大掺量石墨尾矿绿色泡沫混凝土的研究

高 东 赵海涛 仲伟程

（黑龙江省建筑材料工业规划设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150080）

黑龙江省石墨资源丰富，石墨储量占全国64%、占世界45%。全国晶质石墨年产量50万t左右，选矿尾矿年排放量600万t以上。全国晶质石墨选矿厂均建设有尾矿坝，将尾矿存放于尾矿坝内，连年累积存量巨大，占用大量土地资源，石墨尾矿的综合利用势在必行。近年来，国内石墨尾矿多用于生产免烧砖、制备承重烧结砖、烧结多孔砖、环保陶瓷生态砖、高速公路基层等方面。目前，我省只有石墨尾矿用于陶瓷、烧结砖和高速公路基层料方面的研究，石墨尾矿泡沫混凝土的研究内容相对较少。

本文利用石墨生产企业生产过程排放的大量石墨尾矿，以通用水泥为主要胶凝材料，分别加入泡沫剂、减水剂等功能性外加剂，通过对生产工艺和养护工艺的选择，制成满足绿色建筑砌体要求的泡沫混凝土，大量利废，综合利用。泡沫混凝土是通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆体等均匀混合，然后进行现浇施工或模具成型，经自然养护后形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。图1为石墨尾矿坝。

图1 石墨尾矿坝

1 原料及试验

1.1 原材料

1.1.1 石墨尾矿

石墨尾矿的矿物组成一般包括石英、长石、云母、透闪石、透辉石、方解石、硫铁矿、石墨、高岭石、钛铁矿等。尾矿的粒度组成各石墨矿之间虽有所差异，但一般粒度分布比较集中，主要集中范围在0～0.6mm。

试验选用鹤岗市萝北县石墨产业园区的石墨尾矿，筛分结果见表1，化学分析结果见表2。尾矿的化学组成以SiO2为主，其中Al2O3、Fe2O3、CaO的含量也较高，细度模数为1.3，堆积密度为1 590kg/m3，含泥量为7.8%，含水率为6.9%。

表1 石墨尾矿筛分结果

表2 石墨尾矿试验分析结果

1.1.2 水泥

水泥选用普通硅酸盐水泥P·O42.5，试验结果见表3。

表3 水泥试验分析结果

1.1.3 发泡设备和泡沫剂

发泡机选用便携式水泥发泡机，搅拌机选用快速泡沫混凝土搅拌机。

分别对D1动物蛋白水泥发泡剂、Z1植物蛋白水泥发泡剂和Z2植物蛋白水泥发泡剂进行试配试验，其中，D1水泥发泡剂稀释比例1∶20，Z1水泥发泡剂稀释比例1∶40，Z2水泥发泡剂稀释比例1∶33，D1、Z1两种发泡剂为深褐色液体，pH值为7.0，Z2发泡剂为无色透明液体，pH值为7.0。经试验试配D1动物蛋白水泥发泡剂的稳泡性更好，与石墨尾矿的适应性较好，本课题选用D1动物蛋白水泥发泡剂为课题用发泡剂。

1.1.4 外加剂

通过以往的试验经验选择了3种减水效果较好的减水剂，对3种减水剂的减水率、与水泥和石墨尾矿的适应性进行试验，本课题选用聚羧酸高效减水剂，其建议掺量为0.2%～0.3%，减水效果在30%～40%。

1.2 试验内容

1.2.1 配合比设计

本试验目的是大量利用石墨尾矿，石墨尾矿固体废物的用量应≥60%，且石墨尾矿泡沫混凝土最终满足《泡沫混凝土砌块》（JC/T 1062-2007）要求：强度等级达到≥A3.5、密度≤B08、导热系数≤0.21W/m·K、抗冻性达到严寒地区的F50要求。

通过对试验结果的分析，不断调整配合比设计及试块的养护方式，当试验拌和物中不掺加石墨尾矿时，随着泡沫的掺入量增加，试块的干表面密度、强度随之降低。当石墨尾矿掺入量为70%时，水灰比在0.5～0.6，由于石墨尾矿的大量掺加，拌合物的流动性差，拌合物中浆体较少，对石墨尾矿和泡沫的包裹差，脱模时强度低，试块破损严重，需要加入外加剂调节拌合物性能。通过试验结果分析，石墨尾矿掺入量超过60%时，拌和物和试块的性能不能达到课题的预期指标，后期试验按石墨尾矿掺入量为60%进行项目研究。石墨尾矿泡沫混凝土配合比见表4。

表4 石墨尾矿泡沫混凝土配合比

经试验验证，将石墨尾矿、水泥、减水剂和水按设计配合比搅拌均匀后，再将经发泡机制成的泡沫加入到浆体中，先慢速搅拌10s，再快速搅拌30～50s，以所加入的泡沫完全均匀地搅拌入浆体为准，通过控制拌和物的密度，调整泡沫的加入量，确保试块的密度小于830kg/m3，将搅拌均匀的泡沫混凝土浇筑到100mm的立方体模具中，在室温下养护3d后脱模，将试块放置在温度20℃±2℃、相对湿度大于95%的环境养护至龄期进行下一步试验。试验流程如图2所示。

