鋰渣復(fù)合礦物摻合料對膠凝材料強度的影響

劉騰生，趙加豪

1.江西中山建工工程有限公司，江西 新余 338000；2.江西鴻浩志工程質(zhì)量檢測有限公司，江西 南昌 330012

1 引言

江西省宜春市擁有豐富的鋰云母礦產(chǎn)資源，其鉭鈮礦伴生鋰云母礦是已探明國內(nèi)最大的鋰云母礦床之一，也是當(dāng)?shù)劁囯娦履茉雌髽I(yè)正在開發(fā)利用的主要鋰礦石之一。以碳酸鋰產(chǎn)能達1 萬t/y 來計算，宜春市鋰云母礦床幾乎可以開采100 年之久，故宜春也被稱為“亞洲鋰都”。據(jù)統(tǒng)計，宜春地區(qū)鋰云母礦鋰含量在2%～5%范圍內(nèi)，現(xiàn)有工藝提取鋰云母中的鋰、銣、銫等有價元素后，將產(chǎn)生10 倍以上的工業(yè)固體廢渣，因此現(xiàn)有鋰云母礦提取碳酸鋰工藝的產(chǎn)渣量極大。

鋰渣是鋰云母礦提取碳酸鋰的生產(chǎn)工藝過程中經(jīng)過原料煅燒、浸出、過濾、洗滌、提純、壓濾等工序后排出的固體殘渣。鋰渣由于顆粒較細，在經(jīng)過廢漿液壓濾工藝后含有較高的水分，烘干后呈粉末狀。目前，在建材領(lǐng)域，鋰渣主要用于制備水泥、路面磚、釉面磚和墻材制品等，但鋰渣粉由于潛在活性不高、需水量大，用于混凝土摻合料領(lǐng)域還處于試驗研究階段，也未見其大規(guī)模資源化利用［1-3］。為了科學(xué)、合理地對鋰渣進行資源化利用，本文系統(tǒng)地研究了鋰渣粉與粉煤灰、礦渣粉和硅灰等三種礦物摻合料復(fù)合對膠凝材料強度的影響，旨在探討鋰渣復(fù)合粉對膠凝材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，為鋰渣大規(guī)模建材資源化利用提供一定的理論依據(jù)。

2 原材料

2.1 水泥

采用江西萬年縣萬年青水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其物理化學(xué)性能見表1，主要化學(xué)成分分析見表2。

表1 水泥的物理化學(xué)性能分析

表2 水泥的主要化學(xué)成分分析

2.2 鋰渣粉

由宜春某碳酸鋰生產(chǎn)企業(yè)取樣的鋰渣磨細制成，表觀密度為2.51g/cm3，亞甲藍值為1.1。鋰渣粉主要化學(xué)成分分析見表3。本試驗采用Φ 500 標(biāo)準(zhǔn)試驗?zāi)囋庸さ奖缺砻娣e達500 m2/kg。

表3 鋰渣粉的化學(xué)成分分析

2.3 其他礦物摻合料

采用江西九江二電廠生產(chǎn)的F 類Ⅱ級粉煤灰，主要化學(xué)成分分析如表4 所示。礦渣粉采用萍鋼集團生產(chǎn)的水渣磨細制成的S95級礦渣粉，比表面積為415m2/kg，密度為2.82g/cm3，其主要化學(xué)成分分析見表4。硅灰采用上海山鷹環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的超細硅灰，主要化學(xué)成分分析如表4 所示。

表4 幾種礦物摻合料的化學(xué)成分分析

2.4 水

采用實驗室自來水。

3 試驗方法

試驗采用萬年青生產(chǎn)的P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，比表面積為500m2/kg 的鋰渣粉等四種礦物摻合料，參照水泥膠砂試驗方法制備40mm×40mm×160mm的三聯(lián)水泥膠砂試件。鋰渣粉與粉煤灰、礦渣粉和硅灰按不同比例進行復(fù)合，礦物摻合料總摻量保持不變。試驗環(huán)境溫濕度應(yīng)符合水泥膠砂強度試驗方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T17671 的規(guī)定，成型環(huán)境溫度為20℃±2℃，相對濕度50%以上。試件水中養(yǎng)護溫度為20℃±1℃。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 鋰渣粉與粉煤灰的復(fù)合效應(yīng)研究

