花岗岩渣粉制备蒸压加气混凝土的试验研究

刘 敏，杨赞中，丁 琪，吴奇阳，王永在，周薛霞

(1.山东理工大学材料科学与工程学院，淄博 255049；2．山东理工大学分析测试中心，淄博 255049)



花岗岩渣粉制备蒸压加气混凝土的试验研究

刘 敏1，杨赞中1，丁 琪1，吴奇阳1，王永在2，周薛霞1

(1.山东理工大学材料科学与工程学院，淄博 255049；2．山东理工大学分析测试中心，淄博 255049)

利用花岗岩渣粉为硅质原料制备蒸压加气混凝土，以抗压强度为表征指标，通过单因素变量试验讨论了各种配料对制品性能的影响，正交试验确定了原料的最佳配合比，探讨了蒸压养护制度与性能的关系。结果表明，配料对制品性能的影响程度依次为水料比、生石灰、水泥和石膏，蒸压温度和时间决定着水化硅酸钙的产率及结晶度，各因素之间互相协调、制约，合理的配合比和蒸压制度是形成良好孔结构和性能的关键因素。实验条件下，按水料比为0.60，石渣粉∶生石灰∶水泥∶石膏=66∶19∶10∶5，铝粉膏0.13%配料，1.2MPa(188 ℃)下恒压7h，得到体密度493.8kg/m3、抗压强度4.4MPa、导热系数0.119W/(m·K)的制品。

花岗岩粉； 蒸压加气混凝土； 抗压强度； 物料配合比； 蒸压制度

1 引 言

花岗岩作为一种广泛应用的装饰石材，在开采和切割加工过程中产生大量的渣粉，造成严重的环境污染和资源浪费。随着社会节约及环保意识的增强，花岗岩渣粉的无害化处理亟待解决。蒸压加气混凝土(AutoclavedAeratedConcrete，简称AAC)是硅质和钙质原料经制浆发气和蒸压养护而成的多孔硅酸盐材料[1-2]，具有轻质、保温、隔热、吸声、防火等性能特点，广泛用于建筑节能领域[3-5]。特别是，蒸压加气混凝土可利用富硅质固体废弃物作原料，有效降低成本，实现资源循环利用，因而倍受关注。

一直以来，利用固体废弃物制备加气混凝土的研究，主要集中在石英尾砂[6-7]、粉煤灰[2,8]和尾矿渣[9-11]等方面，而对花岗岩渣粉的研究报道较少见。近年，刘家弟[12]尝试利用渣粉制备蒸压加气混凝土，讨论了原料性质及养护制度等对制品性能的影响。桂苗苗[13]、蔡振哲[14]分析了不同原料体系加气混凝土的力学性能和水化产物，发现渣粉和粉煤灰、石英砂等制品的力学性能差异不大，而结晶相类型和水化产物的形貌不同。SarbjeetSingh[15]等将25%的渣粉添加到混凝土中，结果生成了更多的C-S-H水化硅酸钙和钙矾石等矿物相，由此提高了制品的抗碳化和耐酸蚀性能。这些研究，从不同角度对花岗岩渣粉制备加气混凝土作了有益的探索。但是，由于渣粉的成分复杂，化学反应活性较差，制备工艺不易控制，影响了制品的性能和渣粉的大量应用。本文以抗压强度为表征指标，通过单因素变量试验研究各种配料的影响规律，正交试验确定原料的最佳配合比，并探讨蒸压养护制度与制品性能的关系。

2 实 验

2.1 原料与试剂

花岗岩渣粉取自某石材加工基地废渣场，球磨至180目(80μm方孔筛筛余小于25%)。主要化学成分(质量分数)为：SiO270.90%，Al2O314.82%，Fe2O31.66%，CaO1.71%。矿物成份主要为石英、钾长石、斜长石，含少量云母及微量的赤铁矿等。

