摘要：为了更好的提升磷渣的附加值，本文研究以碱激发磷渣活性的方式制备制免蒸压的加气混凝土。文中研究了发气剂掺量、水玻璃模数、碱含量、水固比和碱溶液温度等因素对加气混凝土容重的影响，根据GB 11968-2006 中的标准，制备出的加气混凝土容重级别为B05~B08、抗压强度级别为A2.5~A7.5。实验结果表明：碱磷渣胶凝材料能够制备出加气混凝土，并且未经过蒸压养护的磷渣加气混凝土的力学性能符合国家的相关要求。
关键词：碱激发；磷渣；加气混凝土；免蒸压养护
中图分类号：TQ170.9三废处理与综合利用
磷渣是电炉法制取黄磷过程中产生的工业废渣，据统计我国每年排放磷渣约500-600万吨，由于其含有磷和氟，长期堆放在露天，经过风吹雨淋后有毒物质经水淋后会渗透到土壤中而造成环境污染[1]，同时也是对资源的一种浪费。磷渣中含有氧化硅、氧化铝，是具有潜在活性的材料，因此充分利用磷渣不仅是减少环境污染、改善生态环境的必走路径,也是防止资源浪费,提高经济效益,发展生态清洁工艺,使社会、经济、环境得以协调持续发展的重要措施[2]。
加气混凝土又称发气混凝土，是通过发气剂使水泥料浆拌合物发气产生大量孔径为0.5～1.5mm的均匀封闭气泡，并经过养护硬化而形成的一种多孔混凝土[3]，加气混凝土具有轻质、高强、节能、节土、保温、隔热、利废、防火和易加工等优点。加气混凝土根据养护方式可以分为免蒸压养护（NAAC）和蒸压养护混凝土（AAC）[4]，目前国内的加气混凝土产品主要是以蒸压的为主，对免征压养护的加气混凝土研究相对较少。
本文研究了碱激发磷渣制备加气混凝土时的各种影响因素，并测试了不同龄期的免蒸压磷渣加气混凝土的强度。
1 实验
1.1 原材料
实验所用原料主要有磨细磷渣粉、水泥、碱激发剂和发气剂。其中磷渣粉的比表面积为380～420m2/kg，密度2.6～2.8g/cm3，其主要的化学成分见表1；水泥采用贵州水泥厂生产的“乌江”P.O 42.5，检验结果见表2；粉煤灰为凯里电厂的原状湿排灰。碱激发剂：由水玻璃和烧碱两部分组成，其中水玻璃为市售，模数为3.2～3.4，固含量≥40%；NaOH 是贵州省遵义碱厂生产的片状碱，含量≥96%；实验选用Al 粉作为发气剂。
表 1 磷渣的主要化学成分 w%
Table 1 Chemical composition of phosphorous slag w%
表2 水泥检验结果
Table 2 test result of cement
1.2 实验方法
实验浇筑成型时工艺参照普通加气混凝土厂加气混凝土的生产工艺，具体的工艺流程如图1 所示。实验中将磷渣加气混凝土成型为10cm×10cm×10cm 的立方体试件，放入混凝土标准养护室中进行养护，待到规定的龄期后再取出试块进行力学性能的测试，试块体积密度的测试按GB/T 11970—1997《加气混凝土力体积密度、含水率和吸水率试验方法》进行，力学性能的测试方法按GB/T 11971—1997《加气混凝土力学性能试验方法》进行。具体的工艺流程如图1 所示。
图1 磷渣加气混凝土制备工艺流程图
Fig.1 flow chart of the aerated concrete with alkali-phosphorus slag
2 实验结果与讨论
实验以加气混凝土的容重为指标，用单因素实验的方法研究了各种因素对其的影响，同时实验中测试了不同龄期的加气混凝土的抗压强度。根据初期的探索，确定了实验的基准配合比，见表3 所示，下面实验中对各因素的研究都在此基准配合比基础上进行的。
表3 实验基准配合比
Table 3 proportioning of benchmark
2.1 发气剂掺量的影响
本研究选用铝粉作为发气剂，实验结果见表4 所示：
表4 发气剂掺量的影响
Table 4 influence of gas-former on bulk density
