銅尾礦砂對(duì)高強(qiáng)灌漿料性能的影響

朱清利

（中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司，重慶 400065）

0 引言

銅尾礦是銅礦石經(jīng)過(guò)磨礦選礦后排除的固體廢棄物。我國(guó)2019 年銅尾礦的排放量已經(jīng)達(dá)到2.24 億t，且呈逐年增加的態(tài)勢(shì)[1]。銅尾礦的處理方式一般是直接排入尾礦庫(kù)堆存，這樣的處理方式不僅占用了寶貴的土地資源，還導(dǎo)致銅尾礦中含有的有毒有害物質(zhì)滲透到地下水中，破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，帶來(lái)安全隱患[1-2]。裝配式建筑是解決傳統(tǒng)房屋現(xiàn)澆過(guò)程中存在的質(zhì)量、性能、環(huán)保、節(jié)能等問(wèn)題的有效途徑，得到了政策的大力支持[1-3]。隨著裝配式建筑的推廣，水泥基灌漿料的需求也隨之快速增加。傳統(tǒng)灌漿料通常使用天然河砂或石英砂作為骨料，但隨著砂石消耗量的急劇增加，天然河砂已經(jīng)面臨短缺，再加上國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求日益嚴(yán)格，尋找天然砂的替代品逐漸受到了更為廣泛的關(guān)注[4-6]。但由于銅尾礦砂在組成、顆粒級(jí)配方面與天然砂存在著差異，其在灌漿料中的應(yīng)用較少。

本文用銅尾礦砂替代一定比例的天然砂組成復(fù)合砂，作為高強(qiáng)灌漿料的骨料，研究銅尾礦砂對(duì)灌漿料工作性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性和耐久性能的影響，為銅尾礦砂在灌漿料甚至混凝土中的應(yīng)用提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：南京海螺股份有限公司生產(chǎn)的52.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，密度為3.15 g/cm3，比表面積為365 m2/kg；礦渣：寶山鋼鐵有限公司寶田S105 礦渣，密度為2.94 g/cm3，比表面積為480 m2/kg；粉煤灰：山東順科建材科技有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)灰，三者的化學(xué)組成見表1。減水劑：蘇州興邦化學(xué)有限公司的粉體聚羧酸高效減水劑，減水率＞25%。消泡劑：日本艾迪科（ADK）生產(chǎn)的水泥砂漿用粉末消泡劑B328F。塑性膨脹劑：上海欽和化工有限公司生產(chǎn)的REGAL-300 型；硬化膨脹劑：浙江三獅集團(tuán)特種水泥有限公司生產(chǎn)的硫鋁酸鈣－氧化鈣EA膨脹劑。

細(xì)集料：細(xì)度模數(shù)3.3 的天然河砂，表觀密度為2.617 g/cm3；銅尾礦砂：安徽銅陵，表觀密度為2.77 g/cm3，化學(xué)組成見表1。表2 為石英砂和銅尾礦砂的篩分曲線。

表1 水泥、礦渣、粉煤灰和銅尾礦砂的化學(xué)組成 %

表2 石英砂砂和銅尾礦砂的篩分曲線

由表2 可知，銅尾礦砂的粒徑分布主要集中在0.15～0.3 mm，細(xì)度模數(shù)為1.0，屬于特細(xì)砂。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 高強(qiáng)灌漿料配比

高強(qiáng)灌漿料的基礎(chǔ)配比為水膠比0.22，膠砂比1∶1.2，粉煤灰、礦渣和硅灰的取代率均為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10%，塑性膨脹劑、硬化膨脹劑、減水劑和消泡劑摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的0.2%、7%、0.40%、0.10%。為了控制銅尾礦砂和天然河砂復(fù)合后的細(xì)度模數(shù)在中砂范圍內(nèi)，選擇銅尾礦砂取代率分別為天然砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10%、20%、30%和40%。