生石灰用市售中速石灰，消化时间9min，消化温度86 ℃，有效CaO约为85%，180目筛余8%。

水泥为P·O425普通硅酸盐水泥，主要成分及质量分数为CaO59.4%，SiO219%，Al2O36.95%。初凝时间1～3h，终凝时间3～6h。

石膏取自热电厂排放的脱硫石膏，主要化学成分(质量分数)为：CaO43.4%，SO351.2%，SiO22.54 %，用以调节石灰的消解速度，使生石灰消解和料浆稠化速度相适应，同时也提供部分钙质成分参与水化反应。

发气剂采用市售铝粉膏，固体份含量为68%，其中活性铝含量85%。

稳泡剂用脂肪酸皂(C17H33COONa，化学纯)，为表面活性物质，以增加气泡壁的机械强度和降低液体的表面张力，稳定料浆中的气泡，利于形成良好的气孔结构。

2.2 测试与表征

试样干密度、抗压强度参照《蒸压加气混凝土性能试验方法》(GB/T11969-2008)进行。

导热系数参照《绝缘材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》(GB/T10294-2008)测定。

2.3 石粉AAC的制备

图1 花岗石粉制备AAC的工艺流程Fig.1 Preparation flow diagram of AAC with granite powder

按计量比将石粉和石膏加水混匀，再加入石灰和水泥并快速搅拌2min，然后加铝粉膏及0.1%的脂肪酸皂，继续搅拌40s(料浆温度控制在(38±2) ℃)成浆，注入10cm×10cm×10cm三联模内，于45 ℃水浴条件下发气预养2.5～3h后脱模；将坯体移入蒸压釜内，以3.5 ℃/min的速率升温至釜压0.88MPa(174.5 ℃)以上，饱和蒸汽中恒压5～9h，降温出釜得到样品，制备工艺流程如图1所示。

3 结果与讨论

3.1 各种物料对性能的影响

为了探讨物料掺量对AAC抗压强度的影响规律，设计了单因素变量试验。各变量的取值范围分别为：石灰16%～21%，水泥6%～11%，石膏3%～8%，水/固比0.57～0.63，铝粉膏取总干基物料量的1.1‰～1.5‰，渣粉量随其它变量的改变而增减，按干密度500kg/m3配料，蒸压条件为1.2MPa、恒压6h制样。通过考察试样的抗压强度和/或体密度变化，研究各因素的影响规律，结果如图2～图6所示。

3.1.1 石灰掺量对性能的影响

由图2可见，试样的抗压强度随生石灰用量增大而增大，当添加量为18%时，抗压强度达到最大值，之后略有下降。分析认为，由于CaO水化产生的OH-破坏了花岗石粉颗粒表面的Si-O和Al-O键，使Si-O-Si(Al)网络聚合体的聚合度降低，形成游离的不饱和活性键，从而提高了活性SiO2和Al2O3的溶出率。

蒸压条件下，CaO与活性SiO2水热反应生成水化硅酸钙(主要为托勃莫来石、CSH(I)胶凝和水石榴子石)，并与未反应的物料颗粒结合在一起，提高了混凝土的强度。但是，由于石灰消化产生的热量促进料浆的稠化，添加量较少时，料浆流动性好，稠化滞后于发气速度，难以形成封闭的气孔结构；添加量过大时，料浆的稠化速度加快，发气迟缓，易造成坯体憋气，后期的发气造成通孔，甚至回落、塌模，增加了试样干密度。并且，石灰过量，而活性SiO2的溶出量不足，导致CaO过剩，易生成强度低的高碱水化物，使试样强度降低。因此，石灰的用量对发气和水化都有重要影响，是决定产物强度的关键因素。

图2 生石灰添加量对干密度和抗压强度的影响Fig.2 Bulk density and compressive strength of samples vs lime content

图3 石膏用量对干密度和抗压强度的影响Fig.3 Bulk density and compressive strength of samples vs gypsum content

3.1.2 石膏的作用及掺量对性能的影响

由图3的变化曲线可知，石膏添量的变化对制品的体密度和抗压强度都有较显著的影响。随着石膏量的增加，体密度稍有提高，主要由于石膏抑制了生石灰消化，延长了消化时间，降低了消化温度和碱度，使铝粉发气速度减缓，致使气孔孔径变小，体密度随之增加。

