石墨尾礦砂漿制備技術(shù)和力學(xué)性能試驗(yàn)研究

劉洪波，張 成，段厚瑞，石 鑫，高紅帥

(黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

建筑材料行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)最重要的行業(yè)之一，在生產(chǎn)過程中，CO2的排放量在我國工業(yè)領(lǐng)域名列榜首,是減少碳排放的重點(diǎn)行業(yè)。水泥基材料因其優(yōu)良的特性，在建材中占有很大的份額，要推動綠色低碳發(fā)展，必須從水泥基材料入手。固體廢棄物的再利用是建筑領(lǐng)域節(jié)能減排的一種手段，通常是將廢棄物經(jīng)過處理或加工，作為原料制備水泥基材料。

石墨是重要的礦物資源，開采時常用浮選法，產(chǎn)生石墨尾礦。尾礦作為一種固體廢棄物，存放既占用大量土地，還對堆積處的生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響[1]。小粒徑石墨尾礦會隨風(fēng)飄散在空氣中，被人體吸入影響呼吸道健康。當(dāng)前，中國建筑業(yè)發(fā)展迅猛，河砂資源供應(yīng)不足，以石墨尾礦替代砂制備混凝土成為一種研究趨勢。劉洪波等[2-3]在混凝土中加入石墨尾礦和碳纖維，制成具有壓敏特性的導(dǎo)電混凝土，并建立回彈值與電阻率之間的函數(shù)關(guān)系來預(yù)測其抗壓強(qiáng)度。陳真等[4]對以不同石墨尾礦替代率制備的混凝土進(jìn)行了斷裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以20%～30%石墨尾礦替代率制成的混凝土相較于普通混凝土抗斷裂性提升最為顯著。徐超等[5]通過單軸壓縮與聲發(fā)射試驗(yàn)對石墨尾礦混凝土的損傷特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)石墨尾礦與水泥發(fā)生表面反應(yīng)，提升了混凝土的力學(xué)強(qiáng)度。馮博雅等[6]對石墨尾礦混凝土梁抗彎性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其破壞過程與普通混凝土梁類似。孫小巍等[7]發(fā)現(xiàn)在制備混凝土?xí)r摻入定量的石墨尾礦，石墨尾礦的粒徑越小，泡沫混凝土的強(qiáng)度提升越明顯。王青等[8]以石墨尾礦為硅質(zhì)材料，成功制備出滿足一定強(qiáng)度要求的蒸汽加壓混凝土。

本文通過設(shè)計(jì)4組對比試驗(yàn)，優(yōu)化相應(yīng)的制備技術(shù)，研究了石墨尾礦、粉煤灰和鋼纖維的定量摻入對砂漿試件基本力學(xué)性能的影響，為石墨尾礦這一固體廢棄物的處理提供利用途徑。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

1)水泥。試驗(yàn)采用硅酸鹽水泥，強(qiáng)度42.5，主要成分見表1。

表1 水泥主要化學(xué)成分(wt/%)

2)水。試驗(yàn)采用黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院自來水。

3)砂。試驗(yàn)采用河砂，主要參數(shù)見表2。

4)石墨尾礦。試驗(yàn)采用雞西柳毛石墨礦產(chǎn)出的尾礦，主要參數(shù)見表3。

表2 河砂的主要參數(shù)

表3 石墨尾礦的主要參數(shù)

5)硅灰。試驗(yàn)采用申明新型建材開發(fā)公司的硅灰，主要參數(shù)見表4。

6)粉煤灰。試驗(yàn)采用雙達(dá)電力設(shè)備公司的Ⅱ級粉煤灰。

7)鋼纖維。試驗(yàn)采用山東鴻聚工程材料公司的鍍銅鋼纖維，主要參數(shù)見表5。

8)減水劑。試驗(yàn)采用聚羧酸系高效減水劑。

表4 硅灰的主要參數(shù)

