利用商洛钼尾矿制备混凝土保温砌块的试验研究

李建涛，崔杰，王之宇

（1.商洛学院 化学工程与现代材料学院，陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西 商洛 726000；2.金堆城钼业股份有限公司化学分公司，陕西 渭南 714000）

能源危机是现今人类面临的重大问题之一，节能已被认为是和煤炭、石油、天然气、电力同等重要的第五能源而受到人类的高度重视[1]。我国建筑能耗比发达国家高2～3倍[2]，急需研发先进材料和技术，降低建筑能耗，新型微孔混凝土保温砌块正是在这种形势下应运而生。混凝土保温砌块具有不燃、质轻、保温、隔声和建筑物同寿命等优点[3]，从而应用广泛。

尾矿是精矿生产的副产品，我国对尾矿的综合利用率较低，大量堆存的尾矿不仅占用大量土地和农田，而且严重污染环境和危害人们健康。然而，尾矿大多属于可再利用的资源，在矿产资源日渐枯竭的今天，寻求尾矿综合利用的途径，使之变废为宝是当前迫切需要解决的问题。商洛矿产资源丰富，洛南钼矿储量较大，在开采过程积存了大量的钼尾矿，给周围的生态环境和人们的生存健康带来极大危害，存在极大的安全隐患，研究钼尾矿的综合利用具有巨大的现实意义。

本研究以水泥、石灰、石膏和钼尾矿为主要原料，铝粉为发气剂，辅以其它助剂，制备微孔混凝土保温砌块。旨在变废为宝，解决尾矿堆存所带来的环境和社会问题。

1 试验

1.1 原材料

水泥：尧柏42.5R；石灰：CaO含量大于85%，产自商洛；石膏：80目，灵寿县鹏显矿产品加工厂；铝粉：LVG-400目，淮安市楚州区恒诺金属加工厂；聚丙烯纤维：12～15 mm，郑州三联化工建材有限公司；减水剂：FND萘系高效减水剂，郑州市靖源实业有限公司；钼尾矿砂：细度模数2.0，Ⅲ区细砂，按照GB 6566—2001《建筑材料放射性核素限量》对钼尾矿砂放射性核素226Ra、232Th、40K的比活度进行了测试，结果表明，洛南某企业尾矿库的钼尾矿砂属于A类装修材料，使用不受限制，其化学成分见表1，粒度分布特性见表2。

表1 钼尾矿砂的化学成分 %

表2 钼尾矿砂的粒度分布特性

1.2 主要仪器设备

水泥砂浆搅拌器：JJ-5；微机控制电子万能试验机：WDW-50；电子天平：APTP457A；烘箱：DHG-9070A；导热系数测试仪：DRM-1；养护箱：自制。

1.3 试验方法

将水泥、钼尾矿砂、石灰、石膏、聚丙烯纤维、水、减水剂按一定配比加入搅拌器，转速1000 r/min，搅拌8 min；把铝粉加入少量水中分散后，倒入搅拌器，继续搅拌1～2 min；然后迅速浇注入事先涂过脱模剂的模具中，放入恒温养护箱内于50℃静置养护2 h；拆模后置于30℃、湿度90%的标准养护室内继续养护28 d。取出，进行性能测试[4-9]。

1.4 保温砌块制备试验正交设计

在前期单因素试验的基础上进行L9（34）正交试验，因素水平见表3。其中水泥用量为400 g，钼尾矿砂用量为2028 g，石膏用量为178 g，聚丙烯纤维80.00 g，减水剂15.00 g，加水量1292 g，恒定。以砌块抗压强度和干密度为指标，确定发泡条件。

表3 保温砌块制备正交试验因素-水平

1.5 测试方法

1.5.1 浆体稠度

测试料浆稠度的仪器由内径为Φ（50±0.1）mm，外径为Φ60mm，高为（100±0.1）mm的不锈钢筒体和面积为 40cm×40 cm的玻璃板组成。

将制备好的料浆均匀地注入圆筒，以钢直尺沿圆筒上端面刮去多余的料浆，并垂直提起圆筒，整个动作必须在30 s内完成。然后用直尺测试整个料浆的扩散度。以2个扩散度的算术平均值作为料浆的稠度值。