1.2.2 工作性和力學(xué)性能

按照GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》測(cè)試新拌漿體的初始流動(dòng)度和30 min 流動(dòng)度。按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)》測(cè)試灌漿料試件的1、3、28 d 的抗壓、抗折強(qiáng)度。參考GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試灌漿料的28 d 靜彈性模量。

1.2.3 耐久性能

參照J(rèn)C/T 313—2009《膨脹水泥膨脹率試驗(yàn)方法》測(cè)試灌漿料的膨脹性能，參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試灌漿料試件的抗氯離子滲透性能。

1.2.4 微觀測(cè)試

根據(jù)壓汞法，采用Micromeritics 公司生產(chǎn)的AUTOPORE IV9500 V1.09 型壓汞儀進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)測(cè)試，測(cè)試孔徑范圍為3 nm～350 μm。使用TESCAN VEGA3 LMH 型鎢燈絲掃描電鏡中進(jìn)行微觀形貌的觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 灌漿料的工作性能

銅尾礦砂取代天然砂對(duì)灌漿料工作性能的影響如表3 所示。

表3 銅尾礦砂取代率對(duì)灌漿料工作性能的影響

由表3 可知，不含銅尾礦砂的天然砂灌漿料初始流動(dòng)度為355 mm，30 min 流動(dòng)度為310 mm。當(dāng)用銅尾礦砂取代天然砂時(shí)，灌漿料的初始流動(dòng)度和30 min 流動(dòng)度均出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，且隨銅尾礦砂取代率的增加，灌漿料的流動(dòng)度不斷降低，漿體的黏度增大、比較干稠。但灌漿料的流動(dòng)度損失隨銅尾礦砂取代率的增加變化并不顯著。相比天然砂，銅尾礦砂的粒徑要細(xì)得多，導(dǎo)致骨料的比表面積增加，潤(rùn)濕砂子所需的用水量更高[7]。因此，在灌漿料用水量和減水劑用量保持不變的前提下，用銅尾礦砂取代天然砂會(huì)導(dǎo)致灌漿料的流動(dòng)度降低。此外，灌漿料的流動(dòng)度損失主要與水泥的水化速率相關(guān)，銅尾礦砂中并沒(méi)有能加速或減緩水泥水化反應(yīng)的成分[8]，因此對(duì)灌漿料30 min 流動(dòng)度損失影響不大。

2.2 灌漿料的力學(xué)性能

表4 為銅尾礦砂取代天然砂對(duì)灌漿料力學(xué)性能的影響。

表4 銅尾礦砂取代率對(duì)灌漿料力學(xué)性能的影響

由表4 可知：（1）銅尾礦砂對(duì)灌漿料1 d 的抗折和抗壓強(qiáng)度影響較小，灌漿料的強(qiáng)度隨銅尾礦砂取代率的增加變化不大。灌漿料的強(qiáng)度隨銅尾礦砂取代率的增加而提高：抗壓強(qiáng)度在銅尾礦砂取代率為40%時(shí)達(dá)到最大，3、28 d 的強(qiáng)度相比天然砂組分別增加了25.1%、20.2%；抗折強(qiáng)度在銅尾礦砂取代率為30%時(shí)達(dá)到最大，3、28 d 的強(qiáng)度相比天然砂組分別增加了21.6%、18.5%；但當(dāng)銅尾礦砂取代率為40%時(shí)，灌漿料的抗折強(qiáng)度反而略有降低。銅尾礦砂的加入改善了灌漿料骨料的顆粒級(jí)配，增加了細(xì)集料的含量，使灌漿料變的更為密實(shí)。同時(shí)，銅尾礦砂是由巖石破碎所得，其堅(jiān)固性要高于天然河砂[8-9]，且表面分布有許多棱角，較粗糙，咬合力大，水泥水化時(shí)與砂形成的骨架更為牢固，從而導(dǎo)致灌漿料力學(xué)性能的提高[9]。（2）隨銅尾礦砂取代率的增加，灌漿料的彈性模量逐漸增大，且銅尾礦砂的取代率越大，灌漿料的彈性模量變化越明顯：當(dāng)銅尾礦砂的取代率為40%時(shí)，灌漿料的彈性模量最大達(dá)到50 GPa，相比天然砂灌漿料的彈性模量提高了35.1%。這一方面是由于銅尾礦砂的堅(jiān)固性更高；另一方面，粒徑分布更細(xì)的銅尾礦砂取代粒徑更粗的天然砂，改善了混合砂的級(jí)配，填充了粗天然砂間的空隙，從而提高了灌漿料的彈性模量[10]。