表5 鋼纖維的主要參數(shù)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

以10%～30%的石墨尾礦替代砂制備的混凝土相比于普通混凝土，力學(xué)性能提升顯著，并且水灰比越低，石墨尾礦混凝土的抗壓強(qiáng)度越高[9]。硅灰對混凝土中的孔隙起充填作用，一定摻量的硅灰可以提高混凝土的力學(xué)性能[10]。粉煤灰替代部分水泥有利于新拌水泥基材料的和易性[11]。本試驗(yàn)擬定水灰比為0.2，石墨尾礦替代率為10%，硅灰摻量為20%，粉煤灰摻量為10%，鋼纖維按2%體積摻量摻入,共設(shè)計(jì)4組配合比，詳見表6。

表6 試驗(yàn)配合比

圖1 制備流程Fig.1 Preparation flow chart

2 制備技術(shù)及試驗(yàn)方法

2.1 制備技術(shù)

2.1.1 骨料預(yù)處理

1)石墨尾礦的預(yù)處理。石墨尾礦在本試驗(yàn)中用作細(xì)骨料，為了與河砂保持粒徑的一致性，避免粒徑過小的尾礦含量過多導(dǎo)致材料黏聚力降低[12]，在水泥基體中起潤滑作用而降低力學(xué)強(qiáng)度，本次使用的石墨尾礦經(jīng)篩分，選取粒徑大于0.075 mm(200目)的石墨尾礦。

2)骨料的預(yù)濕。將骨料完全浸沒在水中，在制備前將骨料取出，風(fēng)干表面水分，此時砂和石墨尾礦處于飽和狀態(tài)。由于石墨尾礦吸水率較高，可以減少減水劑或拌合水的用量，有利于水泥基材料力學(xué)強(qiáng)度的提升。

2.1.2 制備流程

經(jīng)多次試驗(yàn)，對制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化，制備流程見圖1。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 抗壓試驗(yàn)

依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法 (ISO法)》(GB/T 17671-1999)[13]，制備尺寸為70.7 mm × 70.7 mm ×70.7 mm的抗壓試件。測試儀器為MTS電子萬能試驗(yàn)機(jī)。針對不同齡期，每組選擇3個試件進(jìn)行測試，最后取其均值作為抗壓強(qiáng)度。試件的抗壓強(qiáng)度為

(1)

式中：fcu為試件的抗壓強(qiáng)度，MPa;F為試件破壞荷載，N;A為試件承壓面積,mm2。

2.2.2 抗折試驗(yàn)

制備尺寸為160 mm×40 mm ×40 mm 的棱柱體試件進(jìn)行抗折試驗(yàn)。測試儀器為萬能試驗(yàn)機(jī)WDW-100E。每組選擇3個試件進(jìn)行測試，取其均值作為抗折強(qiáng)度。試件的抗折強(qiáng)度為

(2)

式中:ff為試件抗折強(qiáng)度,MPa；F為試件破壞荷載,N；l為支座間跨度,mm；b為試件截面寬度,mm；h為試件截面高,mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

分別對養(yǎng)護(hù)至7 d，14 d和28 d的試件進(jìn)行了抗壓和抗折強(qiáng)度測試，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

3.1 石墨尾礦對力學(xué)性能的影響

摻入石墨尾礦與不摻入石墨尾礦的砂漿試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度對比分別見圖2和圖3。由圖2可見，在各個齡期，石墨尾礦的摻入對砂漿試件的抗壓強(qiáng)度都有提升。在養(yǎng)護(hù)時間到達(dá)7 d時，摻入石墨尾礦的砂漿試件相較于未摻入尾礦的試件，抗壓強(qiáng)度提升了6.44 MPa，提升率為9.1%；在養(yǎng)護(hù)時間達(dá)14 d時，強(qiáng)度提升率為4.7%；在完成28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，抗壓強(qiáng)度提升了5.16 MPa，提升率為5.7%。

表7 試件力學(xué)性能

由圖3可見，摻入石墨尾礦的砂漿試件的抗折強(qiáng)度略高于未摻入的試件。養(yǎng)護(hù)時間達(dá)7 d時，抗折強(qiáng)度提升率為2.8%；養(yǎng)護(hù)時間到達(dá)14 d時，抗折強(qiáng)度提升率為3.7%；養(yǎng)護(hù)時間到達(dá)28 d時，抗折強(qiáng)度提升率為7.0%。

