銅渣粉的制備及其在超高性能混凝土中的應(yīng)用研究

莊正勇

（中交第三航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 518100）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）具有超高的強度、韌性和耐久性等。但是，UHPC原材料成本高、制備難度大等問題限制了其廣泛應(yīng)用。發(fā)展低成本UHPC對該材料的推廣具有重要意義，國內(nèi)外科研人員從輔助膠凝材料、骨料、纖維、設(shè)計理論等進(jìn)行了研究。輔助膠凝材料研究方面，采用粉煤灰[1-3]、礦渣[4-5]部分取代水泥降低UHPC成本的方法已是國內(nèi)外常用做法。Sharifeh等[6]研究了采用礦渣、粉煤灰，以及采用逐步法工藝制備了實用的、綠色低成本UHPC，基于粉體材料的最大密實度法實現(xiàn)UHPC力學(xué)性能最大化。Ahmed等[7]用粉煤灰、礦渣部分取代硅酸鹽水泥制備UHPC，并研究了UHPC抗氯離子滲透和硫酸鹽侵蝕性能。骨料研究方面，采用普通河砂、粗骨料部分或全部取代石英砂用于制備UHPC[8-9]，力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。目前，多種纖維也被用于取代鍍銅鋼纖維制備UHPC[10-11]，顯著降低了UHPC的成本。

銅渣是煉銅過程產(chǎn)生的廢渣，既有研究表明其具有一定的水化活性[12]，但堅硬難磨。本文研究利用振動磨粉磨得到銅渣粉，并與銅渣顆粒一起用于制備UHPC，為銅渣的資源化利用提供技術(shù)支持。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5水泥，泰州海螺水泥有限責(zé)任公司；石英砂：40～70目和70～140目按質(zhì)量比1∶1混合后使用，安徽勝利石英砂有限公司；礦渣：S95級，揚州恒潤鋼廠；硅灰：SiO2含量95%，上海勝闊建筑材料有限公司；聚羧酸減水劑：固含量51.7%，江蘇蘇博特新材料股份有限公司；鍍銅鋼纖維：長13 mm，直徑0.22 mm，端鉤型，上海真強纖維有限公司；銅渣：粒徑2 mm，天津市紅橋區(qū)飛躍石料加工廠；六偏磷酸鈉：分析純，天津市鼎盛鑫化工有限公司；氫氧化鈉：天津市鑫鉑特化工有限公司；三乙醇胺：分析純，上海蘇懿化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗方法

銅渣粉磨與測試過程為：首先將助磨劑與銅渣顆粒按一定比例混合后放入料缽，并固定在振動磨機（型號GJ-1）上，粉磨完成后取部分試樣用激光粒度儀（型號Bettersize2000S）測試粉體性質(zhì)。UHPC制備：先將干材料倒入混凝土攪拌機干混1 min，注入1/2的拌合水和減水劑的混合液，攪拌1 min至干材料完全潤濕，注入剩余的拌合水和減水劑的混合液，攪拌10 min。UHPC成型、養(yǎng)護(hù)（包括蒸汽養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，除特別說明外本文均采用蒸汽養(yǎng)護(hù)）與測試：按T/CECS 10107—2020《超高性能混凝土（UHPC）技術(shù)要求》進(jìn)行，按標(biāo)準(zhǔn)要求，UHPC蒸養(yǎng)后7 d抗折、抗壓強度分別大于14.0、120.0 MPa。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 銅渣粉的制備研究

分別摻加不同摻量的六偏磷酸鈉、氫氧化鈉和三乙醇胺振動粉磨60 min得到銅渣粉，分別測試銅渣粉比表面積、D10、D50、D90值，結(jié)果見表1。

由表1可見，隨著助磨劑摻量增加，銅渣粉的比表面積增大，D10、D50、D90均有不同程度的降低，其中六偏磷酸鈉的助磨效果優(yōu)于氫氧化鈉和三乙醇胺，各助磨劑摻量超過3%后助磨效果趨緩。由試驗結(jié)果確定后續(xù)試驗選用六偏磷酸鈉作為助磨劑，摻量為3%。

2.2 銅渣粉對UHPC強度的影響

本部分測試硅灰摻量分別為5%、10%和15%時，銅渣粉摻量為5%～15%的UHPC的抗折、抗壓強度。UHPC配合比如表2所示，試驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，UHPC抗折、抗壓強度隨著銅渣粉摻量的增加而降低。對于硅灰摻量為5%的UHPC，銅渣粉在試驗摻量范圍內(nèi)UHPC強度均未達(dá)到T/CECS 10107—2020的要求，銅渣粉摻量為5%時UHPC抗折、抗壓強度最高；當(dāng)硅灰摻量為10%、15%，銅渣粉摻量分別為5.0%～7.5%、5.0%～12.5%時，UHPC抗折、抗壓強度均符合T/CECS 10107—2020的要求。基于性能和降低成本考慮，分別將硅灰5.0%與銅渣粉5.0%、硅灰10.0%與銅渣粉7.5%、硅灰15.0%與銅渣粉12.5%三組配合比作為后續(xù)試驗的基本配合比。

表2 銅渣粉不同摻量的UHPC配合比 kg

2.3 銅渣細(xì)骨料對UHPC強度的影響

本部分采用未經(jīng)粉磨的銅渣細(xì)骨料按0～100%等質(zhì)量取代石英砂，測試銅渣細(xì)骨料對UHPC力學(xué)性能的影響，試驗配合比如表3所示，結(jié)果如圖2所示。

表3 銅渣細(xì)骨料不同摻量的UHPC配合比 kg

由圖2可知，隨銅渣細(xì)骨料摻量增加、石英砂摻量的減少，3種硅灰摻量的UHPC抗折、抗壓強度略有提高，銅渣作為細(xì)骨料的UHPC強度優(yōu)于石英砂。硅灰摻量為5%、銅渣細(xì)骨料不同摻量的各組UHPC抗折、抗壓強度均不符合T/CECS 10107—2020的要求；硅灰摻量超過10.0%的各組UHPC強度符合T/CECS 10107—2020的要求。

2.4 養(yǎng)護(hù)方式對UHPC強度的影響

研究標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)[溫度（20±2）℃、相對濕度大于95%]28 d和蒸汽養(yǎng)護(hù)[溫度（90±1）℃、恒溫48 h]對UHPC強度的影響，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 養(yǎng)護(hù)方式對UHPC抗折、抗壓強度的影響

由表4可知，各試驗組的蒸汽養(yǎng)護(hù)抗折、抗壓強度均高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強度，且蒸汽養(yǎng)護(hù)對UHPC抗壓強度的提高程度高于抗折強度。這說明高溫更有利于銅渣水化活性的激發(fā)。

3 結(jié)論

（1）六偏磷酸鈉、氫氧化鈉和三乙醇胺對銅渣均有助磨作用，振動磨粉磨60 min、3種助磨劑摻量超過3.0%以后助磨效果趨緩，其中六偏磷酸鈉助磨效果較優(yōu)。

（2）銅渣作為細(xì)骨料的UHPC強度優(yōu)于石英砂，硅灰摻量在10%以上時，一定摻量銅渣粉作為輔助膠凝材料、原狀銅渣作細(xì)骨料的UHPC強度可符合T/CECS 10107—2020的要求。