2.3 灌漿料的收縮性能

銅尾礦砂取代天然砂對(duì)灌漿料收縮性能的影響如圖1 所示。

圖1 銅尾礦砂取代率對(duì)灌漿料膨脹性能的影響

由于灌漿料中含有塑性膨脹劑和硬化膨脹劑，天然砂灌漿料在整個(gè)56 d 的測(cè)試周期中，整體都表現(xiàn)為體積膨脹，且前14 d 體積膨脹較為顯著，14 d 后趨于穩(wěn)定，56 d 的膨脹率為0.047%，這也有助于灌漿料與外界構(gòu)件的粘結(jié)，不出現(xiàn)縫隙。當(dāng)用銅尾礦砂取代天然砂后，灌漿料的膨脹率都出現(xiàn)了不同程度的增加：由于膨脹劑摻量是相同的，假定膨脹劑提供的補(bǔ)償收縮部分不變，那么灌漿料整體的膨脹率增大，說(shuō)明基體的收縮變形越小。因此，灌漿料中銅尾礦砂的含量越高，灌漿料的收縮率越低，且整體發(fā)展趨勢(shì)同天然砂的規(guī)律一致，也表現(xiàn)為前14 d 增長(zhǎng)較快，后14 d 趨于穩(wěn)定。這其中，當(dāng)銅尾礦砂的取代率為10%時(shí)，對(duì)灌漿料收縮率的影響較小，僅降低了7.8%；當(dāng)銅尾礦砂的取代率增加至20%時(shí)，相比天然砂灌漿料的收縮率降低了20%，當(dāng)銅尾礦砂取代率為40%時(shí)灌漿料的降低率最高，達(dá)41.4%。這是因?yàn)橛勉~尾礦砂取代天然砂改善了灌漿料骨料的級(jí)配，使其堆積變得更為致密，而且相比天然砂，銅尾礦砂的堅(jiān)固性更高，這使得灌漿料的彈性模量大大增加，增加了基體抵抗變形的能力[11]。

2.4 灌漿料的耐久性能

灌漿料的耐久性是影響其服役壽命的重要指標(biāo)之一。本文選擇抗氯離子滲透性能作為評(píng)價(jià)銅尾礦砂對(duì)灌漿料耐久性能的影響指標(biāo)，其結(jié)果如表5 所示。

表5 銅尾礦砂取代率對(duì)灌漿料電通量的影響

由表5 可知，天然砂灌漿料28 d 的電通量為642 C。當(dāng)用銅尾礦砂替代天然砂時(shí)，灌漿料的電通量隨銅尾礦砂摻量增加呈不斷降低的趨勢(shì)，當(dāng)銅尾礦砂取代率為40%時(shí)灌漿料的電通量最低，僅為511 C，相比天然砂組降低了20.4%。銅尾礦砂不含影響水泥水化的成分，不會(huì)對(duì)水化產(chǎn)物的種類和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[12-13]，因此其提高灌漿料抗氯離子滲透性能主要是改善灌漿料的孔結(jié)構(gòu)。由灌漿料孔結(jié)構(gòu)的分析可知，用銅尾礦砂取代天然砂降低了灌漿料的孔隙率，細(xì)化了孔徑，使得基體的結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，減少了與外界連通的孔，減少氯離子從外界環(huán)境遷移到灌漿料內(nèi)部的途徑，因而灌漿料的抗氯離子性能得到提高[14]。

2.5 灌漿料的孔結(jié)構(gòu)