圖2 C1與C2的抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength of C1 and C2

圖3 C1與C2的抗折強(qiáng)度Fig.3 Flexural strength of C1 and C2

以10%質(zhì)量比例的石墨尾礦代替砂制備砂漿試件對其抗壓和抗折性能提高起促進(jìn)作用，但主要的提升表現(xiàn)在抗壓性能上，且在砂漿養(yǎng)護(hù)前期抗壓強(qiáng)度增長幅度較大。這是因?yàn)槭驳V的最大粒徑小于砂的最大粒徑，細(xì)小的尾礦補(bǔ)充到較大粒徑砂的分布區(qū)域，填充了骨料間的空隙，減少試件成型后的孔隙，從而提升了力學(xué)性能。

圖4 C3與C1的抗壓強(qiáng)度Fig.4 Compressive strength of C3 and C1

圖5 C3與C1的抗折強(qiáng)度Fig.5 Flexural strength of C3 and C1

3.2 粉煤灰對力學(xué)性能的影響

在不同齡期，摻有粉煤灰的砂漿試件與未摻粉煤灰的試件抗壓強(qiáng)度對比見圖4。由圖4可見，7 d摻入粉煤灰后抗壓強(qiáng)度降低了8.01 MPa，降低率為9.4%；14 d摻入粉煤灰后強(qiáng)度降低了8.94 MPa，降低率為9.7%。28 d摻入粉煤灰后抗壓強(qiáng)度降低了8.48 MPa，降低率為8.1%。

摻入粉煤灰的砂漿試件的抗折強(qiáng)度略低于未摻入的試件，見圖5。試件在7 d、14 d和28 d，抗折強(qiáng)度分別降低了0.28 MPa、0.44 MPa和0.39 MPa，降低率分別為2.7%、4.0%和3.3%。以10%質(zhì)量比例代替水泥的粉煤灰摻入導(dǎo)致試件在28 d內(nèi)的抗壓和抗折強(qiáng)度均有不同程度的降低。這與王錫武[14]得出的結(jié)論基本一致。

3.3 鋼纖維對力學(xué)性能的影響

不同養(yǎng)護(hù)時間，不摻和摻入鋼纖維2%體積摻量的砂漿試件抗壓強(qiáng)度對比見圖6。7 d摻入鋼纖維的試件抗壓強(qiáng)度提高了25.56 MPa，提升率為33.1%；14 d抗壓強(qiáng)度提高了31.56 MPa，提升率為37.7%；28 d抗壓強(qiáng)度提升了31.70 MPa，提升率為33.1%。

不摻和摻入鋼纖維的試件抗折強(qiáng)度對比見圖7。7 d摻入鋼纖維抗折強(qiáng)度提升了17.49 MPa，提升率為176.0%；14 d抗折強(qiáng)度提升了18.57 MPa ，提升率為177.7%；28 d抗折強(qiáng)度提升了20.02 MPa ，提升率為172.7%。

圖6 C1與C4的抗壓強(qiáng)度Fig.6 Compressive strength of C1 and C4

圖7 C1與C4的抗折強(qiáng)度Fig.7 Flexural strength of C1 and C4

在摻入鋼纖維后，試件的抗壓與抗折強(qiáng)度皆有提升，且抗折強(qiáng)度提升明顯。在受壓時，鋼纖維承擔(dān)了部分荷載，減少了水泥基體的受力，砂漿試件整體抗壓強(qiáng)度提高；鋼纖維對水泥基體起橋接作用，并且具有較高的彈性模量，阻礙裂縫發(fā)展又消耗了產(chǎn)生破壞所需的能量。同時，石墨尾礦粗糙的表面會增加鋼纖維、骨料和基體之間的黏結(jié)力[15]。在這幾種作用的共同影響下，試件更加難以折斷，從而提高抗折強(qiáng)度。

