鋰渣粉制備水泥基灌漿料及其性能研究

揭曉東,石 齊,鮑偉平

(江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院, 江西 南昌 330001)

1 引言

鋰元素作為新型電池——鋰電池的核心原材料,促進(jìn)了我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。目前,僅江西宜春就已探明亞洲最大的鋰云母礦之一,也是我國(guó)正在開(kāi)發(fā)利用的主要鋰資源之一。 鋰云母礦在提鋰生產(chǎn)過(guò)程中排出的鋰渣很細(xì),外排堆放的鋰渣對(duì)周邊環(huán)境粉塵污染嚴(yán)重,影響當(dāng)?shù)鼐用裾Ｉ?；同時(shí)含酸含堿的渣水流失影響周邊地區(qū)生態(tài)平衡。如何就地利用鋰渣固體廢棄物,將其用于建材產(chǎn)品當(dāng)中變廢為寶,是一項(xiàng)十分迫切的任務(wù)。

本文系統(tǒng)地研究了不同摻量的鋰渣粉與減水劑、消泡劑、保水增稠劑等材料對(duì)水泥基灌漿料性能的影響規(guī)律,探討鋰渣粉制備水泥基灌漿料的不同功能外加劑適宜摻量范圍,旨在消納工業(yè)廢渣,使鋰渣固廢獲得高附加值建材產(chǎn)品。

2 原材料

(1)水泥

采用江西海螺水泥廠生產(chǎn)的P.O 52.5水泥,主要物理性能和化學(xué)成分見(jiàn)表1和表2。

表1 水泥的物理性能

表2 水泥的化學(xué)成分

(2)鋰渣粉

由鋰礦石提鋰過(guò)程中產(chǎn)生的鋰渣經(jīng)105℃烘干、磨細(xì)制成,密度為2.09g/cm3,比表面積為650m2/kg。主要化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 鋰渣粉的化學(xué)成分

(3)細(xì)骨料

采用20～30目、40～50目、60～80目三種砂按4∶5∶3的比例混合成級(jí)配砂。

(4)化學(xué)外加劑

減水劑：選取1型、2型、3型三種不同的聚羧酸減水劑粉劑；消泡劑：采用有機(jī)硅類消泡劑；保水增稠劑：采用10萬(wàn)粘度的羥丙基甲基纖維素醚。

3 試驗(yàn)方法

(1)水泥基灌漿料基本性能試驗(yàn)方法

試驗(yàn)溫濕度應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17671-1999的規(guī)定,試件成型的溫度應(yīng)保持在20℃士2℃,相對(duì)濕度不低于50%；試件帶模養(yǎng)護(hù)保持在20℃士1℃,相對(duì)濕度不低于90%；試件養(yǎng)護(hù)池水溫度在20℃士1℃范圍內(nèi)。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50448-2015規(guī)定的方法進(jìn)行。

(2)水泥基灌漿料粘度試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前先將鋰渣水泥基灌漿料配合比稱量好,將旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)放置在水平臺(tái)上,安、調(diào)平后備用。試驗(yàn)時(shí)將鋰渣水泥基灌漿料混合料放入砂漿攪拌機(jī)中按照攪拌機(jī)設(shè)定程序拌制成品砂漿,將拌好的砂漿倒入1000mL的燒杯中,將燒杯放入粘度計(jì),然后開(kāi)始測(cè)量。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 鋰渣粉摻量對(duì)水泥基灌漿料流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響

研究在相同的水料比(0.16)、膠砂比(1∶1)及1型聚羧酸減水劑粉劑(減水劑摻量為膠凝材料總量的0.4%)的條件下,鋰渣粉摻量分別為10%～35%時(shí)水泥基灌漿砂漿的工作性能和力學(xué)性能,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 鋰渣粉摻量對(duì)灌漿砂漿性能的影響

由表4可看出,隨著鋰渣粉摻量的增大,水泥基灌漿料流動(dòng)度和強(qiáng)度下降趨勢(shì)非常顯著。灌漿料初始流動(dòng)度在鋰渣粉摻量超過(guò)膠凝材料總量的25%時(shí)明顯減小,特別是灌漿料30min流動(dòng)度損失增大,而且抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度也顯著下降。因此摻鋰渣粉的水泥基灌漿料需要通過(guò)調(diào)整原材料種類和配合比來(lái)提高其流動(dòng)性和強(qiáng)度。

4.2 減水劑種類和摻量對(duì)水泥基灌漿料流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)選用三種型號(hào)聚羧酸系減水劑粉劑配制水泥基灌漿料,通過(guò)考察水泥基灌漿砂漿的流動(dòng)性和強(qiáng)度,確定最適宜的聚羧酸減水劑的品種和摻量。試驗(yàn)配比和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 減水劑種類對(duì)水泥基灌漿砂漿性能的影響

