鐵尾砂泡沫混凝土的制備及性能

朱利平 ，杜曉麗 ，鄒天民

(安徽理工大學 土木建筑學院, 安徽 淮南 232001)

泡沫混凝土是一種輕質多孔建筑材料，相比傳統混凝土，具有保溫隔熱性能好、抗震性能好、易加工等優點，廣泛用于路堤的填筑、寒冷地區道路的隔熱層[1]、隧道空隙的填充[2]、建筑外墻[3]、基坑回填[4]等工程中。泡沫混凝土的密度一般為300～1 800 kg/m3，其中密度為600～1 200 kg/m3泡沫混凝土的應用較為廣泛。天然砂是泡沫混凝土的細骨料，也是泡沫混凝土重要的組成成分，隨著泡沫混凝土需求量的增加，天然砂的消耗加劇[5]。過度采砂會導致水質惡化、地下水位下降等問題，急需尋找能夠代替天然砂的其他細骨料。鐵尾礦是鐵礦石精煉、磨礦、分選后剩余的固體廢棄物，粒徑小于4.75 mm 的鐵尾礦稱鐵尾砂，鐵尾砂長期堆放不僅占用土地，還會污染環境[6-8]。因此，將鐵尾砂用于泡沫混凝土可實現廢物再利用，對可持續發展具有重要意義。

鐵尾砂的晶體結構穩定[9-11]，已有學者研究將鐵尾砂作為混凝土細骨料的替代品制備混凝土。Hou等[12]研究表明，將細度在2.2～3.0 間的天然砂和鐵尾砂配制的混合砂用于制備混凝土，混凝土的抗壓強度得到提升；Liu 等[13]發現機械研磨后鐵尾砂的比表面積增加，火山灰活性增加，制備的砂漿強度增加，干燥收縮率降低；Latif 等[14]研究表明，鐵尾砂可提高混凝土基體的密度，改善混凝土的耐久性能；陶亞平等[15]制備鐵尾礦砂取代率為0，25%，50%，75%和100%(質量分數)的再生混凝土，混凝土力學性能隨著鐵尾砂摻量增加呈先增后減的趨勢；Zhu 等[16]以鐵尾砂為細骨料，與不同再生集料置換率配制混凝土，其均表現出良好的力學性能；秦毅[17]等將鐵尾砂代替泡沫混凝土中的細骨料，摻入小粒徑鐵尾砂制備的泡沫混凝土的抗凍性能得到有效提升。綜上表明鐵尾砂在混凝土生產中的潛力巨大，但是目前關于鐵尾砂對泡沫混凝土性能影響的研究較少。

為此，以鐵尾砂為細骨料，采用不同取代量的鐵尾砂制備目標密度為900 kg/m3鐵尾砂泡沫混凝土，研究鐵尾砂摻量對泡沫混凝土干燥收縮率、吸水率、導熱系數、抗壓強度等綜合性能的影響，分析鐵尾砂泡沫混凝土的微觀結構，為鐵尾礦砂在泡沫混凝土中的進一步應用提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 材料

水泥為淮南八公山牌42.5 普通硅酸鹽水泥；黏結劑為Ⅰ級粉煤灰，化學成分見表1；發泡劑為蛋白質基發泡劑，密度為1.03 g/cm3，發泡倍數為20 倍，稀釋倍數為25 倍，泡沫密度為60 kg/m3；細骨料包括天然砂和鐵尾砂，天然砂為淮河中砂，鐵尾砂為淮南某鐵礦生產的尾礦砂，2 種細骨料的物理性質見表2，鐵尾砂的X 射線衍射圖譜見圖1。由表2 可知，與天然砂相比，鐵尾砂顆粒更細，吸水率更高。圖1表明鐵尾砂是一種典型的高硅石英基尾礦，主要晶相為石英、硅灰石、赤鐵礦和伊利石；二氧化硅、鐵等含量較高，具有作為膠凝材料的潛質。

圖1 鐵尾砂的X 射線衍射圖譜Fig.1 XRD pattern of iron tailings sand

表1 水泥和粉煤灰的化學成分 w/%Tab.1 Chemical composition of cement and fly ash w/%

表2 細骨料的物理性質Tab.2 Physical properties of fine aggregates

1.2 試驗過程

制備5 批泡沫混凝土，粉煤灰添加量為水泥質量的15%，鐵尾砂的質量分數(在細骨料中質量占比)分別為0，10%，20%，30%和40%，鐵尾砂粒徑較細、比表面積較大，為保證泡沫混凝土的流動性，通過微調w/b(水膠比)實現漿體均勻鋪展，試驗配比見表3。按表3 的配比稱取鐵尾砂、天然砂、水泥和粉煤灰等原料，并放入攪拌機干拌2 min，加水混合后再攪拌2 min 得到混合漿體。將發泡劑與水按質量比1∶20 混合后加入發泡機制備出密度為60 kg/m3的泡沫。將制備的泡沫加入混合漿體攪拌均勻，澆筑到100 mm×100 mm×100 mm 的涂油模具，24 h 后脫模，制得不同鐵尾砂摻量的泡沫混凝土試件。各組試件的實際密度見表3。

