镁渣加气混凝土砌块的力学性能研究

2021-05-10延常玉张虎彪童彧斐詹疆淮李宏波

宁夏工程技术 2021年1期

延常玉，张虎彪，童彧斐，詹疆淮，李宏波，2，3*

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏银川 750021）

加气混凝土具有质量轻、强度高、保温隔热效果好和耐火性好的特点，其作为建筑材料，可以减轻建筑自重，降低工程造价。宁夏地区产生的镁渣，位居全国第三，这些没有得到充分利用的镁渣不仅占用土地和污染环境，还会严重影响植物的生长，损害动物的呼吸系统。镁渣是一种具有潜在活性的工业废渣，镁渣和水泥的主要成分相同，主要成分的含量比例相近，利用好镁渣既可以消除对环境的污染，又可以代替部分水泥，减小水泥的用量，解决镁渣产业发展和环境保护之间的矛盾，促进宁夏地区的经济发展。加气混凝土作为一种绿色节能材料[1]，目前研究主要集中在固体废弃物作为掺合料的加气混凝土砌块的力学性能方面，固体废弃物如粉煤灰、钢渣、陶瓷废料等[2—6]。宋起运等[7]研究了矿渣加气混凝土的微观结构，牛爱宏等[8]研究了沙漠砂制成加气混凝土的力学性能。而对镁渣加气混凝土的研究比较少。本文在已有研究的基础上，研究了镁渣加气混凝土的制备，抗压强度、抗折强度的影响因素，为生产环保且性能良好的建筑材料提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 原材料

（1）镁渣：采用宁夏惠治镁业的镁渣，其化学成分见表1，重金属含量及标准见表2。由表2 可知，镁渣中重金属含量满足国家标准，可以应用于建筑材料。

（2）水泥：采用宁夏赛马牌P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，其主要性能指标见表3。

（3）发泡剂：铝粉，银白色粉末，由天津帅成超金属制品有限公司生产。

（4）石灰和石膏：由宁夏盐池县生产。

（5）硅灰和硅微粉：采用宁夏中通伟业公司生产的硅灰和硅微粉。硅灰是将工业冶炼过程中产生的烟尘，经过物理捕集、回收得到的产品，而硅微粉是将天然石英或者熔融石英经过破碎、研磨，加工而成的微粉。硅灰和硅微粉的化学成分相似，主要成分都是SiO2，其主要性能指标见表4。

表1 镁渣和水泥化学成分

表2 重金属含量及国家标准

表3 水泥的主要性能指标

1.2 试验方案及方法

1.2.1 试验方案根据已初步完成的试验配比（表5），镁渣为60 g 的加气块外观比较完整（图1～2），因此确定镁渣加气混凝土的镁渣最佳掺量为胶凝材料的60%。

制备密度为850 kg/m3的镁渣加气块，水胶比为0.51，其中胶凝材料包括镁渣、水泥、石灰、石膏、硅微粉和硅灰。镁渣加气块由水120～135 kg/m3、石膏40～45 kg/m3、石灰160～180 kg/m3、镁渣360～510 kg/m3、水泥60～90 kg/m3、硅微粉10～90 kg/m3、硅灰180～360 kg/m3、发泡剂铝粉为胶凝材料的0.10%制备。先将水泥、石膏、石灰、镁渣、硅灰、硅微粉进行搅拌直至均匀，然后加热至39～42 ℃，在40 ℃温度下调制铝粉溶液，将发泡溶液和拌制均匀的粉料混合拌制30～40 s，倒入模具，在50～60 ℃的条件下养护6 h，然后在常温下养护至24 h，试验分为5 组，配合比见表6。

1.2.2 试样强度测试根据试验配合比制备出镁渣加气混凝土，浇筑成型后制成尺寸为100 mm×100 mm×100 mm 的试件。试件成型24 h 后拆模，放入标准养护箱（相对湿度≥95%，温度20±2 ℃）内养护。达到龄期后对试件进行抗压强度和抗折强度测定，每组试件3 个，结果取其平均值。

表4 硅灰和硅微粉的主要性能指标

图1 镁渣掺量为65 g 的镁渣加气块

图2 镁渣掺量为60 g的镁渣加气块

表5 镁渣加气块试配方案

表6 试验配比

2 结果与分析

2.1 试件抗压和抗折强度分析

图3 试件抗压强度随硅微粉掺量变化

图4 试件抗折强度随硅微粉掺量变化

由图3～4 可知，随着硅微粉掺量的增大，镁渣加气混凝土的抗压强度和抗折强度都呈现先增大后减小的趋势。在硅微粉掺量为9%时，试件的抗压强度达到峰值1.97 MPa，抗折强度达到峰值0.13 MPa。

这是由于硅微粉掺量为3%时，试件中的SiO2含量较少，钙硅比较大，单位水分内钙离子含量相对比硅离子含量多，容易生成高碱水化产物，试件强度较低。随着硅微粉掺量的增大，试件中的SiO2含量增大，钙硅比减小，单位水分内钙离子含量相对比硅离子含量少，容易生成低碱水化物，因此随着硅微粉掺量增大，试件强度逐渐提高。随着硅微粉掺量继续增大，单位水分内钙离子的含量逐渐减小，消耗的水量减少，形成的水化产物数量相对减少，因此，试件强度随着硅微粉掺量继续增大而降低。

2.2 钙硅比对加气混凝土力学性能的影响

CaO 与SiO2在蒸压养护条件下，通过水热合反应生成一系列水化硅酸钙类物质[9]，可以提高混凝土的强度。因此，为了使试验原材料中的CaO 和SiO2能够充分有效反应，必须控制CaO 和SiO2维持一定的比例，原材料中CaO 和SiO2的物质的量比，称为加气混凝土的钙硅比。气孔的形状和结构会影响加气混凝土的强度，为了获得良好的孔结构，需要控制浆体的发气膨胀过程。因此，不同材料的加气混凝土的钙硅比有一个最佳值和最佳范围，水泥-石灰-粉煤灰加气混凝土的钙硅比约在0.75～0.8 左右，而水泥-石灰-砂加气混凝土的钙硅比约在0.64～0.68 左右[10]。通过试验研究，得到不同硅微粉掺量的镁渣加气混凝土钙硅比如表7 所示。

表7 钙硅比

由表7 可知，随着硅微粉掺量的增大，钙硅比逐渐减小，由图3～4 可知，随着硅微粉掺量的增大，强度呈现先增大后减小的趋势。当硅微粉掺量在6%～12%时，试件强度较高，因此，钙硅比约在1.0～1.05左右。

2.3 硅灰、硅微粉配合比对加气混凝土力学性能的影响

硅灰颗粒呈球形，极细，可以很好地填充混凝土浆体的空隙，改善混凝土浆体的密实性和均匀性，且硅灰有很强的火山灰效应，其主要成分SiO2，可以与水泥水化析出的Ca（OH）2反应，生成稳定的水化硅酸钙凝胶物质，因此，添加适量的硅灰可以大幅提高混凝土的强度。硅微粉具有较高的胶凝性和很强的吸附能力，可以提高混凝土的强度。随着硅微粉掺量的增大，硅灰掺量的减小，混凝土试块的抗压强度、抗折强度都先增大后减小，硅灰掺量在51%，硅微粉掺量为9%时，试块的抗压强度、抗折强度值最大。