碱激发矿渣-铜渣体系的力学及干缩性能

2023-12-22单庆婷常先睿石贤增许荣盛

湖北理工学院学报 2023年6期

单庆婷,常先睿,石贤增,许荣盛

(1.安徽建筑大学 a.土木工程学院,b.安徽省智能地下探测技术研究院,c.建筑结构与地下工程安徽省重点实验室,安徽合肥 230601;2.国检测试控股集团安徽元正检测有限公司,安徽合肥 230012;3.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽合肥230088)

如何利用铜渣缓解矿产资源压力,实现经济与环境共赢,成为当下迫切需要处理的难题。铜渣活性极低是限制铜渣资源化利用的主要原因。目前,已有不少学者对铜渣取代混凝土骨料进行了探索。You等[1]研究了铜渣(CS)在不同体积取代率(即 0%、20%、40%和60%)下替代天然砂(NS)对碱激发矿渣-粉煤灰(AASF)砂浆性能的影响。Rajasekar等[2]考察了利用铜渣替代石英砂生产超高强度混凝土(UHSC)的可行性,评价了掺铜渣超高强度混凝土(CS-UHSC)的强度和耐久性能。以上研究成果为铜渣作为混凝土骨料替代品,优化混凝土性能提供了理论基础。然而,铜渣作为胶凝材料的替代品,优化胶凝材料性能,特别是优化矿渣胶凝材料配合比方面鲜有研究。

本文针对碱激发矿渣胶凝材料凝结速度快、收缩变形大、铜渣活性低、碱激发铜渣胶砂试件水化速度慢等问题[3-6],研究了不同铜渣掺量对矿渣-铜渣复合胶凝材料标准稠度用水量、凝结时间、力学性能以及干缩性能的影响,并通过加入不同碱性激发剂,探索了激发剂对矿渣-铜渣复合胶凝材料的活化效果。

1 试验

1.1 原材料与试剂

矿渣、铜渣的主要性能参数及化学成分见表1。矿渣为S95级高炉矿渣,来自于灵寿县矿产品加工厂。根据《用于水泥中的粒化高炉矿渣》(GB/T 203—2008)计算出矿渣的碱度系数(M0)为1.16,则该矿粉为碱性矿渣。矿渣的质量系数(K)、活性系数(Ma)分别为2.27、0.56,活性较高。铜渣来自河北省冶炼厂,为高温水淬渣,采用球磨机进行球磨,再将铜渣粉末过0.075 mm标准筛得到符合要求的铜渣粉。铜渣的主要成分为Fe2O3和SiO2,CaO、Al2O3含量较少,此外重金属元素Cr和Mn的含量分别为0.14%和0.84%,符合规定要求。铜渣的碱度系数为0.43 ,属于酸性矿渣。铜渣的质量系数和活度系数分别为0.79、0.28(>0.12),活性较低。矿渣、铜渣的粒径分布如图1所示。

(a) 矿渣粒径分布 (b) 铜渣粒径分布图1 矿渣、铜渣的粒径分布

表1 矿渣、铜渣的主要性能参数及化学成分

NaOH(分析纯,纯度≥96%)、Na2O·nSiO4均来自嘉善县优瑞耐火材料有限公司。本试验中选用的水玻璃由水玻璃原液(Na2SiO3)与氢氧化钠(NaOH)复掺配制而成,将水玻璃模数调整为1.5,碱度调整为5。水玻璃原液参数见表2。无水碳酸钠为分析纯,浓度≥99.8%;无水硫酸钠为化学纯,浓度≥99.0%;砂采用天然河沙。

表2 水玻璃原液参数

1.2 试验方法

1.2.1 标准稠度用水量、凝结时间

根据《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 17671—2021)测试碱激发矿渣-铜渣净浆的标准稠度用水量和初凝、终凝时间,测试仪器为维卡仪。

1.2.2 抗折、抗压强度

按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO)法》(GB/T 17671—2021)制备不同铜渣掺量的胶砂试件,置于标准养护箱中养护24 h后拆模,脱模后继续在标准养护箱中养护至3、7、28 d,分别测试胶凝试件的抗折、抗压强度。不同铜渣掺量的复合胶凝材料体系配合比见表3,铜渣掺量为0的胶砂试件作为基准组T0。

表3 不同铜渣掺量的复合胶凝材料体系配合比

不同碱性激发剂的复合胶凝材料体系配合比见表4。

表4 不同碱性激发剂的复合胶凝材料体系配合比

在找到最佳铜渣-矿渣复掺比例下,分别选用水玻璃(Na2O·nSiO4)、NaOH、Na2CO3、Na2SO4作为不同碱性激发剂,控制碱当量为5(Na2O与矿渣-铜渣总质量之比为5%),制备不同碱激发剂的复合胶砂试件,分别记为Si、H、C、S,测试不同激发剂对复合胶凝材料3、7、28 d抗折、抗压强度的影响。

1.2.3 干燥收缩

干燥收缩试验参考《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)进行。由于碱激发复合胶凝材料具有凝结速度快、早期强度高的特点,将试件的拆模时间提前到1 d,分别测定试件1、3、7、14、28、56、90 d的长度。

复合胶凝材料自然干燥收缩值为:

(1)

