利用铜尾矿和高炉渣在高压蒸养条件下制备加气混凝土外文翻译资料

利用铜尾矿和高炉渣在高压蒸养条件下制备加气混凝土

摘要：在中国，基于铜尾矿的大量堆积的背景下，我们对矽卡岩型铜尾矿制备加气混凝土进行了研究。实验室中制备的加气混凝土样品干密度为610.2千克每立方米，抗压强度为4.0兆帕。与传统的加气混凝土相比较而言，在加气混凝土的制备过程中，为了开发潜在的减少二氧化碳排放的技术，我们用矽卡岩型铜尾矿和高炉渣替代了石灰。我们对加气混凝土制备过程中不同阶段的样品进行了X射线衍射分析,FESEM分析还有对硅和铝的核磁共振测试。结果显示加气混凝土中的主要矿物组成为托贝莫来石、石膏、辉石、石英和方解石还有白云石，以及少量的由于铜尾矿带入的其他矿物。这也表明铜尾矿中大多数矿物参与了制备过程中的水化反应，这些化学元素在后面的高压蒸汽养护过程中也进入了板状托贝莫来石的结构中。

关键词：矽卡岩型铜尾矿、加气混凝土、反应机理、托贝莫来石

简介：在中国，铜尾矿堆积的历史贯穿在生产铜的过程中。目前，估计有超过24亿吨的铜尾矿堆积在中国^[1],这对环境产生了巨大的威胁。在传统的建筑材料中，矽卡岩型铜尾矿由于其极细的晶粒和高比例的氧化钙和氧化镁是最难回收利用的一种铜尾矿。已经有报道说矽卡岩型铜尾矿能被用于制作高品质的高压蒸汽砖^[2-4]，但是高昂的运输价格和低廉的商品价限制了这种砖的商业贸易。

加气混凝土是一种有着优良保温性能的轻量多孔材料^[5,6]。根据中国国家标准，加气混凝土是唯一一种不需要添加其他保温附属材料就能满足建筑50%节能需求的墙体材料^[7]。中国政府敦促建筑节能和减少碳排放的背景使加气混凝土有了广阔的应用前景。商用加气混凝土通常是用水泥和石灰作为钙质材料，用石英砂或粉煤灰作为硅质材料进行生产。为了扩展原料的使用范围和降低产品的价格，一些研究人员已经研究了用工业废弃物如气冷矿渣^[8]、底灰^[9]、风化沙、磷渣^[10]、铅锌尾矿^[11]和铁尾矿^[12]。这些研究关注于找到合适的可替代的硅质材料，少量研究也包括找到合适的可替代的钙质材料。

本次研究中，矽卡岩型铜尾矿和水淬高炉渣是制备加气混凝土的主要材料。因为高炉渣和矽卡岩型铜尾矿都含有较高的氧化钙和氧化镁成分，因此其代替石灰作为钙质材料。而高炉渣中的二氧化硅作为硅质材料的部分替代品，减少了石英砂的使用。现在研究的目的是调查清楚由高炉渣和铜尾矿制备的加气混凝土的微观结构和组成成分，以了解加气混凝土生产过程中的反应，特别是矽卡岩型铜尾矿在反应热液中的行为。

2.实验

2.1.原材料

加气混凝土样品由以下材料制备：矽卡岩型铜尾矿、高炉渣、石英砂、水泥熟料和天然石膏。这些原料均在SMФ500ⅹ500型球磨机中磨细。原材料的化学分析和比表面积分析测试结果见表一。天然石膏的比表面积为402.6m²kg^-1. 矽卡岩型铜尾矿样品的X射线衍射分析显示其主要矿物为辉石、白云石、金云母、角闪石和方解石，伴生的次生相包括蛇纹石、钠长石、滑石和绿泥石（图一）。这些矿物大多数富含氧化钙和氧化镁，这与化学分析的结果相一致。天然石膏的X射线衍射分析显示石膏中主要矿物为二水硫酸钙没有其它结晶相。铝粉作为泥浆中的发泡组分，焦油萘用作高效增塑剂。

2.2.实验过程

首先，将准备好的原材料粉末和高效增塑剂在干燥情况下充分的混合，然后加入48度（1度左右误差）的温水混合两分钟，最后向悬浮液中加入铝粉混合30秒。将获得的悬浮液倒入100ⅹ100ⅹ100mm的钢模中让其充分扩展并在48度（1度左右误差）的环境下高压蒸汽的条件下进行养护12个小时。在样品突起的表面平整下来后，此时已经稳定，然后放入1.35MPa的工业高压蒸汽中进行水热反应8小时。

表一

原材料化学成分和比表面积

图一

矽卡岩型铜尾矿X射线衍射分析图谱

注：1.辉石 2.白云石3.云母 4.角闪石 5.蛇纹石 6.方解石 7.滑石 8.绿泥石 9.长石

2.3.分析测试

加气混凝土砖块的容积密度测试和抗压强度测试标准为GB111968-2008。标准中指出砖的容积密度测试应在砖块在60 5℃干燥24小时然后在80 5℃下干燥24小时接着在105 5℃下干燥至恒重之后测试。在样品含水率为8-12%的情况下，以加载速率为2.0 0.5kN/s进行抗压强度测试。不同样品的衍射图谱由D/MaX-RC衍射计（日本）在电流为30mA、电压为50Kv、靶材为铜靶制得。从2theta;角为5°到70°的范围内选出0.02°的步长。样品在不同阶段的微观结构用SUPRAtrade;55电子扫描显微镜观察，样品的破裂面在检查前需涂覆上一层碳膜。核磁共振测试用Bruker Avance III400型波谱仪进行测试（59.62MHz{Si}，104.0MHz{Al}）。硅的转动频率为5kHz，铝的为10kHz.延迟时间铝为1秒，硅为3秒。