图2 试验流程图

1.2.2 配合比的确定

按初步配合比设计试验，选择满足强度等级和密度等级的配合比作为基准配合比，在基准配合比的基础上进行下一步试验，验证其他指标，各配合比试块的密度和28d抗压强度见表5。

表5 石墨尾矿泡沫混凝土试验结果

通过对各配合比数据分析，选定A11为基础配合比进行其他指标验证，试验结果见表6。

表6 配合比验证试验结果

泡沫混凝土抗冻性的好坏，直接影响其在黑龙江省等寒冷地区、严寒地区的应用。泡沫混凝土的开口孔隙率越大，吸水率越大，则其抗冻性越差，泡沫混凝土的闭口孔隙率越大，吸水率越小，则其抗冻性越好。泡沫混凝土中掺入大量的泡沫，泡沫的形态、稳定性直接影响泡沫混凝土的闭口孔隙率，从而影响泡沫混凝土的抗冻性等性能。

不同材料的导热系数不同，泡沫混凝土的干密度、孔隙率等都影响其导热系数的大小，随着泡沫混凝土的孔隙率增大，其导热系数呈下降趋势。

1.2.3 试验方法

石墨尾矿泡沫混凝土最终应满足《泡沫混凝土砌块》（JC/T 1062-2007）要求，其规范性引用文件中对GB/T 11971-1997、GB/T 11970-1997、GB/T 11973-1997为强制引用，故试验方法按下列进行：①抗压强度按《加气混凝土力学性能试验方法》（GB/T 11971-1997）进行试验。②密度按《加气混凝土体积密度 含水率和吸水率试验方法》（GB/T 11970-1997）进行试验。③导热系数按《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》（GB/T 10294-2008）进行试验。④抗冻性按《加气混凝土抗冻性试验方法》（GB/T 11973-1997）进行试验。

2 性能分析

2.1 石墨尾矿掺加量对泡沫混凝土性能的影响

石墨尾矿的粒度较细，比重较大，掺加大量石墨尾矿的泡沫混凝土，石墨尾矿容易分层沉积在试块底部，对泡沫混凝土的均匀性、密度影响较大。

石墨尾矿的含泥量高，其中含有部分石墨成分，混凝土拌合物表面上浮石墨，引起泡沫混凝土的强度降低，出现试块表面剥离、收缩等现象。图3为泡沫混凝土表面上浮石墨、图4为水洗石墨尾矿表面石墨。

图3 泡沫混凝土表面上浮石墨

图4 水洗石墨尾矿表面石墨

2.2 泡沫对泡沫混凝土性能的影响

随着泡沫掺量的增加，泡沫混凝土的孔隙率不断增大，平均孔隙直径也增大，泡沫混凝土的干密度不断减小，泡沫的增加直接影响泡沫混凝土的内部结构和力学性能。泡沫过量加入，会导致破泡现象增加，严重时出现塌模、试块脱模破损等现象。图5为YS-500泡沫。

图5 YS-500泡沫

因石墨尾矿的比重较大，在泡沫混凝土中容易下沉，影响泡沫混凝土的均匀性，破坏混凝土的内部结构，应选择黏聚性好、韧性好、稳定性好、泡沫直径较小的发泡剂，这样的泡沫混凝土才能浇筑性稳定、连通孔较少、保温性能好、吸水率小、抗冻性好。图6为A8配合比泡沫混凝土试块表面孔隙图样、图7为 A8配合比泡沫混凝土试块内部孔隙图样。

图6 A8配合比泡沫混凝土试块表面孔隙

图7 A8配合比泡沫混凝土试块内部孔隙

2.3 水灰比对泡沫混凝土性能的影响

水灰比大，料浆太稀且黏度太低，对泡沫没有稳定作用，容易塌模，强度低。水灰比小，料浆太干，料浆流动度低，料浆中很难掺入较多的泡沫，试块难于成型。因料浆中掺入泡沫，成型时应避免震动，故水灰比小混凝土的密度较大，强度也达不到设计要求。

聚羧酸高效减水剂有效地解决了泡沫混凝土的水灰比和流动度的问题，合理的外加剂掺量能有效减小水灰比，提高泡沫混凝土的强度。

3 结语

（1）试验结果表明，当泡沫混凝土中石墨尾矿固体废物用量为60%时，泡沫混凝土性能满足强度等级≥A3.5、密度≤B08、导热系数≤0.21W/m·K、抗冻性达到严寒地区的F50指标要求。（2）泡沫混凝土的抗压强度受干密度影响较大，在相同水灰比下，当泡沫的掺加量增大时，试块的干表面密度降低，泡沫混凝土的抗压强度随之降低。（3）泡沫混凝土的水灰比增大时，泡沫的最大掺入量增加，更容易得到干表面密度低的试块，但泡沫混凝土的强度降低明显，选择合适的减水剂，控制泡沫混凝土的水灰比≤0.5时，强度等级更容易达到A3.5以上。（4）泡沫混凝土中掺入大量石墨尾矿时，选择黏聚性好、韧性好、稳定性好、泡沫直径较小的发泡剂，泡沫混凝土的稳定性更好。（5）泡沫混凝土中掺入大量石墨尾矿时，因早期强度低，需要2～3d的常温养护，才能保证砌块的完整性。