从图3还可以看出，石膏掺量增加，强度随之提升。当掺量从3%增加至6%时，绝干强度升至最大值。这是因为石膏调节了生石灰的消化，使料浆的发气-稠化速度相匹配，改善了气孔结构；并且，石膏起到一种催化剂的作用，加速了水化产物的形成，提高了水化物的产量。

尤其是可促进水化反应的进行，使CSH(I)向托贝莫来石转化，提高制品强度，并可降低材料的收缩值。继续提高石膏的掺量，制品的强度反而下降，是由于石灰消化受到过度抑制，导致铝粉发气时间太长，制品的通孔率提高，结构遭到破坏所致。适宜的石膏掺量为6%左右，考虑到不同的石灰的活性有差异，为了便于原料的选择，石膏的掺量以相当于石灰活性的25%左右为宜。

3.1.3 水泥添加量对性能的影响

根据图4的实验结果，随着水泥掺量的增加，试样干容重在480～500kg/m3之间波动，没有明显的规律，意味着水泥对干密度的影响不大；抗压强度随水泥量的增加而增大，添量大于10%时，强度略有下降，表明对强度有一定影响。分析认为，水泥中富含硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)等，尤其是C3S，水化时析出CaO及3CaO·2SiO2·H2O胶体，CaO可以提高料桨碱度，还能使水化热升高，有利于铝粉发气和料浆稠化；而产生的硅酸钙胶体很快转化为2CaO·SiO2·H2O胶体，有利于提高坯体的初期强度。

水泥适量时，水化增加了体系的CaO含量，提高了料浆碱度和SiO2溶出率，促进了水化硅酸钙的生成，强度得以提高。水泥添加过量，体系中的CaO含量和料浆碱度过高，易形成强度差的高碱水化物和过量CSH凝胶相，使得坯体透气性差，蒸压过程中的水热反应受阻，从而影响了样品的最终强度。因此，加入适量的水泥，可使料浆具有良好的浇注稳定性，促进料浆凝结硬化，提高坯体的强度，缩短坯体的静停时间。

图4 水泥添加量对干密度和抗压强度的影响Fig.4 Bulk density and compressive strength of samples vs cement content

图5 水料比对干密度和抗压强度的影响Fig.5 Bulk density and compressive strength of samples vs water-solid ratio

3.1.4 拌合水量对性能的影响

从图5可见，随水料比的增加，试样的体密度呈降低趋势，抗压强度则先增大后减小，水料比为0.59时的强度最高，达4.0MPa。这表明，随着水料比的增加，料浆的流动性变好，稠化速度变缓，发气越来越顺畅。水料比为0.59时，发气速度与料浆稠化速度相匹配，形成气孔结构良好、孔径分布均匀的坯体，获得了高强度的制品。水料比过小时，料浆的流动性较差，稠化速度大于发气速度，气泡的剪应力小于料浆的粘力，易造成憋气，结果导致强度差，且体密度偏大；反之，水料比过大，料浆的稠化速度小于发气速度，料浆黏度小，裹不住气泡，易形成通孔，甚至塌陷，降低了试样的强度，同样会使得体密度加大。因此，水料比适当，可使料浆保持适宜的极限剪切应力，具有良好的膨胀性能和保气能力，从而形成良好的气孔结构，获得性能较好的加气混凝土。

水热合成反应需经过原材料在液相中的溶解、过饱和析晶、晶体长大形成结晶结构等过程。适量的水分能够使水化后的Ca(OH)2和原料中的SiO2快速溶出到液相中，然后结合为各种组成的水化硅酸钙，对制品的抗压强度产生不同的影响。适宜的水料比能够合成结晶程度较高的托勃莫来石，提高制品的力学性能。

3.1.5 发气剂用量对制品性能的影响

图6 铝粉添量对干密度和抗压强度的影响Fig.6 Bulk density and compressive strength of samples vs dosage of aluminum powder-paste

从图6可知，随着铝粉用量的增加，制品干容重和强度皆呈下降趋势。按1.1‰～1.5‰添加铝粉膏，试样的干密度由543kg/m3减小至465kg/m3，强度从4.8MPa相应降至3.2MPa。这表明，调整铝粉膏的添量可制备出不同密度和强度要求的样品。