表3 試驗配合比Tab.3 Mixture proportions

將制得的試件在標準養護條件下(相對濕度≥95%，溫度為(20±2) ℃) 養護至不同齡期后，依據JG/T 266—2011《泡沫混凝土》測試試件的干燥收縮率、吸水率、導熱系數、抗壓強度和劈裂抗拉強度，依據GB/T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》測試試件的導熱系數，采用掃描電鏡(國儀量子5000)和圖像分析軟件分析試件的微觀結構。

2 結果與分析

2.1 干燥收縮率

干燥收縮會影響泡沫混凝土的耐久性能，泡沫混凝土的干燥收縮主要來自毛細孔失水引起的收縮應力[18]。不同鐵尾砂摻量的泡沫混凝土試件的干燥收縮率如圖2。

由圖2 可知：養護初期，不同摻量鐵尾砂泡沫混凝土試件的干燥收縮率隨養護齡期的延長呈線性增加；養護30 d 后，試件的干燥收縮率均逐漸穩定。鐵尾砂的摻入對泡沫混凝土養護早期干燥收縮率的影響并不明顯，但隨著養護齡期的延長，相對于未摻鐵尾砂的泡沫混凝土試件，摻入鐵尾砂的泡沫混凝土試件的干燥收縮率明顯降低，且干燥收縮率降幅隨鐵尾砂摻量增加而增大，養護60 d 時，10%鐵尾砂摻量試件的干燥收縮率為0.216%，40%鐵尾砂摻量試件的干燥收縮率為0.176%。這是由于鐵尾砂更細，使得泡沫混凝土孔徑減小，填充部分孔隙，并優化了孔隙結構，從而減緩收縮。這與Feng 等[19]的研究結果一致。

2.2 吸水率

吸水率是衡量混凝土耐久性的一項重要指標。不同摻量鐵尾砂泡沫混凝土試件在7，28，56 d 時的吸水率如圖3。

圖3 鐵尾砂摻量對不同齡期泡沫混凝土試件吸水率的影響Fig.3 Effect of iron tailings sand admixture on water absorption of foam concrete specimens at different ages

由圖3 可知：隨著養護齡期的增加，不同鐵尾砂摻量試件的吸水率均有所降低，主要是由于養護時產生的火山灰和水化產物填充了泡沫混凝土基體內部孔隙。相對于養護齡期為7 d，養護齡期56 d 時，A0，A1，A2，A3和A4的吸水性能分別降低了10.4%，7.3%，7.6%，15.9%和7.8%。養護齡期56 d 時，A4的吸水率相對于A1降低了16.7%。隨鐵尾砂摻量的增加，試件的吸水率總體呈下降趨勢。主要是因為鐵尾砂中的氧化物和金屬離子與水化反應產生的氫氧化鈣進行二次化學反應，產生的化學物質會充填在孔隙中，使得混凝土內部原有孔隙被充填，使得孔隙數量、直徑和連通性減少，最終使得混凝土的吸水率下降[20]。

2.3 導熱系數

導熱系數是衡量材料導熱性能的指標，養護齡期為28 d，不同鐵尾砂摻量試件的導熱系數如圖4。從圖4 可看出：鐵尾砂摻量在0～40%范圍內，隨鐵尾砂摻量增加，試件導熱系數增加；相較于A0試件，A1，A2，A3和A4試件的導熱系數分別增加了1.4%，6.0%，13.3%和16.5%。這是由于隨著鐵尾砂的增加，泡沫混凝土內部孔隙直徑減小及氣孔數量減少，泡沫混凝土內部更密實，導熱系數升高。但由于各組試件的密度相似，其導熱系數差異不大。

圖4 鐵尾砂摻量對泡沫混凝土試件導熱系數的影響Fig.4 Effect of iron tailings sand admixture on thermalconductivity

2.4 抗壓強度

養護齡期為7，28，56 d 時，不同鐵尾砂摻量的泡沫混凝土試件的抗壓強度如圖5。由圖5 可知：鐵尾砂泡沫混凝土試件的抗壓強度均高于普通泡沫混凝土，由于水泥水化作用使泡沫混凝土的抗壓強度隨鐵尾砂摻量的增加而增加；試件抗壓強度隨養護齡期的增加而增加，與養護齡期為28 d 相比，養護56 d 時，A0，A1，A2，A3和A4抗壓強度分別增加了12.1%，9.7%，21.5%，14.8%和13.3%，養護期越長鐵尾砂對泡沫混凝土抗壓強度的改善越顯著，這是因為鐵尾砂的活性較低，水化需要的時間更長。

圖5 鐵尾砂摻量對不同齡期泡沫混凝土試件抗壓強度的影響Fig.5 Effect of iron tailings sand admixture on compressive strength of foam concrete specimens at different ages