3.结果与讨论

3.1.机械性能

加气混凝土的抗压强度测试结果与原材料比例的关系在表二中给出。高效增塑剂的用量为固体总量的0.8%，铝粉用量为固体总量的0.1%。液固比为0.38。按照设计的比例加气混凝土的强度能达到4.0MPa，加气混凝土的干密度为610.2kgm^-3。此外，样品在绝对干燥条件下的抗压强度能达到5.9Mpa, 其相应的比强度高达9.7Mpa。

3.2.X射线衍射分析

X射线衍射分析用于测试加气混凝土样品在高压养护过程中的变化。原材料的干混料、在饱和 蒸汽养护12 h后用温水混合后的预塑化硬加气混凝土样品和最后的加气混凝土样品的X射线衍射分析图谱见图二。如干混料图谱所示，矽卡岩型铜尾矿中除滑石和绿泥石的大部分矿物均被分辨出。这两种矿物不被探测出来可能是因为这些矿物总量在矽卡岩型铜尾矿中只占少数，而且铜尾矿添加到干燥的混合物中只占总重的30%，X射线衍射分析不够灵敏去检测出如此低的成分。石英、石膏和硅酸三钙分别来自原材料中的石英砂、天然石膏和水泥熟料，这些成分均被检测出来。存在与2theta;值为22°到38°之间的扩散带是由掺入具有玻璃状性质的高炉渣引起的。

从硬加气混凝土的光谱中可以看出，在48℃环境下预处理12小时后，硅酸三钙石和石膏的衍射峰消失。形成了一个新相Aft，2theta;值在17-38°之间的宽带表明了C-S-H凝胶的存在。AFt和C-S-H凝胶的出现以及硅酸三钙石和石膏的消失是石膏，熟料和高炉渣水合反应的结果。石英的特征峰的强度降低表明细石英颗粒参与了火山灰反应。比较干混料和变硬后的加气混凝土的光谱，白云石，金云母，钠长石，云母和闪石的特征峰显著减少。 这意味着这些铜尾矿中的结晶矿物，在室温下是惰性的，参与了在预固化期间形成AFt或C-S-H凝胶的水合反应。

从加气混凝土的光谱中可以看出，最终的加气混凝土中的主要矿物产品是托贝莫来石-11，无水石膏和一些残留矿物包括石英，白云石，方解石和橄榄岩，伴随金云母，角闪石，蛇纹石和少量钠长石。铜尾矿特征峰强度的变化没有明确检测出来。也就是说，在8小时的高压蒸汽养护过程中，铜尾矿中的矿物质没有明显的参与水热反应。托贝莫来石特征峰的半宽度比较宽的原因是由于掺入了镁离子，铝离子和来自铜尾矿的其它次要组成，托贝莫来石晶体的结构变得复杂了。在预固化处理过程中，矽卡岩型铜尾矿中的大多数矿物质参与形成AFt和C-S-H凝胶的水合反应，通过高压蒸汽处理，C-S-H凝胶和AFt的水合产物转化为托贝莫来石和无水石膏。 从铜尾矿中分解的化学元素通过AFt和C-S-H凝胶的转移被吸收到托贝莫来石晶体中。这些元素在托贝莫来石中的存在导致许多托贝莫来石晶体具有不同晶格参数和X射线衍射分析图案中的托贝莫来石峰的宽半宽度。

表二

加气混凝土样品原料组成和机械性能

图二

干混料、硬加气混凝土和加气混凝土样品的X射线衍射分析图谱

注：1.辉石 2.白云石3.云母 4.角闪石 5.蛇纹石 6.方解石 7.滑石 8.绿泥石 9.长石

AAC加气混凝土；HAC硬化加气混凝土；DM干混料；

3.3.扫描电子显微镜显微分析

硬化加气混凝土样品中人工孔的表面微观结构如图3显示，除了AFt和C-S-H凝胶之外，没有其他结晶水合产物形成，这符合3.2节中的X射线衍射分析结果。 加气混凝土样品的SEM图像显示在图4中。 由于水固比低，人工孔之间的壁部分的微观形态是致密的，这可从图4a中看出。致密结构对加气混凝土样品的高抗压强度有很好的贡献。一个人造孔的表面微观结构如图4b所示。可以观察到与片状托贝莫来石晶体相互渗透的长条状无水石膏的组合图。 联合图4b与图3所示，可以看出AFt和C-S-H凝胶转化为托贝莫来石和无水石膏。 图4b进一步放大为图4c，它清楚地显示板状雪硅钙结晶良好，其厚度为约60-80nm，宽度为1-2micro;m。 板状的托贝莫来石夹层和彼此重叠，形成牢固的骨架和板之间的空腔。这种微观结构结果，将保证该材料的高压缩强度和良好的绝热保温性能。

图3 硬化加气混凝土扫描电子显微镜图

图4加气混凝土扫描电子显微镜图（a：剖面表面；b：一个人造孔洞的内表面；c：b的进一步放大）

3.4.硅和铝的核磁共振分析

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