从表中可以看出，磷渣加气混凝土的容重随着铝粉掺量的增加而减轻的，但是当铝粉的掺量超过0.296%以后，铝粉掺量的增加对减轻加气混凝土的容重所起的作用已经不大；当Al 的掺量达到0.444%时，磷渣加气混凝土容重反而略有增加，说明过量的铝粉会导致料浆浇注时产生塌模，这不利于料浆的浇筑稳定性。实际生产中适应根据加气混凝土具体的容重选择合适的铝粉掺量。
2.2 水玻璃模数的影响
实验中是用碱激发的方式使磷渣产生活性的，根据以往学者们研究碱磷渣胶凝材料的资料[5-6]，碱激发剂——水玻璃的模数一般需调制至1.2～1.5 之间，因为在这个范围内磷渣胶凝材料的抗压强度最高即磷渣的活性在这个范围内最大。实验中用NaOH 将水玻璃模数分别调至1.0，1.2，1.4，1.6 后进行实验，实验结果见图2 所示：
从图2 中的曲线来看，当水玻璃模数小于1.1 或者大于1.5 以后，加气混凝土的容重变化很大，当模数为1.6 时的容重已接近900 kg/m3；而当模数在1.1～1.5 之间时，加气混凝土的容重在570～650 kg/m3 之间，变化不大；实验结果表明：水玻璃模数不但影响磷渣活性的激发，而且对磷渣加气混凝土的容重也会产生影响。为了制备出容重≤800 kg/m3 的加气混凝土制品，水玻璃模数应控制在1.0～1.5 之间。
2.3 碱含量的影响
碱含量是以碱激发剂中的Na2O 质量与总的粉料质量的百分比来计算的。根据李志清[6]的研究，Na2O 的含量在6%左右时对激发磷渣胶凝材料的活性最为有利。实验中研究了料浆中碱含量的影响，结果见图3 所示：
当Na2O 的含量在5.5%～6.5%之间时图3 中曲线比较平稳，说明在这个范围内碱含量的多少对加气混凝土的容重影响不大；当Na2O 含量少于5.5 时，曲线曲率变大，加气混凝土容重迅速增加，这是因为料浆中的碱含量不足影响了Al 的发气速率，导致料浆发气时出现发气量不足和憋气的现象。
需要注意的是，料浆中碱含量的增加虽然有利于铝粉的发气，但同时也会影响料浆的浇注稳定性。因为如果铝粉的发气速度快于料浆的稠化速度，会造成浇注时料将表面出现大量的气泡（冒泡）甚至会导致塌模[3]，这不利于料浆的浇注稳定性。综合以上的分析，为了制备出容重≤800 kg/m3 的加气混凝土制品，料浆中的碱含量应控制在5.5%～6.5%之间。
2.4 水固比的影响
水固比的大小不仅会影响加气混凝土的强度，而且对密度也有较大的影响，水固比越小，强度越高而密度也会增大。但同时还应考虑浇筑、发气膨胀过程中的流动性和稳定性[3]。以上是水固比对普通加气混凝土的影响，为了研究水固比对磷渣加气混凝土容重的影响，我们做了水固比与容重关系的实验（实验中的水包括碱激发剂中的水和实验时加入的水），实验结果如图4 所示：
图中直线是用Origin 软件对数据进行线性分析和拟合后的结果，图中实验数据虽然有一定的离散性但都均匀的分布在直线两侧，说明磷渣加气混凝土的容重总体上是随着水固比的增加而降低的，实验中发现：水固比控制在0.29~0.33 之间最适合于料浆的浇注。当水固比低于0.29 后，料浆的流动性也随之变差，这对料浆的浇筑和膨胀都会产生不利影响；而水固比超过0.32以后，虽然料浆流动性会提高，但是由于料浆稠度变化导致发气过程中易出现冒泡，塌模等现象，也不利于料浆的浇筑成型。
2.5 碱溶液温度的影响
碱溶液即碱激发剂，用NaOH 和水玻璃调制碱激发剂时会有热量产生使碱溶液温度升高，实验时将相同的碱激发剂存放至不同的温度后进行实验，实验结果见表5：
表 5 碱溶液温度的影响
Table 5 influence of temperature of alkali solution
表中的时间是从加入铝粉开始计算的，由实验结果可知：碱溶液温度对加气混凝土的容重影响不太明显，但是对料浆的稠化速度影响很大，温度越高料浆稠化时间越短即稠化速度越快，这说明较高的温度更有利于促进磷渣活性的激发，加速碱胶凝材料的水化。从表5可以看出，当碱液温度为50 ℃时，加入铝粉后在搅拌过程中料浆就已经开始膨胀发泡，这导致料浆无法顺利的校注成型。出于操作时间和生产方面的考虑，配制好的碱激发剂一般应陈化到室温（20 ℃）时再进行实验。