試驗采用鋰渣粉與Ⅱ級粉煤灰復(fù)摻，礦物摻合料總摻30%，測試膠砂的3d、7d 和28d 抗壓和抗折強度，試驗結(jié)果如表5、表6 所示。

表5 鋰渣粉與復(fù)摻粉煤灰膠砂配合比

表6 鋰渣粉復(fù)摻粉煤灰試驗結(jié)果

由表6 可以看出，單摻30%粉煤灰與單摻30%鋰渣粉的膠砂強度相當(dāng)，但鋰渣粉復(fù)摻粉煤灰時，膠凝材料3d 抗壓和抗折強度均高于單摻粉煤灰或單摻鋰渣粉的膠凝材料強度。其中LF3 組與單摻粉煤灰相比，3d 抗折和抗壓強度分別高20%和19.9%。7d、28d 齡期時，LF3 組的抗折強度和抗壓強度比單摻鋰渣粉或粉煤灰都要高。鋰渣粉與粉煤灰復(fù)摻對膠凝材料抗折和抗壓強度都有改善作用。這可能是由于鋰渣磨至超細狀態(tài)能夠促進膠凝材料水化，提高膠凝材料早期強度，同時粉煤灰的火山灰活性又能夠提高膠凝材料后期強度。

4.2 鋰渣粉與礦渣粉的復(fù)合效應(yīng)研究

試驗采用鋰渣粉與S95礦渣粉復(fù)摻，礦物摻合料總摻30%，測試膠砂的3d、7d 和28d 抗壓和抗折強度，試驗結(jié)果如表7、表8 所示。

表7 鋰渣粉復(fù)摻礦渣粉膠砂配合比

表8 鋰渣粉與礦渣粉復(fù)摻試驗結(jié)果

由表8 可以看出，鋰渣粉復(fù)摻礦渣粉時，膠凝材料強度明顯高于單摻鋰渣粉、粉煤灰及鋰渣粉復(fù)摻粉煤灰時的強度。LK3 組3d 抗折強度與水泥膠砂3d 抗折強度相當(dāng)，比單摻鋰渣粉的高26.5%；復(fù)摻3d 抗壓強度增長74.1%。7d 齡期時，LK3組抗折強度與水泥膠砂3d 抗折強度相當(dāng)，比單摻鋰渣粉的高23.1%；復(fù)摻7d 抗壓強度增長24.1%。28d 齡期時，與單摻鋰渣粉相比，LK3 組抗折強度增長27.7%，抗壓強度增長42.5%。說明與單摻鋰渣粉相比，鋰渣粉與礦渣復(fù)摻的效果較好，且鋰渣粉與礦渣粉復(fù)摻對膠凝材料抗壓強度的改善作用大于對抗折強度的改善作用。

4.3 鋰渣粉與硅灰的復(fù)合效應(yīng)研究

表9 鋰渣粉復(fù)摻硅灰膠砂配合比

表10 鋰渣粉與硅灰復(fù)摻試驗結(jié)果

試驗采用鋰渣粉與硅灰復(fù)摻，鋰渣粉摻量為0%、5%、10%、20%和30%，硅灰摻量為0%、5%、6%、8%和10%，測試膠砂的3d、7d 和28d 抗壓和抗折強度，試驗結(jié)果如表9、表10 所示。

由表10 可以看出，硅灰與鋰渣粉復(fù)摻時，膠凝材料整體強度明顯優(yōu)于單摻鋰渣粉，但略低于鋰渣粉與硅灰復(fù)摻時的膠凝材料強度。與單摻鋰渣粉相比，LS3 組3d 抗折強度增長23.5%；復(fù)摻3d 抗壓強度增長58.9%。7d 齡期時，與單摻鋰渣粉相比，LS3組抗折強度增長23.1%；抗壓強度增長12.2%。28d齡期時，與單摻鋰渣粉相比，LS3 組抗折強度增長19.5%；抗壓強度增長35.2%。當(dāng)鋰渣粉摻量在一定范圍內(nèi)時，鋰渣粉與硅灰復(fù)摻能提高膠凝材料強度。鋰渣粉與硅灰復(fù)摻對膠凝材料抗壓強度的改善作用較大。

5 結(jié)論

由上述試驗結(jié)果來看：鋰渣粉復(fù)合粉煤灰、礦渣粉和硅灰時，對膠凝材料具有較好的礦物摻合料協(xié)同效應(yīng)。這種復(fù)合協(xié)同效應(yīng)的效果是礦渣粉優(yōu)于硅灰，而硅灰又優(yōu)于粉煤灰?？傮w來看，鋰渣粉與礦渣粉復(fù)摻對膠凝材料的增強效果最好。鋰渣粉復(fù)摻粉煤灰、礦渣粉和硅灰時，膠凝材料的早期強度和后期強度顯著增長，這可能主要是因為鋰渣粉不僅可以促進膠凝材料早期水化反應(yīng)，還能夠促進活性礦物摻合料與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣進一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高膠凝材料后期強度。不同種類的礦物摻合料復(fù)合使用時，可以發(fā)揮各自作用，優(yōu)勢互補，進而提高膠凝材料強度。