3.4 養(yǎng)護(hù)時間對力學(xué)性能的影響

由表7可見，C1組試件由7 d到14 d，試件的抗壓強(qiáng)度增加了6.35 MPa，增長率為8.2%；由14 d到28 d，強(qiáng)度增加了12.27 MPa，增長率為14.7%。C2組試件由7 d到14 d，試件的抗壓強(qiáng)度增加了9.03 MPa，增長率為12.8%；由14 d到28 d，強(qiáng)度增加了10.87 MPa，增長率為13.6%。C3組試件由7 d到14 d，試件的抗壓強(qiáng)度增加了7.28 MPa，增長率為8.5%；由14 d到28 d，強(qiáng)度增加了11.81 MPa，增長率為12.8%。C4組試件由7 d到14 d，試件的抗壓強(qiáng)度增加了12.35 MPa，增長率為12.0%；由14 d到28 d，強(qiáng)度增加了12.41 MPa，增長率為10.8%。

圖8 養(yǎng)護(hù)時間對抗折強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of curing time on flexural strength

本試驗(yàn)水灰比為0.2，屬于低水灰比，石墨尾礦的加入減小了砂漿的有效水灰比，抑制了砂漿早期強(qiáng)度的提升。養(yǎng)護(hù)時，外界水分子不斷滲入砂漿內(nèi)部，這種抑制效果隨養(yǎng)護(hù)時間增加得以緩解。未摻入石墨尾礦的C2組試件由7 d到14 d，抗壓強(qiáng)度提升幅度最大。粉煤灰對膠凝材料的早期水化反應(yīng)僅有微弱影響，C1與C3組的試件早期強(qiáng)度增幅未表現(xiàn)出明顯差異性。C4試件在鋼纖維的影響下表現(xiàn)出較高的抗壓強(qiáng)度，但其強(qiáng)度增幅仍與其它組別基本保持一致(圖8)。

由表7可見：C1組試件由7 d到14 d，試件的抗折強(qiáng)度增加了0.51 MPa，增長率為5.1%；由14 d到28 d，強(qiáng)度增加了1.14 MPa，增長率為10.9%。C2組件由7 d到14 d，試件的抗折強(qiáng)度增加了0.41 MPa，增長率為4.2%；由14 d到28 d，強(qiáng)度增加了0.75 MPa，增長率為7.4%。C3組試件由7 d到14 d，試件的抗折強(qiáng)度增加了0.67 MPa，增長率為6.6%；由14 d到28 d，強(qiáng)度增加了1.09 MPa，增長率為10.0%。C4組試件由7 d到14 d，試件的抗折強(qiáng)度增加了1.59 MPa，增長率為5.8%；由14 d到28 d，強(qiáng)度增加了2.59 MPa，增長率為8.9%。在養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)，試件的抗折強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)時間呈正相關(guān)，且鋼纖維對抗折強(qiáng)度提高有明顯的促進(jìn)作用。

4 結(jié) 論

本文對石墨尾礦這一固體廢棄物作為原材料制備的砂漿進(jìn)行了基本的力學(xué)性能分析?？紤]到拓寬此類砂漿的使用范圍，又在其中加入鋼纖維，并測試了摻入鋼纖維制備的砂漿抗壓與抗折強(qiáng)度，可以得到以下結(jié)論：

1)10%摻量的石墨尾礦摻入對砂漿試件的抗壓和抗折強(qiáng)度有提升，證明了制備石墨尾礦砂漿的可行性。

2)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，10%摻量的粉煤灰對石墨尾礦砂漿試件的抗壓和抗折強(qiáng)度均有降低作用，抗壓和抗折強(qiáng)度最大降低幅度未超過10%和5%。

3)鋼纖維對石墨尾礦砂漿的抗壓與抗折強(qiáng)度有較大提升，其中抗折強(qiáng)度提升顯著。28 d養(yǎng)護(hù)完成時，相比C1組砂漿，抗壓和抗折強(qiáng)度分別提升了31.70 MPa和20.02 MPa，提升率為33.1%和172.7%。

4)在石墨尾礦砂漿中摻入粉煤灰、鋼纖維時，養(yǎng)護(hù)期間的砂漿力學(xué)強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)時間增加而增加，與傳統(tǒng)砂漿強(qiáng)度提升規(guī)律類似。