化學(xué)激發(fā)酸性礦渣粉膠砂性能試驗研究

袁俊航，隆 威

(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙410083)

礦渣的化學(xué)成分接近于水泥熟料，但是要通過活化激發(fā)才能具有一定的強度。通過前期大量試驗［1］，最終選用 28 d的最優(yōu)配方，即 2%NaOH+1.5%Ca(OH)2+2.5%Na2CO3+0.5%KAl(SO4)2·12H2O來激發(fā)礦渣粉作為膠凝材料。用此膠凝材料來膠結(jié)細(xì)砂制成砂漿，通過實驗，從流動度、失水率、干縮率、不同齡期的抗壓強度4個方面來判別砂漿的性能優(yōu)劣，最終選擇最優(yōu)配方使其能夠滿足礦山充填需求。本實驗對砂漿的流動度、失水率、干縮率、抗壓強度都進行了分析，對以后礦山充填材料的研究起到了借鑒作用。礦渣原本是一種工業(yè)廢渣，經(jīng)過化學(xué)激發(fā)作為膠凝材料，減輕了對環(huán)境的污染，跟用水泥對比，降低了礦山的充填成本，實現(xiàn)了環(huán)境保護和社會經(jīng)濟效益的雙贏，具有重要的意義［2］。

1 膠砂試驗內(nèi)容

本試驗將測試砂漿的流動度、失水率、干縮率和抗壓強度，以這4方面性能來分析試驗結(jié)果［3］。

漿液的流動性好壞決定了其可泵性與灌注質(zhì)量。漿液的流動性主要以流動度大小來量度。測定砂漿的流動度采用跳桌測試法。

失水率是決定砂漿使用效果的重要因素之一，本試驗測定砂漿脫模成型時的失水率。試驗前先稱模具的質(zhì)量記為M0，把攪拌完成后的砂漿倒入模具內(nèi)稱其總質(zhì)量記為M1，放養(yǎng)護箱養(yǎng)護1 d后稱模具和試樣的質(zhì)量記為M2，則失水率:

砂漿的干縮率越小越好，參照《水泥膠砂干縮試驗方法》(JC/T 603—1995)標(biāo)準(zhǔn)進行砂漿的干縮率測定。

抗壓強度測試采用NYL－60型壓力試驗機，分別測定試樣3 d、7 d 和28 d 的抗壓強度［4－8］。

2 膠砂試驗結(jié)果及分析

2．1 質(zhì)量濃度對砂漿性能的影響

質(zhì)量濃度是影響砂漿性能的要素之一。為了分析質(zhì)量濃度對砂漿性能的影響規(guī)律，本試驗固定灰砂比為1∶4，攪拌時間為5 min，試驗結(jié)果如表1所示。

依據(jù)表1可知，在其它因素不變的條件下，流動度隨著質(zhì)量濃度的增加而逐漸減小，試樣的失水率、干縮率隨著質(zhì)量濃度的增大而逐漸降低，基本呈線性關(guān)系，主要原因在于質(zhì)量濃度越大，砂漿凝結(jié)后析出的自由水越少，析水率降低，干縮率降低。試樣3個不同齡期的抗壓強度都是隨著質(zhì)量濃度的增大而增大的。說明質(zhì)量濃度在88%以內(nèi)時，加入的水足夠礦渣粉水化所需，加入的水越少，游離態(tài)水越少，水化產(chǎn)物凝結(jié)后抗壓強度越大。

表1 質(zhì)量濃度對砂漿性能影響試驗結(jié)果

2．2 灰砂比對砂漿性能影響

用礦渣粉膠凝材料膠結(jié)細(xì)砂制成砂漿試樣，固定質(zhì)量濃度為84%、攪拌時間為5 min，變化灰砂比來判別其對砂漿性能的作用效果，試驗結(jié)果見表2。

表2 礦渣粉膠砂灰砂比對砂漿性能影響試驗結(jié)果

采用同樣的方法，用PO 42.5普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料膠結(jié)細(xì)砂制成砂漿試樣，與礦渣粉膠凝材料形成對比，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 水泥膠砂灰砂比對砂漿性能影響試驗結(jié)果

由表2、表3并結(jié)合表1中試驗P4做出圖1、圖2，可見，在其它因素不變的條件下，灰砂比在1∶3～1∶6之間變化時，無論是礦渣粉砂漿還是水泥砂漿，流動度、失水率、干縮率、抗壓強度都隨著灰砂比的減小而減?。?－9］，礦渣粉砂漿的失水率、干縮率明顯低于水泥砂漿，說明礦渣粉膠凝材料的性能好。

2．3 攪拌時間對砂漿性能影響

圖1 灰砂比對砂漿失水率影響

圖2 灰砂比對砂漿干縮率影響

用礦渣粉膠凝材料膠結(jié)細(xì)砂制成砂漿試樣，固定質(zhì)量濃度為84%、灰砂比1∶3，變化攪拌時間判別其對砂漿性能的影響。試驗結(jié)果見表4。

表4 攪拌時間對砂漿性能影響試驗結(jié)果

由表4并結(jié)合表2中試驗P7可知，在其它因素不變的條件下，攪拌時間在4～6 min的區(qū)間內(nèi)變化時，砂漿的流動度先增再減隨后再增加(圖3)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是攪拌時間過短，礦渣粉、細(xì)砂沒有被均勻攪拌，顆粒沒有分散，流動度較低;而攪拌時間越長，攪拌越均勻，顆粒分散細(xì)化程度越高，礦渣粉水化越充分，析出來的自由水越多，所以宏觀上表現(xiàn)為流動度越大，砂漿的失水率、干縮率隨著攪拌時間的增加而增大。