铝粉膏在碱性料浆中反应，产生氢气，即2Al+3Ca(OH)2+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+3H2↑，料浆形成细小、均匀的气孔，使混凝土具有多孔结构。理论上，根据气态方程T1/V1=T2/V2，1g纯铝粉45 ℃(发气温度)下产生1.44L的氢气，由此可计算出不同密度样品所需用的铝粉量。由于发气过程中的气体逸失等影响，易出现料浆的发气量不足问题，因此铝粉膏的实际用量需增加10%左右。

当然，降低样品容重，一味的增加铝粉量并不可取。一方面，铝粉添量过大，发气剧烈，料浆稠化速度滞后于发气速度，导致塌模、冒泡沸腾等问题；另一方面，低密度势必带来试样强度低，影响了加气混凝土的实用性。因此，需根据设计密度和强度要求调整物料配合比及工艺参数，保证浇注稳定，方可获得良好孔结构和性能的制品。

3.2 渣粉AAC的最佳配合比

通过上述试验研究，查明了各因素对试样性能的影响趋势。为了确定原料的最优配合比，采用L9(34)进行正交试验。设定铝粉膏为0.13%，按表1配料制备体密度为500kg/m3级的样品，考察试样性能。结果如表2所示，其中k1、k2、k3是各因素的第1水平、第2水平和第3水平的考察指标值之和；R(极差)为k1、k2、k3中最大与最小值之差，反映了该列因素对材料考察指标的影响程度，即R越大，该列因素对考察指标的影响越大。

表1 L9(34)正交试验因素与水平

注：花岗石渣粉用量随其它变量的改变而变化，为63%～68%。

表2 L9(34)正交试验方案与结果

通过表4对各因素的不同水平进行比较可知，各水平的影响程度分别为A2>A1>A3；B1>B2>B3；C2>C3>C1；D3>D2>D1。比较极差R可知，各因素对试样强度的影响程度为D>A>C>B，其中水料比对抗压强度的影响显著，其余依次是石灰、水泥和石膏。各因素之间相互影响和制约，只有各物料组份匹配适宜时，方可保证形成良好的孔结构，并进行充分的水热反应，得到性能优良的制品。综合以上分析，渣粉制备500kg/m3级蒸压加气混凝土的最佳物料配比为A2B1C2D3，即石粉∶生石灰∶水泥∶石膏=66∶19∶10∶5，水料比为0.60。

3.3 蒸压制度

以上述研究确定的最佳配比为基础，仍按干密度500kg/m3进行制坯，设定恒压时间为6h，分别在0.9～1.3MPa蒸压养护，考察出釜样品的强度，由此确定最优的蒸压压力(温度)；然后，以得到的最优蒸压压力为基础，分别将坯体保压5～9h，考察恒压时间对样品强度的影响，得到优化的恒压时间。结果分别如图7、图8所示。

图7 蒸压压力对样品抗压强度的影响 (恒温6 h)Fig.7 Compressive strength of samples vs steam pressure(pressure holding time is 6 h)

图8 恒压时间对样品抗压强度的影响(恒压1.2 MPa)Fig.8 Compressive strength of samples vs pressure holding time(steam pressure is 1.2 MPa)

图9 花岗岩渣粉AAC剖面的数码照片Fig.9 Digital photograph of granite dust AAC

图7反映了蒸压压力对试样抗压强度的影响，随着蒸压压力升高，样品的抗压强度呈上升趋势。理论上，托勃莫来石的生成温度为174.5 ℃(0.88MPa)。压力较低时，水热反应缓慢且晶体生长转化不彻底，托勃莫来石的生成量少，水化产物主要是CSH(I)相，制品性能较差。随着温度(压力)上升，石粉中的SiO2和Al2O3溶出加速，增加了托勃莫来石等水化硅酸盐的生成量，样品的抗压强度随之增大。压力为1.2MPa时样品的抗压强度达到4.3MPa，进一步升高釜压，强度增加甚微。通过XRD半定量分析，1.1MPa和1.2MPa下蒸压出的样品中，托勃莫来石的含量分别为21.4%和29.3%，进一步印证了上述分析。综合考虑设备要求、制备成本和使用性能要求等方面的因素，蒸压压力以1.2MPa为宜。

