摘要：為了更好的提升磷渣的附加值，本文研究以堿激發(fā)磷渣活性的方式制備制免蒸壓的加氣混凝土。文中研究了發(fā)氣劑摻量、水玻璃模數、堿含量、水固比和堿溶液溫度等因素對加氣混凝土容重的影響，根據GB 11968-2006 中的標準，制備出的加氣混凝土容重級別為B05~B08、抗壓強度級別為A2.5~A7.5。實驗結果表明：堿磷渣膠凝材料能夠制備出加氣混凝土，并且未經過蒸壓養(yǎng)護的磷渣加氣混凝土的力學性能符合國家的相關要求。
關鍵詞：堿激發(fā)；磷渣；加氣混凝土；免蒸壓養(yǎng)護
中圖分類號：TQ170.9三廢處理與綜合利用
磷渣是電爐法制取黃磷過程中產生的工業(yè)廢渣，據統(tǒng)計我國每年排放磷渣約500-600萬噸，由于其含有磷和氟，長期堆放在露天，經過風吹雨淋后有毒物質經水淋后會滲透到土壤中而造成環(huán)境污染[1]，同時也是對資源的一種浪費。磷渣中含有氧化硅、氧化鋁，是具有潛在活性的材料，因此充分利用磷渣不僅是減少環(huán)境污染、改善生態(tài)環(huán)境的必走路徑,也是防止資源浪費,提高經濟效益,發(fā)展生態(tài)清潔工藝,使社會、經濟、環(huán)境得以協調持續(xù)發(fā)展的重要措施[2]。
加氣混凝土又稱發(fā)氣混凝土，是通過發(fā)氣劑使水泥料漿拌合物發(fā)氣產生大量孔徑為0.5～1.5mm的均勻封閉氣泡，并經過養(yǎng)護硬化而形成的一種多孔混凝土[3]，加氣混凝土具有輕質、高強、節(jié)能、節(jié)土、保溫、隔熱、利廢、防火和易加工等優(yōu)點。加氣混凝土根據養(yǎng)護方式可以分為免蒸壓養(yǎng)護（NAAC）和蒸壓養(yǎng)護混凝土（AAC）[4]，目前國內的加氣混凝土產品主要是以蒸壓的為主，對免征壓養(yǎng)護的加氣混凝土研究相對較少。
本文研究了堿激發(fā)磷渣制備加氣混凝土時的各種影響因素，并測試了不同齡期的免蒸壓磷渣加氣混凝土的強度。
1 實驗
1.1 原材料
實驗所用原料主要有磨細磷渣粉、水泥、堿激發(fā)劑和發(fā)氣劑。其中磷渣粉的比表面積為380～420m2/kg，密度2.6～2.8g/cm3，其主要的化學成分見表1；水泥采用貴州水泥廠生產的“烏江”P.O 42.5，檢驗結果見表2；粉煤灰為凱里電廠的原狀濕排灰。堿激發(fā)劑：由水玻璃和燒堿兩部分組成，其中水玻璃為市售，模數為3.2～3.4，固含量≥40%；NaOH 是貴州省遵義堿廠生產的片狀堿，含量≥96%；實驗選用Al 粉作為發(fā)氣劑。
表 1 磷渣的主要化學成分 w%
Table 1 Chemical composition of phosphorous slag w%
表2 水泥檢驗結果
Table 2 test result of cement
1.2 實驗方法
實驗澆筑成型時工藝參照普通加氣混凝土廠加氣混凝土的生產工藝，具體的工藝流程如圖1 所示。實驗中將磷渣加氣混凝土成型為10cm×10cm×10cm 的立方體試件，放入混凝土標準養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護，待到規(guī)定的齡期后再取出試塊進行力學性能的測試，試塊體積密度的測試按GB/T 11970—1997《加氣混凝土力體積密度、含水率和吸水率試驗方法》進行，力學性能的測試方法按GB/T 11971—1997《加氣混凝土力學性能試驗方法》進行。具體的工藝流程如圖1 所示。
圖1 磷渣加氣混凝土制備工藝流程圖
Fig.1 flow chart of the aerated concrete with alkali-phosphorus slag
2 實驗結果與討論
實驗以加氣混凝土的容重為指標，用單因素實驗的方法研究了各種因素對其的影響，同時實驗中測試了不同齡期的加氣混凝土的抗壓強度。根據初期的探索，確定了實驗的基準配合比，見表3 所示，下面實驗中對各因素的研究都在此基準配合比基礎上進行的。
表3 實驗基準配合比
Table 3 proportioning of benchmark
2.1 發(fā)氣劑摻量的影響
本研究選用鋁粉作為發(fā)氣劑，實驗結果見表4 所示：
表4 發(fā)氣劑摻量的影響
Table 4 influence of gas-former on bulk density
從表中可以看出，磷渣加氣混凝土的容重隨著鋁粉摻量的增加而減輕的，但是當鋁粉的摻量超過0.296%以后，鋁粉摻量的增加對減輕加氣混凝土的容重所起的作用已經不大；當Al 的摻量達到0.444%時，磷渣加氣混凝土容重反而略有增加，說明過量的鋁粉會導致料漿澆注時產生塌模，這不利于料漿的澆筑穩(wěn)定性。實際生產中適應根據加氣混凝土具體的容重選擇合適的鋁粉摻量。
2.2 水玻璃模數的影響
實驗中是用堿激發(fā)的方式使磷渣產生活性的，根據以往學者們研究堿磷渣膠凝材料的資料[5-6]，堿激發(fā)劑——水玻璃的模數一般需調制至1.2～1.5 之間，因為在這個范圍內磷渣膠凝材料的抗壓強度最高即磷渣的活性在這個范圍內最大。實驗中用NaOH 將水玻璃模數分別調至1.0，1.2，1.4，1.6 后進行實驗，實驗結果見圖2 所示：
