高钛矿渣轻骨料空心砌块试制及性能

蒋俊，文金凤，胥嘉欣，肖海霞，刘川，李军，卢忠远，罗凯，赵杰

（1.西南科技大学 环境友好能源材料国家重点实验室，四川 绵阳 621010；2.西南科技大学 材化学院，四川 绵阳 621010；3.凉山瑞海实业有限公司，四川 西昌 615000）

0 前言

我国西南地区钒钛磁铁矿丰富，但每生产1t钒铁将产生0.3～1.0 t高钛矿渣。其中，10%～25%的钛以钙钛矿形式存在矿渣中，难以有效提纯[1-4]。为进一步提取钛，国内外发展了众多方法，但因经济性或二次污染等原因，还未能广泛应用[1，3，5-8]。粉磨高钛矿渣，用作混凝土辅助性胶凝材料或水泥混合材，可实现规模应用，减少高钛矿渣堆积，但是因存在高含量、结晶良好的钙钛矿，活性较差，直接应用受阻[2，9-10]。进一步采用超细化、化学激发等方式，一定程度上增加了经济成本，规模化应用存在一定问题[11-14]。相对于高钛矿渣用作矿物掺合料或混合材，将高钛矿渣风冷，制备高钛矿渣骨料，可提升高钛矿渣利用率，在四川攀枝花-西昌地区应用较为广泛[15-16]。但是风冷高钛矿渣密度高，生产混凝土构件相对较重，对于建筑抗震等有所影响。另外一类高钛矿渣制备的骨料轻质多孔、多棱角，对混凝土工作性将产生不利影响，不能直接用于预拌轻骨料混凝土生产，现缺乏低成本规模消纳方式。除预拌生产混凝土等水泥基材料外，干拌压制生产方式对拌合物工作性要求低，广泛用于混凝土砖和空心砌块生产[17]，给高钛矿渣轻骨料应用提供了新的选择。并且空心砌块成本低、节能、生产工艺简单，在非承重结构备受青睐，同时，空心砌块比其他墙体材料需要更少的原材料，对成本控制更有意义[18]。然而，目前高钛矿渣轻骨料研制空心砌块的研究鲜有报道。因此，本研究以高钛矿渣轻骨料和水泥为主要原材料，制备了轻骨料砂浆，在配合比优化基础上，进行高钛矿渣轻骨料空心砌块生产与性能研究，旨在为高钛矿渣的低成本、规模应用、消纳固废提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：四川某水泥厂，P·O42.5R，其化学成分如表1所示，XRD图谱如图1所示，粒度分布如图2所示；高钛矿渣轻骨料：堆积密度1150 kg/m3、吸水率27.3%、压碎值46%，化学成分与XRD图谱分别如表1和图1所示，主要结晶相为钙钛矿和尖晶石，其外观和微观形貌如图3所示。

表1 原材料的化学成分 %

1.2 制备方法

（1）高钛矿渣轻骨料砂浆制备：按表2配比，将水泥和高钛矿渣轻骨料加入混凝土搅拌机中搅拌1 min，添加水，搅拌3 min，得到均匀的拌合物；然后，将拌合物置于Φ60 mm×100 mm模具中；随后的压实过程在万能试验机（SANS CMT5105）上进行，20 s内将施加载荷从0增加到10 MPa，保持5 s（此时压制工艺制备的砂浆与空心砌块压制工艺所生产的砌块力学性能相当），脱模，在（20±2）℃、相对湿度大于90%养护室养护至规定龄期。

（2）空心砌块生产：按表2配比，将储存在各料仓中物料计量，然后用皮带、螺旋输送至搅拌机中，搅拌3 min，随即送入压砖机中，振动压实5 s，随后模具移除，生产出空心率约32%、尺寸为390 mm×150 mm×190mm的产品，产品详细规格如图4所示；随后，用叉车转运至养护室（平均温度20℃，相对湿度≥90%），每3 h对试样进行1次喷水，48 h后将空心砌块移至露天场地，每3h对试样进行1次喷水，直至28 d。