由表5可以看出,三種聚羧酸減水劑粉劑對(duì)摻鋰渣粉灌漿料流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響各有差異：1型聚羧酸減水劑摻量從0.3%提高到0.5%時(shí),灌漿料流動(dòng)度和強(qiáng)度波動(dòng)范圍較大,影響灌漿料流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度；2型聚羧酸減水劑摻量從0.3%提高到0.5%時(shí),灌漿料流動(dòng)度和強(qiáng)度影響較??；3型聚羧酸減水劑摻量從0.3%提高到0.5%時(shí),灌漿料流動(dòng)度和流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失影響較大。因此,選擇2型聚羧酸減水劑配制的水泥基灌漿料適應(yīng)性較好。

4.3 消泡劑對(duì)水泥基灌漿料流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)配比和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 消泡劑對(duì)灌漿砂漿性能的影響

當(dāng)砂漿中摻有消泡劑時(shí),溶液周圍局部液膜表面張力降低,消泡劑附著的氣泡會(huì)迅速破滅。加入消泡劑使得砂漿的粘度下降,流動(dòng)度增加。當(dāng)消泡劑摻0.2%時(shí),砂漿流動(dòng)度為320mm,而摻量增加到1.0%時(shí),初始流動(dòng)度達(dá)到360mm,流動(dòng)度增加16%。消泡劑摻量的提高對(duì)砂漿的30min后的流動(dòng)性影響不大。

4.4 纖維素醚對(duì)水泥基灌漿料流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)通過(guò)改變纖維素醚的摻量,測(cè)試水泥基灌漿料的流動(dòng)性以和強(qiáng)度。試驗(yàn)配比和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同摻量的纖維素醚對(duì)水泥基灌漿料的影響

從表7中可以得出：當(dāng)?shù)剿嗷酀{料中添加纖維素醚后,流動(dòng)度迅速下降,隨著纖維素醚摻量的增加,水泥基灌漿料的流動(dòng)度降幅顯著增大。當(dāng)纖維素醚摻量達(dá)到0.1%時(shí),水泥基灌漿料初始流動(dòng)度僅僅只有255mm,嚴(yán)重的影響了水泥基灌漿料的流動(dòng)性。30min后纖維素醚摻量對(duì)水泥基灌漿料流動(dòng)性影響較小,與相同摻量的初始流動(dòng)度相比,流動(dòng)度損失均在25mm左右。

圖1 纖維素醚對(duì)灌漿水泥基灌漿料粘度的影響

纖維素醚對(duì)水泥基灌漿料粘度的影響如圖1所示。當(dāng)纖維素醚摻量增加時(shí),水泥基灌漿料的粘度明顯增大,當(dāng)纖維素醚摻量為0.1%時(shí),水泥基灌漿料的粘度為4720mPa·s,而未摻纖維素醚的水泥基灌漿料的初始粘度只有1680mPa·s。粘度的增加能提高水泥基灌漿料的保水性,降低泌水率,但過(guò)高的粘度會(huì)導(dǎo)致水泥基灌漿料的流動(dòng)性降低,影響水泥基灌漿料的可灌性。從水泥基灌漿料的粘度方面考慮,纖維素醚的摻量為0.025%～0.05%。

圖2 纖維素醚對(duì)灌漿水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度的影響

水泥基灌漿料中添加纖維素醚后,強(qiáng)度有一定的降低。造成水泥基灌漿料強(qiáng)度降低的主要原因可能為：纖維素醚柔性聚

合物增加到孔隙中,不能起到剛性支撐作用,并且添加纖維素醚提高了水泥基灌漿料保水性,水泥基灌漿料硬化后內(nèi)部孔隙率增大,造成了水泥基灌漿料強(qiáng)度降低[1-2]。因此,結(jié)合水泥基灌漿料的流動(dòng)性、粘度、泌水率及強(qiáng)度等關(guān)鍵性指標(biāo),在水泥基灌漿料中添加纖維素醚時(shí)摻量范圍為0.025%～0.05%。

5 結(jié)論

(1)鋰渣粉作為一種礦物摻合料,可以在一定范圍內(nèi)取代水泥制備水泥基灌漿料；同時(shí),不同種類的聚羧酸減水劑對(duì)摻鋰渣粉水泥基灌漿料的性能影響差異較大,配制水泥基灌漿料時(shí)需要選擇與膠凝材料適應(yīng)性較好的減水劑。

(2)隨著有機(jī)硅消泡劑摻量增加,水泥基灌漿料的流動(dòng)性越大,但摻量過(guò)多時(shí),砂漿粘度的降低,出現(xiàn)一定程度的分層現(xiàn)象,其最佳摻量范圍為0.2%～0.6%。

(3)纖維素醚摻入到水泥基灌漿料后能提高粘度,改善水泥基灌漿料的泌水情況,但對(duì)水泥基灌漿料的強(qiáng)度發(fā)展有較大影響,其最佳摻量為0.025%～0.05%。