专用聚羧酸系高效减水剂双掺大大提高了铁尾矿粉泡沫的抗冻性能，使铁尾矿粉泡沫混凝土的孔结构有了明显的改善，大孔减少，小孔增多，孔的分布相对均匀，孔隙率提高，独立的封闭孔多，孔壁结构比较完整，因此其力学性能和热工性能明显提高.制备的铁尾矿粉泡沫混凝土具有强度高，保温性能好的特点，为铁尾矿粉的综合利用开辟了新的途径.

参考文献

[1] Pradi P.Benefieiation of alumina-rieh Indian iron or eslimes[J].Metals Materials and Proeesses,1995,6(3):179-194.

[2] Goverdina E,Fahraeus-VanRee,Jerry F.Payne.Endoerine disruption in the Pituitary of white sueker(Catostomus commersoni) eaged in a lake contaminated with iron-oremined tailings[J].Hydrobiologia,2005,532:221-224.

[3] Heinz Seidel,Kati Gorseh.Immobilization of arsenic in a tailings material by ferrous iron treatment[J].Water Research,2005,39:4073-4082.

[4] 肖力光,李睿博,崔正旭.利用铁尾矿替代细石英砂配制聚合物水泥砂浆的研究[J].混凝土,2012(3):115-117.

[5] XIAO Liguang,LIU Chang,ZHANG Shiting.Influences of Admixtures on Properties of Foam Concrete with Iron Tailings[J].Key Engineering Materials.2014,59:61-65.

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本刊编辑部

The Study of Effects on the Resistance to Freezing-thawing of

Foam Concrete with Iron Tailings Mixed with Polypropylene Fiber

and Polycarboxylate Superplasticizer

XIAO Li-guang，LI Yang，ZHANG Shi-ting

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：Foam concrete with iron tailings is prepared by iron tailings,cement,fly ash,mineral admixtures with high performance,foaming agent,polypropylene fiber,polycarboxylate superplasticizer,et al.In this study, the influences on the resistance to freezing-thawing of foam concrete with iron tailings mixed with polypropylene fiber and polycarboxylate superplasticizer were investigated,and its microstructure was observed.The results show that the resistance to freezing-thawing of foam concrete with iron tailings is greatly increased by adding polypropylene fiber and polycarboxylate superplasticizer,and the microstructure of pore in foam concrete is improved obviously.

Keywords:the comprehensive utilization of iron tailings；polypropylene fiber；polycarboxylate superplasticizer；foam concrete

*基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAJ05B03)；吉林省科技发展计划重大攻关项目(20130204009SF).

作者简介：肖力光(1962~)，男，吉林省长春市人，教授，博士.

收稿日期：2014-11-10.

中图分类号：TU 5

文献标志码：A

文章编号：2095-8919(2015)03-0001-04