由圖5 還可看出：隨鐵尾砂摻量增加，不同養護齡期試件的抗壓強度均呈先增后降的趨勢；鐵尾砂摻量為20%時試件的抗壓強度最高?？箟簭姸仍黾右环矫鏆w因于較細的鐵尾砂顆粒填充了孔隙，優化了孔隙結構，另一方面可能是水泥水化過程中產生的多余的Ca(OH)2與鐵尾砂進行二次反應，產生水化硅酸鹽凝膠增加了泡沫混凝土強度[21]。鐵尾砂摻量超過20%之后，泡沫混凝土強度逐漸降低。這是由于過多鐵尾砂使泡沫混凝土內部骨料之間的黏結度下降，從而導致其抗壓強度降低，秦毅等[17]也觀察到類似的趨勢。

綜上說明鐵尾砂的加入可提高泡沫混凝土的抗壓強度。依據JG/T 26—2011《泡沫混凝土》，密度為900 kg/m3泡沫混凝土的抗壓強度應大于2.5 MPa，本試驗制作的泡沫混凝土試件滿足強度要求。

2.5 劈裂抗拉強度

不同摻量的鐵尾砂泡沫混凝土試件的劈裂抗拉強度如圖6。

圖6 鐵尾砂摻量對不同齡期泡沫混凝土試件劈裂抗拉強度的影響Fig.6 Effect of iron tailings sand admixture on splitting tensile strength of foam concrete specimens at different ages

由圖6 可知：隨養護齡期的增加，不同鐵尾砂摻量試件的劈裂抗拉強度逐漸提高，這是由于水化產物逐漸增加所致；與普通泡沫混凝土相比，鐵尾砂泡沫混凝土試件的劈裂抗拉強度均有不同程度的提高，與抗壓強度的趨勢相似，隨鐵尾砂含量的增加，泡沫混凝土的劈裂抗拉強度先增大后減小，其中20%摻量的鐵尾砂泡沫混凝土的強度最高。養護齡期第7，28，56 d 時，A2的劈裂抗拉強度分別比A0提高了10.8%，13.7%，16.7%。這是由于泡沫混凝土內部結構的改善所導致的。

2.6 微觀結構

不同鐵尾砂摻量泡沫混凝土試件的SEM(scanning electron microscope)如圖7，孔徑分布如圖8，孔結構參數如表4。由圖7 可看出：隨著鐵尾砂摻量的增加，泡沫混凝土內小氣孔數量增加，大氣孔數量減少，氣孔孔徑分布趨向均勻，內部結構得到改善，從而降低了泡沫混凝土的干燥收縮率和吸水率，提高了抗壓和劈裂抗拉強度。但隨著鐵尾砂摻量繼續增加，泡沫混凝土內部結構逐漸劣化，氣孔孔徑分布逐漸分散，泡沫混凝土的強度降低，泡沫混凝土的性能逐漸衰退。

圖7 不同鐵尾砂摻量泡沫混凝土的SEM 圖Fig.7 SEM images of foam concrete with different iron tailings sand admixtures

圖8 不同摻量鐵尾砂泡沫混凝土試件孔徑分布Fig.8 Pore size distribution of foam concrete specimens with different content of iron tailings sand

表4 泡沫混凝土試樣孔結構參數Tab.4 Pore structure parameters of foam concrete specimens

由圖8 可看出：鐵尾砂摻量從10%增至40%時，試 件 孔 徑<100 μm 氣 孔 的 占 比 由18.28% 增至28.34%；摻量從0 增至40%時，試件孔徑>400 μm 氣孔的占比由15.36%降至4.32%；試件A0，A1，A2，A3，A4氣孔孔徑為100～200 μm 的占比分別為20.02%，28.37%，26.38%，32.24%，34.87%。這是因為相對于天然砂，鐵尾砂比表面積更大，需更多的漿體來包裹，固化氣泡作用的漿體更少，攪拌時在表面張力作用下氣泡更易破裂。鐵尾砂顆粒較細，摻入漿體后漿體內部黏結度增加，漿體中水泥顆粒之間的內摩擦力增大，顆粒之間引力增強，破裂的氣泡比例升高，小氣泡較多、大氣泡較少。由表4 可看出，隨鐵尾砂摻量的增加，平均孔徑和最小孔徑逐漸減小，這是由于鐵尾砂填充了部分孔隙，使泡沫混凝土孔徑尺寸減小。由此可看出：加入鐵尾砂可使泡沫混凝土內部孔徑更趨向均勻，鐵尾砂的摻入可改善泡沫混凝土的孔結構。

3 結論

以鐵尾砂作為細骨料制備目標密度為900 kg/m3泡沫混凝土，探究鐵尾砂摻量對泡沫混凝土性能的影響，并對其進行微觀分析，得到以下主要結論：

1) 隨著鐵尾砂摻量增加（0～40%），泡沫混凝土的干燥收縮率和吸水率下降，導熱系數略有增加。

2) 隨著鐵尾砂摻量增加，泡沫混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度呈先增后減趨勢，20%鐵尾砂摻量泡沫混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度最高。

3) 摻入適量的鐵尾砂可改善泡沫混凝土的孔結構，提高泡沫混凝土的力學性能，摻入質量分數為20%鐵尾砂的泡沫混凝土氣孔分布和氣孔尺寸較優，表現出了最優的微觀結構。