表2 高钛矿渣轻骨料砂浆的配合比

1.3 测试与表征方法

微观结构：将规定龄期的试样用无水乙醇终止水化，45℃干燥至恒重，切取断面，置于扫描电镜（捷克TESCAN，MAIA3LMU）中，获取微观图片。

力学强度、干密度：按照GB/T 4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》进行测试，力学强度测试时，加载速率为0.175 MPa/s。

堆积孔隙率：按照GB/T 14684—2011《建设用砂》进行测试。

导热系数：将试样表面采用砂纸打磨平整，并采用无水乙醇清洗，按照GB/T 32064—2015《建筑用材料导热系数和热扩散系数瞬态平面热源测试法》，将试样置于45℃烘箱中干燥至恒重，采用瞬态法测试试样导热系数（DRE-2C，湘科），每组样品测试3次，取其平均值。

热分析：试样45℃真空干燥至恒重，置于耐驰STA 449 C设备中，在50 mL/min的氮气吹扫保护下，以20℃/min的速率从30℃上升到900℃。

⑥《过武连县北柳池安国院，煮泉试日铸、顾渚茶。院有二泉，皆甘寒。传云唐僖宗幸蜀在道不豫，至此饮泉而愈，赐名报国灵泉云》

2 结果与讨论

2.1 轻骨料级配优化

合理的骨料级配是保障产品质量的关键之一，此外，合理的级配还可以减少胶凝材料用量，保证空心砌块经济性。同时，考虑到实际工厂中存储料仓数量问题，将高钛矿渣轻骨料分为1.18mm以上和以下2类骨料，并进行混合，测试其孔隙率，结果如图5所示。

由图5可知，当1.18 mm以上的骨料从100%减小至0，骨料的堆积孔隙率从44.5%降低至35.6%后再增长至43.0%；当1.18 mm以下骨料含量为40%、1.18 mm以上骨料含量为60%时，骨料堆积孔隙率最小，为35.6%，此时，较少量胶凝材料就可以包裹骨料，制备出性能优良的轻骨料砂浆，这也意味着砂浆的制备成本较低。后续试验均采用堆积孔隙率最小的轻骨料。

2.2 空心砌块所用砂浆性能

在优化的骨料级配，以及16%、20%水泥用量情况下，改变水灰比，测试了空心砌块砂浆力学性能与干密度。值得注意的是，当水灰比过高时（水灰比为0.8），骨料多孔结构难以吸收过多的水，造成泌水现象（见图6）；过低的水灰比导致成型困难，因此在水灰比为0.5～0.7情况下，研究了水灰比对砂浆性能的影响，结果如表3所示。

表3 不同水灰比下砂浆抗压强度与干密度

由表3可知，当水灰比由0.5增大至0.6时，砂浆的干密度增大；水灰比进一步增大至0.7时对干密度影响不大，L-7-16、L-7-20的干密度分别为1674、1753kg/m3。当水泥掺量为16%，水灰比由0.5增加到0.7时，试件各龄期的抗压强度均有所提高，7、28 d抗压强度分别提高了24.1%、16.7%；当水泥掺量为20%时，试件的抗压强度也有类似的趋势，水灰比由0.5增大至0.7，7、28 d抗压强度分别提高了35.0%、48.2%。

水灰比越大，空心砌块所用砂浆的水泥浆体体积越大，其填充骨料堆积形成的孔隙，造成试样的孔隙率降低，干密度和抗压强度增加。然而，水灰比的增加并不能导致干密度的持续增加，这可能是由于高水灰比时，水泥浆体密度下降所致。水灰比为0.7时，抗压强度最高，此时骨料堆积的孔隙中被水泥浆体所填充，进一步增加水灰比，出现泌水现象，并且水泥浆体过多，难以压制成型。

水泥掺量是影响砂浆性能的主要参数，在优化的水灰比基础上（0.7），不同水泥掺量下砂浆干密度及抗压强度如图7所示。

由图7可知，随着水泥掺量由8%增加到20%，试件的抗压强度和干密度增大；7、28d的抗压强度从0.9、2.2 MPa分别提高至10.8、12.3MPa；干密度由1619kg/m3增大到1753kg/m3。主要是因为，随着水泥掺量的增加，水泥浆体变多，骨料堆积孔隙被填充，密度和抗压强度提高。