圖3 攪拌時間對砂漿流動度影響

試樣3個不同齡期的抗壓強度都是隨著攪拌時間的增加先增加再降低(見圖4)。由于材料混合的越均勻，礦渣粉水化程度越高;但是水化過程中攪拌的時間過長就會導(dǎo)致水化產(chǎn)物凝膠與晶體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不能形成，或者破壞了凝膠與晶體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不易形成堅硬的結(jié)石，而成為疏松的膏體，導(dǎo)致強度降低。

圖4 攪拌時間對抗壓強度影響

2．4 減水劑對砂漿性能影響

用礦渣粉膠凝材料膠結(jié)細(xì)砂制成砂漿試樣，固定質(zhì)量濃度為86%、灰砂比1∶3、攪拌時間為5 min，變化減水劑摻量(減水劑摻量為礦渣粉摻量的百分比)判別其對砂漿性能的影響，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 減水劑對砂漿性能影響試驗結(jié)果

由表5知，砂漿的流動度會隨著減水劑摻量的增加而變大。減水劑是親水性有機活性物質(zhì)，加入后能吸附在礦渣粉顆粒表面形成親水的吸附穩(wěn)定層，降低了顆粒間接觸時的摩阻力，由于分散效應(yīng)使得絮凝結(jié)構(gòu)中的游離態(tài)水釋放出來，從而有效的增大了砂漿的流動度。砂漿的失水率、干縮率隨減水劑摻量的增加而增大，產(chǎn)生這樣現(xiàn)象的主要原因是減水劑加入后，將砂漿中的結(jié)合水分離，使水以游離態(tài)的形式存在，這部分水不參加水化反應(yīng)，會慢慢的析出，導(dǎo)致了失水率增大、干縮率增大。砂漿的抗壓強度隨著減水劑摻量的增加先增加后減少(圖5)，產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因是釋放出來自由水使得礦渣粉水化時更充分的與水接觸，會提高強度，然而當(dāng)減水劑摻量超過了一定量時，相當(dāng)于降低了質(zhì)量濃度，導(dǎo)致強度反而降低。

3 礦渣粉砂漿優(yōu)化方案

圖5 減水劑摻量對抗壓強度影響

通過之前的試驗研究，明確了質(zhì)量濃度、灰砂比、減水劑摻量以及攪拌時間對礦渣粉砂漿各項性能的影響規(guī)律。為了更加精確的得出優(yōu)化配比，采用正交試驗來確定具體摻量，使其既可以達到礦山充填的強度要求，又能滿足管輸要求。

本次正交試驗采用L9(34)正交表安排試驗，4個影響因素為質(zhì)量濃度(A)，灰砂比(B)，減水劑摻量(C)，攪拌時間(D)，取A的水平值為84%、85%、86%，B 的水平值為1 ∶4、1 ∶4.5、1 ∶5，C 的水平值為0、0.05%、0.1%，D 的水平值為4 min、4.5 min、5 min，見表6。正交試驗結(jié)果見表7。

表6 各因素與水平值

根據(jù)極差分析，最終綜合各因素確定充填材料各組分摻量的推薦值為:質(zhì)量濃度為A2(85%);灰砂比為B2(1∶4.5);減水劑為C3(0.1%);攪拌時間為D3(5 min)。優(yōu)化配方后的充填材料性能參數(shù)見表8。

4 結(jié)論

試驗研究了質(zhì)量濃度、灰砂比、減水劑摻量、攪拌時間等因素對用礦渣粉制備的砂漿的流動度、失水率、干縮率、抗壓強度的影響規(guī)律，并分析了各因素的作用機理。選取了合適的比例進行正交試驗，確定了砂漿的優(yōu)化配方為:質(zhì)量濃度85%、灰砂比為1∶4.5、減水劑摻量為0.1%、攪拌時間為5 min，使得砂漿的綜合性能達到最優(yōu)。該研究成果主要可以用于路基以及礦山充填中。由于目前獲得的主要是室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，有待今后施工現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的驗證。

表7 正交試驗結(jié)果

表8 優(yōu)化配方充填材料性能參數(shù)

［1］ 袁俊航，隆威．酸性礦渣粉活性激發(fā)劑配方試驗研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015，42(6):71－75．

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［3］ 郭銀來，隆威．礦渣微粉基注漿材料漿液配比試驗研究［J］．低溫建筑技術(shù)，2014，(10)．

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［6］ 吳芳，段瑞斌．外加劑對預(yù)拌砂漿性能影響試驗研究［J］．化學(xué)建材，2009，(3)．

［7］ 鐘世云，李晉梅，等．摻聚丙烯纖維聚合物改性砂漿的早期失水［J］．建筑材料學(xué)報，2011，14(5):581－585．

［8］ 蔡安蘭，嚴(yán)生．水泥基體參數(shù)對水泥砂漿干縮性能的影響［J］．水泥工程，2004，(6)．

［9］ 吳芳，段瑞斌．外加劑對預(yù)拌砂漿性能影響試驗研究［J］．化學(xué)建材，2009，(3)．