式(1)中,εat为相应为td(1、3、7、14、28、56、90 d)时的自然干燥收缩值;L0为试件成型后1 d的长度即初始长度,mm;L为试件的长度,即160 mm;Ld为2个收缩头埋入砂浆中长度之和,即20±2 mm;Lt为td(1、3、7、14、28、56、90 d)时试件的实测长度,mm。

干燥收缩值取3个试件测试值的算术平均值。如某个值与平均值偏差大于20%,则将其剔除,两个值与平均值偏差大于20%,则该组试件结果无效。

2 结果与讨论

2.1 铜渣掺量对复合胶凝材料标准稠度用水量、凝结时间的影响

表5 铜渣掺量对碱激发矿渣-铜渣净浆标准稠度用水量和凝结时间的影响

2.2 铜渣掺量对碱激发矿渣-铜渣胶凝材料抗折、抗压强度的影响

铜渣掺量对复合胶凝材料抗折、抗压强度的影响如图2所示。当铜渣的掺量为30 %时,胶凝材料3、7和28 d抗折强度分别为4.86、7.41和8.68 MPa,与基准组T0的抗折强度相差不大,并且28 d的抗折强度略高于基准组T0,3、7和28 d的抗压强度相对于基准组T0均有一定幅度的提升,28 d抗压强度高达62.45 MPa;当铜渣掺量大于30 %时,浆体的抗折、抗压强度急剧下降,铜渣掺量为50 %时,28 d的抗折强度仅为5.48 MPa、抗压强度仅为42.01 MPa。这是由于矿渣活性较高,聚合反应以及水化反应速率较快,高掺量的矿渣胶凝材料早期强度较高且增长较快。而铜渣活性极低,铜渣的掺入降低了水化体系中的钙组分比例,削弱了胶凝活性离子的水化反应速率,胶凝体系中C—S—H、C—A—S—H凝胶的生成量降低[7]。但是铜渣中含有大量的Fe3O4和Fe2SiO4,水化反应产物还有Fe(OH)2、Fe(OH)3,铁的氢氧化物凝胶可以有效地减少孔洞的产生,在一定程度上提高了铜渣-矿渣复合胶凝试件的强度。当铜渣掺量大于30 %时,铜渣掺量过大致使铜渣对复合胶凝材料体系的水化速率削弱作用过大,并且铜渣中的Cu、Zn元素在碱性环境中形成沉淀物覆盖在矿渣颗粒表面,进一步抑制了水化反应,导致复合胶凝材料的抗折、抗压强度大幅度降低。

(a) 抗折强度 (b) 抗压强度图2 铜渣掺量对复合胶凝材料抗折、抗压强度的影响

2.3 铜渣掺量对碱激发矿渣-铜渣胶凝材料干缩性能的影响

复合胶凝材料的干燥收缩率随着铜渣掺量的增加先减小后增大。当铜渣以低掺量掺入时可降低复合胶凝材料的干燥收缩,铜渣掺量为30%时,复合胶凝材料的干燥缩率最小,对应90 d的干燥收缩率为2 840×10-6,是矿渣掺量100%时干燥收缩率的74.27%。当铜渣掺量过高,由于铜渣颗粒致密且光滑,高掺量会导致砂浆的离析和泌水,从而增加了复合胶凝材料的干燥收缩率。铜渣掺量并不会影响复合胶凝材料干燥收缩率的变化趋势,前期增长率较快,14 d基本达到稳定,28 d后虽然有所增长,但是增长速度十分缓慢。

2.4 不同碱性激发剂对复合胶凝材料抗折、抗压强度分析

通过以上分析得到铜渣掺量为30%时,复合胶凝材料具有较好的力学性能和干缩性能。因此,控制铜渣掺量为30%,分别加入NaOH、Na2CO3、Na2SO4,控制碱当量为5,制备了不同碱激发剂下的矿渣-铜渣复合胶砂试件,以模数和碱度分别为1.5、5的水玻璃激发矿渣-铜渣复合胶砂试件作为对照组。不同碱性激发剂对矿渣-铜渣复合胶凝材料的抗折、抗压强度影响如图3所示。由图3可知,当铜渣掺量为30%时,4种激发剂均可激发出铜渣-矿渣复合胶凝材料的的潜在活性,促进其水化速率,提高反应活性。其中,对照组对铜渣-矿渣复合胶凝材料的激发效果最明显,NaOH次之,Na2CO3、Na2SO4对于矿渣-铜渣胶凝材料的激发效果较差。这可能是因为,NaOH相对Na2CO3、Na2SO4碱性更高,在相同Na2O当量下,NaOH会使复合胶凝材料水化环境中OH-的浓度更高,促进了胶凝材料中玻璃体结构的解聚,加快水化反应速率,因而早期强度较高。同时,由于NaOH激发复合胶凝材料体系中OH-浓度较高,OH-与Ca2+结合形成Ca(OH)2沉淀,Ca(OH)2附着在胶凝材料表面抑制了水化反应的速度,所以后期强度增长缓慢。水玻璃作为碱性激发剂,不仅为胶凝材料水化提供了碱性环境,而且水玻璃中的Na2SiO3,能够充当骨架,使胶凝材料水化反应生成的C—S—H、C—A—S—H凝胶填充在其骨架中,一定程度上提升了复合胶凝材料的强度。综上所述,当铜渣掺量为30%时,水玻璃对矿渣-铜渣复合胶凝材料的激发效果最优。