尾矿砂制备装配式预制保温墙体性能分析.pdf

上 海 理 工 大 学 学 报 第 卷第期 文章编号 收稿日期 第一作者刘卫东 男 教授研究方向 无机非金属建筑材料 尾矿砂制备装配式预制保温墙体性能分析 刘卫东 汤士海 刘佳 欧阳瑞 陈宁 方乙涵 上海理工大学 环境与建筑学院 上海 上海市建筑研究科学院 上海 摘要针对我国目前尾矿的环境污染问题 利用尾矿砂作为主要原料制备加气混凝土 通过正交试 验设计 运用权矩阵分析不同配比条件下加气砌块的干密度和力学性能 结果表明 水泥 用量为 石灰用量为 尾矿砂用量为 水料质量比为 时 加气混凝土的性能最 优采用自主研发的稳态平板导热仪测量砌块导热系数 实验结果说明砌块保温性能较好 可用于 制备装配式预制保温墙体最后 对仪器的实用性 创新性以及热电偶标定技术的精确性进行了 验证 关键词尾矿砂权矩阵装配式预制保温墙体稳态平板法导热系数 中图分类号 文献标志码 上 海 理 工 大 学 学 报 年 第 卷 我国矿产资源丰富 是国民经济发展的重要支 柱随着矿产资源的不断开采 尾矿数量也不断增 加据统计 每开采金属矿就会产生 尾 矿 尾矿的随意堆砌对土壤和水体造成严重污染 由于尾矿富含二氧化硅 故可作为加气混凝土的硅 质原材料而有效利用 从而解决尾矿的环境污染问 题 本文以浙江某尾矿为例制备蒸压加气混凝 土砌块 利用正交试验设计 运用矩阵分析法以及自 主研发的仪器对试验砌块进行热工性能的研究 从 而得出生产加气混凝土的最优配合比 试验概况 试验材料 水泥 万安 物理及力学性能指标见表 尾矿砂 技术指标见表 石灰 中速消化石灰 上 海建研建材有限公司 主要化学性能见表 石膏 主要化学指标见表 铝粉 筛余 山东 兴源金属颜料有限公司 水 试块制备选用自来水 蒸压釜用水为蒸馏水 表 水泥物理及力学性能 拌合需水量 凝结时间 抗折强度 抗压强度 初凝终凝 表 尾矿主要化学成分 烧失量 表 石灰主要化学成分 烧失量 表 石膏主要化学成分 烧失量 试验流程及试验方法 本试验流程参照上海大来新型建筑材料有限公 司生产工艺 具体试验流程 如图所示 试验参照国家标准 蒸压加 气混凝土试验方法 进行 测试制品的干密度及 抗压强度经大量实验表明 石膏与石灰的质量比为 本试验石膏产量随石灰变化 按比例选 用同时试验按照 正交试验表设计试验 考 虑的因素包括水泥掺量 尾矿砂掺量 石灰掺量和水 料比 每个因素取个水平 各因素水平见表 本 试验以 加气砌块为参考 铝粉质量掺量为 试验配合比见表 砌块的抗压强度以及干密度为 参考依据 进而确定最优基准配合比 图 试验的工艺流程示意图 第期 刘卫东 等 尾矿砂制备装配式预制保温墙体性能分析 表 正交试验因素及水平设计 水平水泥用量石灰用量尾矿砂用量水料比 表 试验配合比 编号水泥石灰石膏砂铝粉水水料比 试验结果分析 经试验测得加气砌块的干密度及抗压强度如表 所示 表 加气砌块的干密度及抗压强度值 编号干密度 抗压强度 试验中 抗压强度指标越大性能越好 干密度指 标越小性能越好下述采用矩阵分析法 计算影响试 验结果的各因素水平权重 根据权重大小 得出每个 因素对应的水平对结果的影响权重 并最终得出最 优配合比影响试验指标值的权矩阵见式 式中 为正交试验指标值的权矩阵为正交试 验考察的指标矩阵 为正交试验因素矩阵 为正交试验水平矩阵 为某一水平 指标值占所有指标值总和的比 为某因素极差占 所有因素的极差总和的比 两者的乘积不仅能够反 映因素某一水平对指标值的影响程度 而且能够反 上 海 理 工 大 学 学 报 年 第 卷 映因素极差的大小 第一个考察指标为加气块的抗压强度 权矩阵 计算如下 本试验第二个考查的指标为干密度 显然干密 度指标越低 加气块的质量越好 同理其权矩阵计算 如下 本正交试验考查指标的总权矩阵为两个指标值 的权矩阵的平均值 计算如下 由以上计算可知因素的个水平对于试验 结果影响的权重分别为 占的权重最大 同理因素中 占的权重最大 因素中占的权重最大因素 中占的权重最大 因此本试验最优方案为 