按照GB/T15229—2011《轻集料混凝土小型空心砌块》的规定，空心砌块根据干密度和抗压强度分为不同的等级。对于大多数施工人员来说，干密度为1200 kg/m3空心砌块，每块约14 kg，砌块可能太重，将会极大地影响施工效率。干密度与空心率的相关性表明，空心砌块所用砂浆的干密度应小于1765 kg/m3。所以，目标空心砌块允许最大水泥掺量为20%。MU2.5是最低等级，根据图7与1.2中制备方法，当水泥掺量>10%，空心砌块抗压强度可超过2.5 MPa，故生产空心砌块宜采用的水泥掺量为10%～20%。

2.3 空心砌块的性能

从图8可以看出，砌块的抗压强度与砂浆的抗压强度趋势相似，即：随着水泥掺量的增加，砌块的强度逐渐提高；水泥掺量为20%时，7、28 d抗压强度分别为10.8、13.9MPa；水泥掺量为10%～20%时，空心砌块的干密度随水泥掺量的增加而增大，当水泥掺量超过18%时，砌块的干密度超过1200kg/m3。

试生产砌块干密度与抗压强度关系见图9，根据此图可以对空心砌块进行等级划分。水泥掺量从10%增至18%时，砌块的28 d抗压强度从4.7 MPa提高至7.5 MPa，干密度从1083 kg/m3增大至1197 kg/m3，均符合GB/T 15229—2011的要求。

空心砌块所用砂浆导热系数与水泥掺量关系如图10所示。

由图10可知，随着水泥掺量增加（10%～20%），基材的导热系数增大。当水泥掺量为10%～18%时，导热系数为0.337～0.425W/（m·K）。如前所述，水泥掺量的增加会导致干密度增加和孔隙率降低，因此导热系数增加可以归因于孔隙率的降低。图11为基材导热系数与空心砌块干密度的关系。

由图11可知，砂浆基体的导热系数与干密度的相关系数较高，R2值为0.983。综上，砌块具有合适的强度和密度，较低的导热系数，表明高钛矿渣空心砌块适合用作建筑材料。

高钛矿渣具有多孔结构，有利于骨料与浆体的界面过渡区改善[19]。取空心砌块样品（P-7-18，水泥掺量18%）进行微观分析，其微观结构扫描电镜照片如图12所示，热重微分曲线如图13所示。

由图12可以发现，新生成的水化产物（C-S-H或C-AS-H凝胶）出现在高钛矿渣轻骨料表面，这表明高钛矿渣轻骨料与水泥浆体之间可能发生火山灰反应，生成了水化产物，改善了骨料与浆体之间的界面过渡区。

由图13可以发现，Ca（OH）2（400～520℃）和CaCO3（500～800℃）对应的峰表明，7 d样品中CaCO3和Ca（OH）2的含量高于其他样品[19-21]，而28d样品的水化产物比例略高于7d样品，这个同时能在130℃附近的峰面积对比可以证实[20-21]，此时的Ca（OH）2和CaCO3的数量随着养护时间的延长而减少，由此可以推断出，火山灰反应过程中可能消耗了Ca（OH）2，水化产物略有增加，火山灰反应也可在高钛矿渣轻骨料与水泥浆体界面过渡区的微观显微图片中观察到，这对骨料与浆体之间的界面过渡区改善有利。

3 结论

（1）1.18 mm以下高钛矿渣轻骨料占比40%、1.18 mm以上的高钛矿渣轻骨料占比60%时，可以获取较优的骨料级配，轻骨料堆积孔隙率最小，为35.6%。

（2）高钛矿渣表面多孔与微活性有利于轻骨料与浆体界面过渡区的改善。

（3）水灰比为0.7，水泥掺量10%～18%，可以生产出干密度为1083～1197 kg/m3、抗压强度为4.7～7.5 MPa的空心砌块，空心砌块所用基体砂浆导热系数为0.337～0.425 W/（m·K）。