1.5.2 浆料温度

采用量程大于100℃的温度计插入料浆中测试料浆不同时段的温度变化。

1.5.3 砌块外观

通过目视观察试件的表面颜色及平整度等表面特性。

1.5.4 砌块干密度

取3块养护好的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块检查外观尺寸，量取长、宽、高3个方向尺寸，精确至1 mm，计算出试件的体积平均值V，并称取试件的质量平均值M0，精确至 1 g。

将上述3块试件放入干燥箱内，在60℃下保温24 h，再在105℃下烘至恒质算出平均值M0。砌块的干密度为：R0=M0×106/V，单位为 kg/m3。

1.5.5 砌块强度

砌块的强度试验参照GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》，采用济南恒瑞金试验机有限公司生产的WDW-50微机控制电子万能试验机进行。

1.5.6 砌块干缩值

砌块的干燥收缩值参照GB/T 11969—2008进行测试。

1.5.7 砌块导热系数

砌块的导热系数参照GB/T 11969—2008，采用湘潭仪器有限公司生产的DRM-1型导热系数测定仪进行测试。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果

混凝土保温砌块正交试验结果见表4。

表4 正交试验结果与极差分析

由表4可以看出，各因素对混凝土保温砌块抗压强度的影响大小依次为：A＞D＞B＞C，即石灰掺量影响最大，这实质上是碱度对发泡状况的影响最大，从而决定了砌块的空隙和结构，反映在砌块的抗压强度上，再结合均值来看，混凝土发泡的最佳条件为：A1B1C2D2，即石灰用量为350 g，铝粉用量为11.00 g，加入发泡剂后的搅拌时间为90 s，发泡浆体温度为40℃，在此条件下制备的混凝土保温砌块抗压强度为6.13 MPa，干密度617 kg/m3。结合表4中对应的砌块干密度来看，砌块的干密度小于625 kg/m3，达到GB/T 11969—2008中B06合格品的要求。

由干密度极差分析可知，各因素对混凝土保温砌块干密度的影响权重为：A＞B＞C＞D，即石灰的加入量对干密度的影响最大，其次是铝粉的用量，而搅拌时间和发泡温度的影响大小相当，由此可推测，碱度对铝粉发泡反应的速度和泡的特性有较大的影响作用。结合均值，以对干密度的影响来看，最佳条件为：A3B3C1D3，即石灰用量为450 g，铝粉用量为13.00 g，加入发泡剂后的搅拌时间为60 s，发泡浆体温度为45℃。这一结果与事实规律极其相符，该最佳条件中石灰用量、铝粉用量和温度均为最大值，即碱度越高，发泡剂铝粉越多，水温越高，越有利于气泡的生成，气泡越丰富，最终砌块的密度就越小。搅拌速度过慢，搅拌不充分，原材料不能充分接触，不利于发泡反应的进行；但是搅拌速度过快，则不利用稳泡，因为搅拌速度过快会使得小泡破裂聚集成大气泡，大气泡容易破裂，气体逸出，如此气泡不能在砌块中稳定的存在，结果是砌块的干密度就会增大。所以其它3个因素都为最大时，搅拌时间却是所选的3个水平中最小的最优，原因就是60 s这个搅拌时间不仅能够使反应物充分混合均匀，同时又能达到稳泡的目的。以此条件制得的砌块测定其干密度为526 kg/m3，比9组试验所得砌块的干密度均小，但是抗压强度却仅为2.93 MPa，不达标。因为砌块中气泡过大过多，承受压力的强度就会急剧下降。