即水泥用量为 石灰用量为 尾矿砂用量为 水料比为 由总权矩阵可 知 各因素对正交试验的抗压强度指标以及干密度 指标影响的顺序为 即水泥尾矿 砂水料比石灰 热工性能分析 由于上述试验已得出 水泥对加气混凝土砌块 影响最大 故本实验选取水泥用量相同的第 号配合比试块进行导热系数测量 试验仪器简介 采用上海理工大学课题组专门设计的平板导热 仪 核心方法是稳态平板法 是一种应用一维稳态导 热过程的基本原理来测定材料导热系数的方法 适用于测定均质板材的导热系数其原理是 加热板 被加热时 热量由内向外传递 由于加热板两边的条 件对 称 故 两 侧 传 递 的 热 量 均 为 板 加 热 量 的 一半 本仪器低电压 小功率 保证了使用的安全性 在仪表选择 试件制作 箱体设计和制造方面注意了 可靠性 耐用性和组装的便捷性 热电偶标定时直接 使用本机仪表 保证了测试的精度用于放置试块的 保温材料为锌铜 隔热效果很好 并且采用三元乙丙 进行密封 最大限度地降低不必要的散热能同时测 量两块试块 大大提高了试验效率 解决了稳态法测 量周期较长的这个问题 很好地克服了稳态法的缺 第期 刘卫东 等 尾矿砂制备装配式预制保温墙体性能分析 点 目前该仪器已经申请发明专利试验装置示意图 如图所示 图 试验装置示意图 试验数据分析 由铜康铜热电偶分度表可对应得出试块表面 实际温度 从而得出导热系数 式中 为板的总加热量 电功率 为单块试 样的厚度 分别为试材的内表面温度和试 材的外表面温度 按试材内侧的热电偶和试材外 侧热电偶所测温度分别取其算术平均值 为试材 截面积 为 以上数据可知 通过矩阵得出的最优配合比 导热系数较小 并且三者均相差不大 即说明加气 砌块保温性能较好 可作为装配式预制保温墙体 同时 该自主研发的仪器在试验中体现出使用方 便 易操作 在干燥恒温环境便可使用等优点 故 该仪器使用的稳态平板导热法是测定固体导热系 数的优选方法试验中测得的三组矿砂保温墙体 材料导热系数值如表所示 表 尾矿砂保温墙体材料导热系数值 参数配比配比配比 内侧平均温度 外侧平均温度 温差 导热系数 结论 在强度权矩阵和干密度矩阵中 水泥的权 重均为最大 分别为 和 说明水泥对加 气砌块的强度以及干密度影响最大 其用量直接 影响料浆稠度 影响铝粉发起过程中料浆的粘滞 阻力 综合强度和干密度两方面 各因素的影响 顺序为水泥 尾矿砂 水料比 石灰最优配合比 为 水泥用量为 石灰用量为 石膏用量 尾矿砂用量为 水料比为 本试验 的试验分析可为各地尾矿砂用于加气砌块的生产 提供一定的指导作用 通过对尾矿砂保温墙体材料导热系数进行 测量 发现其热工性能较好 且最优配合比下的砌 块保温性能较好 可作为装配式预制保温墙体 同 时也对自主研发仪器的实用性以及创新性进行了 验证 热电偶标定技术更体现了该仪器的精确性 参考文献 谭宝会 朱强 陈莹 等我国尾矿综合利用现状及存 在的问题和发展对策 矿山机械 陈友治 蔡云 李方贤 等利用尾矿生产加气混凝土 的试验研究 广东建材 温欣子 李富平 王建胜铁尾矿砂制备加气混凝土砌 块的试验研究 绿色科技 杨国华 郭建文 王建华尾矿综合利用现状调查及其 意义 矿业工程 周玉珠正交试验设计的矩阵分析方法 数学的实 践和认识 钱惠生 白士龙 张春植 等尾矿轻集料混凝土小型 空心砌块配比试验全国地震灾区固体废弃物 资源化与节能抗震房屋建设研讨会论文集重庆 中 国硅酸盐学会 朱敏聪 朱申红 夏荣华 等利用矿山尾矿制作蒸压 砖的试验研究 中国可持续发展论坛论文 汇编广州 中国可持续发展研究会 上 海 理 工 大 学 学 报 年 第 卷 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国 家标准化管理委员会蒸压加气混凝土性能试验方法 北京 中国标准出版社 曾悠兵 李艳宁 张立雄 等导热系数测定仪的系统 稳定状态判定方法研究 仪表技术与传感器 冯毅 梁满兵稳态平板导热系数测定仪的误差分析 广州华工 编辑 丁红艺 上接第 页 编辑 石瑛