從圖2 中的曲線來看，當水玻璃模數小于1.1 或者大于1.5 以后，加氣混凝土的容重變化很大，當模數為1.6 時的容重已接近900 kg/m3；而當模數在1.1～1.5 之間時，加氣混凝土的容重在570～650 kg/m3 之間，變化不大；實驗結果表明：水玻璃模數不但影響磷渣活性的激發(fā)，而且對磷渣加氣混凝土的容重也會產生影響。為了制備出容重≤800 kg/m3 的加氣混凝土制品，水玻璃模數應控制在1.0～1.5 之間。
2.3 堿含量的影響
堿含量是以堿激發(fā)劑中的Na2O 質量與總的粉料質量的百分比來計算的。根據李志清[6]的研究，Na2O 的含量在6%左右時對激發(fā)磷渣膠凝材料的活性最為有利。實驗中研究了料漿中堿含量的影響，結果見圖3 所示：
當Na2O 的含量在5.5%～6.5%之間時圖3 中曲線比較平穩(wěn)，說明在這個范圍內堿含量的多少對加氣混凝土的容重影響不大；當Na2O 含量少于5.5 時，曲線曲率變大，加氣混凝土容重迅速增加，這是因為料漿中的堿含量不足影響了Al 的發(fā)氣速率，導致料漿發(fā)氣時出現發(fā)氣量不足和憋氣的現象。
需要注意的是，料漿中堿含量的增加雖然有利于鋁粉的發(fā)氣，但同時也會影響料漿的澆注穩(wěn)定性。因為如果鋁粉的發(fā)氣速度快于料漿的稠化速度，會造成澆注時料將表面出現大量的氣泡（冒泡）甚至會導致塌模[3]，這不利于料漿的澆注穩(wěn)定性。綜合以上的分析，為了制備出容重≤800 kg/m3 的加氣混凝土制品，料漿中的堿含量應控制在5.5%～6.5%之間。
2.4 水固比的影響
水固比的大小不僅會影響加氣混凝土的強度，而且對密度也有較大的影響，水固比越小，強度越高而密度也會增大。但同時還應考慮澆筑、發(fā)氣膨脹過程中的流動性和穩(wěn)定性[3]。以上是水固比對普通加氣混凝土的影響，為了研究水固比對磷渣加氣混凝土容重的影響，我們做了水固比與容重關系的實驗（實驗中的水包括堿激發(fā)劑中的水和實驗時加入的水），實驗結果如圖4 所示：
圖中直線是用Origin 軟件對數據進行線性分析和擬合后的結果，圖中實驗數據雖然有一定的離散性但都均勻的分布在直線兩側，說明磷渣加氣混凝土的容重總體上是隨著水固比的增加而降低的，實驗中發(fā)現：水固比控制在0.29~0.33 之間最適合于料漿的澆注。當水固比低于0.29 后，料漿的流動性也隨之變差，這對料漿的澆筑和膨脹都會產生不利影響；而水固比超過0.32以后，雖然料漿流動性會提高，但是由于料漿稠度變化導致發(fā)氣過程中易出現冒泡，塌模等現象，也不利于料漿的澆筑成型。
2.5 堿溶液溫度的影響
堿溶液即堿激發(fā)劑，用NaOH 和水玻璃調制堿激發(fā)劑時會有熱量產生使堿溶液溫度升高，實驗時將相同的堿激發(fā)劑存放至不同的溫度后進行實驗，實驗結果見表5：
表 5 堿溶液溫度的影響
Table 5 influence of temperature of alkali solution
表中的時間是從加入鋁粉開始計算的，由實驗結果可知：堿溶液溫度對加氣混凝土的容重影響不太明顯，但是對料漿的稠化速度影響很大，溫度越高料漿稠化時間越短即稠化速度越快，這說明較高的溫度更有利于促進磷渣活性的激發(fā)，加速堿膠凝材料的水化。從表5可以看出，當堿液溫度為50 ℃時，加入鋁粉后在攪拌過程中料漿就已經開始膨脹發(fā)泡，這導致料漿無法順利的校注成型。出于操作時間和生產方面的考慮，配制好的堿激發(fā)劑一般應陳化到室溫（20 ℃）時再進行實驗。
2.6 磷渣加氣混凝土的力學性能
力學性能是加氣混凝土的重要指標，一般僅以抗壓強度來表示加氣混凝土的強度[3]。研究中的磷渣加氣混凝土不是靠蒸壓而是靠自然養(yǎng)護獲得強度的，所以研究了加氣混凝土的強度與養(yǎng)護齡期的關系。實驗時加氣混凝土試塊均是放在混凝土標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，到齡期后取出試塊待其表面水分晾干（此時試塊含水率約在20%—25%之間），然后再進行抗壓強度的測試，實驗結果見表6：
表6 抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關系
Table 6 relationship between compressive strength and curing age
從表6 中加氣混凝土試塊的強度分析，磷渣加氣混凝土無需蒸壓養(yǎng)護，只需要在混凝土標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護即可獲得較高的強度，容重在525~887 kg/m3 的磷渣加氣混凝土養(yǎng)護28d 后其抗壓強度分別能夠達到3.3~9.3 MPa。按照GB 11968-2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》中的規(guī)定，經過標準養(yǎng)護28d 后的免蒸壓磷渣加氣混凝土，其容重級別符合B05~B08 的要求，強度級別可以達到A2.5~A7.5 的要求。