图8分析可知，随着恒压时间的延长，抗压强度表现为先升后降的变化趋势。这意味着恒压时间较短时，内部反应不完全，生成的托贝莫来石等水化物量少且结晶程度低，导致样品强度较低。延长恒压时间至7h后，样品的抗压强度达到4.4MPa。但继续延长恒压时间，强度反而有所下降，这是因为蒸压时间过长导致托勃莫来石晶体不断长大，由于晶体生长空间的限制，晶粒之间形成内应力而导致强度降低。因此，恒压时间宜选择7h。图9为最优配方在1.2MPa下恒压7h得到的样品的剖面照片，可见其孔间壁密实，气孔圆度高且封闭性好，孔径分布在0.7～0.9mm之间。经测试，其体密度为493.8kg/m3，抗压强度达4.4MPa，导热系数为0.119W/(m·K)。

4 结 论

利用花岗岩渣粉作硅质原料，在适宜的配料比和蒸压养护制度下可制备出密度小、气孔均匀且闭气孔率高、性能好的蒸压加气混凝土。实验条件下，按优化的配比和工艺参数制备的B05级加气混凝土，抗压强度达4.4MPa，导热系数为0.119W/(m·K)。

各种配合物料对花岗岩渣粉蒸压加气混凝土的性能皆有一定的影响，以拌合水用量的影响最为显著，其余依次是石灰、水泥和石膏；各种物料之间相互协调、制约，配合比适宜可形成良好的气孔结构，并为水热反应提供充足的组分。蒸压制度(温度、气压和时间)是保证制品性能的关键因素，饱和蒸汽环境中，石粉中的SiO2与辅料中的CaO充分反应，生成结晶托勃莫来石和C-S-H凝胶相，并进一步与未反应的物料颗粒结合在一起，使制品获得高的强度。

利用花岗岩渣粉为硅质原料制备蒸压加气混凝土，实现石材加工废弃物的循环利用，不仅能够解决其占地、污染等问题，且可有效降低AAC的制备成本，为现代建筑提供性能优良的墙体保温材料。

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PreparationofAutoclaveAeratedConcretewithGraniteDust

LIU Min1，YANG Zan-zhong1，DING Qi1，WU Qi-yang1，WANG Yong-zai2，ZHOU Xue-xia1

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China;2.Analysis&TestingCenter,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Autoclavedaeratedconcrete(AAC)waspreparedusinggranitedustasthesiliceousmaterial.TheinfluencesofvariousingredientsandautoclavedconditionsontheperformancesofAACwerediscussedthroughthesinglefactorvariableexperiment,andtheoptimummixtureratioofrawmaterialwasdeterminedbyorthogonaltest.Itwasshownthattheinfluencedegree,inturn,waswater/solidratio,lime,cementandgypsum,andautoclavedtemperatureandtimedeterminedtheproductionrateandcrystallinityofhydratedcalciumsilicate.Rationalmixingratioofrawmaterialandautoclavedsystemwerekeystoexcellentpore-structureandperformance.Underexperimentalconditions,AACblock-samplewasobtainedbyadding0.13%aluminumpowder-pasteinaccordancewiththemassratioofgranitedust∶lime∶cement∶gypsum= 66∶19∶10∶5andwater/solid= 0.60,andbeingautoclavedat188 ℃ (steampressurewas1.2MPa)for7h.Thebulkdensity,thecompressivestrength,andthethermalconductivityoftheresultantwere493.8kg/m3, 4.4MPaand0.119W/(m·K)respectively.

granitedust;autoclavedaeratedconcrete;compressivestrength;mixtureratioofrawmaterials;autoclavedsystem

山东省科技发展计划(2014GZX201008)；淄博市校城融合发展计划(2016ZBXC141)；淄博市创新发展重点项目(2016CX16A011)

刘 敏(1990-)，女，硕士研究生.主要从事无机多孔材料的研究.

杨赞中,博士,教授.

TQ

A

1001-1625(2016)12-4154-07