综上，砌块制备最佳条件暂定为：A1B1C2D2，即石灰用量为350 g，铝粉用量为11.00 g，加入发泡剂后的搅拌时间为90 s，发泡浆体温度为40℃。

2.2 追加试验

鉴于正交试验确定的原料配比组成中石灰和铝粉的用量均为最小，再以石灰用量为300 g、铝粉用量为10.00 g，其它组分和条件不变，制备保温砌块，通过测试得到其抗压强度为6.37 MPa，密度为763 kg/m3，虽然抗压强度有所提高，但是密度增大显著，故确定正交试验的结果为最佳发泡条件。

2.3 最佳发泡条件试验

按最佳发泡条件制备的砌块的性能测试结果见表5。

表5 最佳发泡条件制备的保温砌块性能

由表5可见，按最佳发泡条件制备的混凝土保温砌块的性能符合GB/T 11969—2008中B06级合格品要求，并且多项指标符合优等品要求。

2.4 混凝土保温砌块各组分的作用分析

水泥是生产砂加气混凝土的胶凝材料，主要起调节料浆性能作用，改善稠化速度，提高制品的强度，本实验所用的42.5R为早强水泥，使得浆体能够在短时间能具有足够的强度。

钼尾矿砂是混凝土保温砌块强度的主要来源，本实验利用当地尾矿砂代替河砂，旨在减少河砂的开采，利用堆积的尾矿，变废为宝，保护环境，降低生产成本，提高经济效益。

石灰的化学成分主要是氧化钙，与水反应生成氢氧化钙，同时产生大量的热。不仅增加了浆体的碱度，也使得浆体的温度在短时间内升高，为铝粉快速充分发泡提供了条件，提升水泥的水化速度，另外，石灰也会与水泥组分反应生成硅酸钙，提高砌块的强度。

铝粉的作用是在料浆中与Ca（OH）2进行化学反应放出氢气，形成细小而均匀的气孔，使混凝土砌块具有良好的气孔结构。铝粉在碱性介质中的发气反应[10]如下：

因为铝粉的活性很强，在空气中会生成致密的氧化物，阻碍反应继续进行。混凝土料浆中的水泥和石灰呈较强的碱性，在水的作用下首先会发生下列反应：

可以看出，发气剂的主要作用是在料浆中进行化学反应，放出气体形成细小而均匀的气泡，使混凝土砌块具有多孔结构，达到轻质目的，提高料浆碱度可以有效促使铝粉发气。

加入聚丙烯纤维的主要目的是提高砌块的强度，短纤维纵横交错地穿插于水泥、砂子等其它组分之间，起到加强筋的作用，从而提高了砌块的强度。

减水剂能减少拌合用水量、提高混凝土强度，能够对水泥起到分散作用和润滑作用，改善水泥的和易性。

3 结语

（1）影响发泡砌块抗压强度大小的顺序为：石灰用量>发泡温度>铝粉用量>搅拌时间，得出的最佳条件为：A1B1C2D2，即石灰用量为350 g（水泥质量的87.5%），铝粉用量为11.00 g（水泥质量的2.75%），加入发泡剂后的搅拌时间为90 s，浆体发泡温度为40℃，在此条件下制备的混凝土保温砌块抗压强度为6.13 MPa，干密度为617 kg/m3。

（2）影响发泡砌块干密度大小的顺序为：石灰用量>铝粉用量>搅拌时间>发泡温度，得出的最佳条件为：A3B3C1D3，即石灰用量为450 g（水泥质量的112.5%），铝粉用量为13.00 g（水泥质量的3.25%），加入发泡剂后的搅拌时间为60 s，浆体发泡温度为45℃，以此条件制得的砌块测定其干密度为526 kg/m3，比9组试验所得砌块的干密度均小，但是抗压强度却仅为2.93 MPa，不达标。

（3）最终确定的工艺条件为：石灰用量为水泥质量的87.5%，铝粉用量为水泥质量的2.75%，加入发泡剂后的搅拌时间为90 s，浆体发泡温度为40℃。在此条件下制备的混凝土保温砌块性能符合B06级合格品要求，并且多项指标符合B06级优等品要求。

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