2.6 磷渣加气混凝土的力学性能
力学性能是加气混凝土的重要指标，一般仅以抗压强度来表示加气混凝土的强度[3]。研究中的磷渣加气混凝土不是靠蒸压而是靠自然养护获得强度的，所以研究了加气混凝土的强度与养护龄期的关系。实验时加气混凝土试块均是放在混凝土标准养护室中养护，到龄期后取出试块待其表面水分晾干（此时试块含水率约在20%—25%之间），然后再进行抗压强度的测试，实验结果见表6：
表6 抗压强度与养护龄期的关系
Table 6 relationship between compressive strength and curing age
从表6 中加气混凝土试块的强度分析，磷渣加气混凝土无需蒸压养护，只需要在混凝土标准养护条件下养护即可获得较高的强度，容重在525~887 kg/m3 的磷渣加气混凝土养护28d 后其抗压强度分别能够达到3.3~9.3 MPa。按照GB 11968-2006《蒸压加气混凝土砌块》中的规定，经过标准养护28d 后的免蒸压磷渣加气混凝土，其容重级别符合B05~B08 的要求，强度级别可以达到A2.5~A7.5 的要求。
从强度随养护时间的变化来分析，加气混凝土的强度发展大致可以分成三个阶段：从成型到28 d 时为第一个阶段，这个阶段是其强度快速增长期，加气混凝土强度在这个阶段发展最快，这是被激发出活性的磷渣不断水化的结果所致；从28 d 到60 d 为第二个阶段，加气混凝土的强度在这个期间增长不明显，这个阶段磷渣的水化基本已经结束，因此试块强度增长缓慢；从60 d 以后为第三阶段，此时加气混凝土强度又有增长但幅度不大，这可能是试块中的粉煤灰开始部分水化的结果。
2.7 水化机理浅析
程麟等人[5]认为碱磷渣胶凝材料的水化过程如下：碱激发剂加入水中后迅速水解生成大量的OH–，溶液的pH 值急剧升高，磷渣的表面最先发生溶解，磷渣溶解过程中会在溶液中产生大量的Ca2+，[SiO4]4–等离子。另外由于磷渣中还含有少量的Al，因而在强碱性溶液中还会由于溶解形成[AlO4]5–等离子，溶液中大量的Na+，Ca2+又会和[SiO4]4–，[AlO4]5–发生聚合反应而形成CSH、沸石类矿物，它们不断聚合从而形成整个碱磷渣水泥的骨架。由此可见，碱磷渣胶凝材料的水化是一个“溶解–聚合”的过程。根据李志清的研究结果，以水玻璃为激发剂制备的碱磷渣胶凝材料的水化产物主要是C-S-H、水化硅铝酸钙等[6]。
3 结论
1、实验表明以碱磷渣为原材料可以制备出免蒸压的加气混凝土制品，这不仅消耗掉了工业废渣有利于提升磷渣的价值，同时也为加气混凝土增加了一个新的品种。制品中的固体废弃物（磷渣和粉煤灰）质量已占到制品中粉料总量的90%以上。
2、发气剂掺量，水玻璃模数，料浆碱含量，水固比都会影响磷渣加气混凝土的容重，要制备B05~B08 级的磷渣加气混凝土，铝粉掺量为0.1%～0.4%，水玻璃模数为1.0～1.5，Na2O 含量在5.5%～6.5%之间，水固比应控制在0.29～0.32 范围内。在实际生产过程中应根据所要求制备的磷渣加气混凝土的容重，在以上所给的参数的范围内合理的选择各参数的值。
3、碱溶液的温度对磷渣加气混凝土的容重影响不大但对料浆稠化速度影响很大，温度越高料浆稠化速度越快。为了有充分的时间浇筑成型，碱溶液温度一般应控制在20℃左右。
4、磷渣加气混凝土是靠自然养护方式而非蒸压方式获得强度，这不仅节约了资源降低了成本，而且不会在生产中造成二次污染。养护28d 后容重级别为B05~B08 的加气混凝土，其强度级别可以达到A2.5~A7.5，能够达到甚至超过GB 11968-2006 中对加气混凝土强度的要求。
参考文献
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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