銅尾礦砂取代率對(duì)灌漿料28 d 孔結(jié)構(gòu)的影響如表6 所示。

表6 銅尾礦砂取代率對(duì)灌漿料孔結(jié)構(gòu)的影響

由表6 可知，隨著灌漿料中銅尾礦砂取代率的增加，灌漿料的孔隙率逐漸降低，當(dāng)銅尾礦砂取代率達(dá)到40%后，相比天然砂組，灌漿料的孔隙率降低24.2%。根據(jù)孔徑大小的分類，可將灌漿料的孔隙分布劃分為無(wú)害孔（0～10 nm）、少害孔（10～100 nm）、有害孔（100～1000 nm）和多害孔（1000～10000 nm）[15]。天然砂灌漿料的孔主要為無(wú)害孔和少害孔，占整體孔隙的86%。當(dāng)灌漿料中銅尾礦砂含量逐漸增大時(shí)，灌漿料中無(wú)害孔的比例變化不大，少害孔的比例隨銅尾礦砂取代率的增加而增大，有害孔及多害孔的比例顯著降低。這是因?yàn)殂~尾礦砂的使用改善了灌漿料骨料的級(jí)配，使得灌漿料基體變得更加密實(shí)[7，9]。水泥基材料的強(qiáng)度通常與孔隙率成反比，因而灌漿料的力學(xué)性能隨銅尾礦砂取代率的增加而得到有效提高。此外，由于灌漿料孔結(jié)構(gòu)的改善，其抗氯離子滲透性能也得到提高。

2.6 灌漿料的微觀形貌

選擇天然砂灌漿料和銅尾礦砂取代率為40%的灌漿料28 d 的樣品進(jìn)行微觀形貌的觀察，其結(jié)果如圖2 所示。

圖2 銅尾礦砂取代率對(duì)灌漿料微觀形貌的影響

由圖2（a）可見，天然砂的表面較為圓潤(rùn)光滑，天然砂與硬化的水泥凈漿之間的界面過(guò)渡區(qū)存在明顯的空隙，這意味著天然砂與硬化漿體之間的局部區(qū)域存在粘接較弱的現(xiàn)象。但在圖2（b）中，在灌漿料中銅尾礦砂后，其界面過(guò)渡區(qū)得到了顯著的改善，天然砂與硬化水泥凈漿之間觀察不到空隙的存在，較為密實(shí)。此外，在圖2（b）中還可以觀察到粒徑較小的銅尾礦砂顆粒與水泥凈漿結(jié)合在一起。銅尾礦砂的加入，使得灌漿料的界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)得到了改善，天然砂與硬化水泥凈漿之間的粘接更為緊密，基體的結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，從而灌漿料的性能也得到了有效的提高[16]。

3 結(jié)論

（1）用銅尾礦砂取代天然砂會(huì)降低灌漿料的初始流動(dòng)性，且銅尾礦砂的取代率越高，灌漿料的初始流動(dòng)性越低，但對(duì)流動(dòng)性的經(jīng)時(shí)損失影響較小。灌漿料中銅尾礦砂的含量越高，灌漿料的抗壓、抗折強(qiáng)度越高，相比天然砂組，灌漿料28 d 抗壓、抗折強(qiáng)度最高可分別增加20.2%、18.5%。此外，含銅尾礦砂的灌漿料28 d 靜彈性模量也有所提高。

（2）用銅尾礦砂取代天然砂能改善灌漿料的收縮性能：當(dāng)銅尾礦砂取代率為10%時(shí)，對(duì)灌漿料收縮的改善效果較為有限；當(dāng)銅尾礦砂取代率增加至20%以上時(shí)，對(duì)灌漿料收縮的改善效果顯著提升，最高相比天然砂組降低了41.4%。

（3）用銅尾礦砂取代天然砂能夠降低灌漿料的孔隙率，細(xì)化孔徑，使有害孔和多害孔轉(zhuǎn)化為少害孔和無(wú)害孔，改善基體的密實(shí)程度和界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，灌漿料的抗氯離子滲透性能得到有效提高，隨銅尾礦砂用量的增加，電通量不斷減小。