從強度隨養(yǎng)護時間的變化來分析，加氣混凝土的強度發(fā)展大致可以分成三個階段：從成型到28 d 時為第一個階段，這個階段是其強度快速增長期，加氣混凝土強度在這個階段發(fā)展最快，這是被激發(fā)出活性的磷渣不斷水化的結果所致；從28 d 到60 d 為第二個階段，加氣混凝土的強度在這個期間增長不明顯，這個階段磷渣的水化基本已經結束，因此試塊強度增長緩慢；從60 d 以后為第三階段，此時加氣混凝土強度又有增長但幅度不大，這可能是試塊中的粉煤灰開始部分水化的結果。
2.7 水化機理淺析
程麟等人[5]認為堿磷渣膠凝材料的水化過程如下：堿激發(fā)劑加入水中后迅速水解生成大量的OH–，溶液的pH 值急劇升高，磷渣的表面最先發(fā)生溶解，磷渣溶解過程中會在溶液中產生大量的Ca2+，[SiO4]4–等離子。另外由于磷渣中還含有少量的Al，因而在強堿性溶液中還會由于溶解形成[AlO4]5–等離子，溶液中大量的Na+，Ca2+又會和[SiO4]4–，[AlO4]5–發(fā)生聚合反應而形成CSH、沸石類礦物，它們不斷聚合從而形成整個堿磷渣水泥的骨架。由此可見，堿磷渣膠凝材料的水化是一個“溶解–聚合”的過程。根據李志清的研究結果，以水玻璃為激發(fā)劑制備的堿磷渣膠凝材料的水化產物主要是C-S-H、水化硅鋁酸鈣等[6]。
3 結論
1、實驗表明以堿磷渣為原材料可以制備出免蒸壓的加氣混凝土制品，這不僅消耗掉了工業(yè)廢渣有利于提升磷渣的價值，同時也為加氣混凝土增加了一個新的品種。制品中的固體廢棄物（磷渣和粉煤灰）質量已占到制品中粉料總量的90%以上。
2、發(fā)氣劑摻量，水玻璃模數，料漿堿含量，水固比都會影響磷渣加氣混凝土的容重，要制備B05~B08 級的磷渣加氣混凝土，鋁粉摻量為0.1%～0.4%，水玻璃模數為1.0～1.5，Na2O 含量在5.5%～6.5%之間，水固比應控制在0.29～0.32 范圍內。在實際生產過程中應根據所要求制備的磷渣加氣混凝土的容重，在以上所給的參數的范圍內合理的選擇各參數的值。
3、堿溶液的溫度對磷渣加氣混凝土的容重影響不大但對料漿稠化速度影響很大，溫度越高料漿稠化速度越快。為了有充分的時間澆筑成型，堿溶液溫度一般應控制在20℃左右。
4、磷渣加氣混凝土是靠自然養(yǎng)護方式而非蒸壓方式獲得強度，這不僅節(jié)約了資源降低了成本，而且不會在生產中造成二次污染。養(yǎng)護28d 后容重級別為B05~B08 的加氣混凝土，其強度級別可以達到A2.5~A7.5，能夠達到甚至超過GB 11968-2006 中對加氣混凝土強度的要求。
參考文獻
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Study on Affecting Factor of Non-Autoclaved Aerated Concrete with
Alkali-phosphorus Slag
Abstract: In order to use phosphorus slag in a better way, aerated concrete with alkali-phosphorus slag with non-autoclaved was investigated In this paper.In the experiment ,the impact of some factors on aerated concrete bulk density which include the mixing amount of foaming agent, sodium silicate modulus, alkali content, the ratio of water to solid, and the temperature of alkali solution was investigated,and according to the standard of GB 11968-2006,the aerated concrete was in the level of B05~B08 in bulk density and A2.5~A7.5 in compressive strength.The results indicated that: alkali-phosphorus slag can be used to make aerated concrete with autoclave curing free, and its mechanics performance conforms to the relevant requirements.
Key words: alkali-activator；phosphorus slag；aerated concrete；non-autoclave curing
