鐵尾礦粉、砂泥粉對(duì)水泥-減水劑體系工作性能的影響

李曉光，楊 俊，萬 橋，屈雅安

(長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061)

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鐵尾礦粉、砂泥粉對(duì)水泥-減水劑體系工作性能的影響

李曉光，楊 俊，萬 橋，屈雅安

(長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061)

為揭示鐵尾礦粉和天然河砂中砂泥粉對(duì)水泥凈漿體系的影響規(guī)律，分別測(cè)試了聚羧酸減水劑(PCA)和萘系減水劑(FDN)與兩類粉體雙摻后水泥漿動(dòng)電電位和流變參數(shù)。結(jié)果表明：鐵尾礦粉與砂泥粉對(duì)水泥-減水劑體系工作性能的影響存在顯著差異。在PCA-水泥漿與鐵尾礦粉或砂泥粉的雙摻體系中，含鐵尾礦粉水泥漿動(dòng)電電位及塑性粘度變化率明顯低于含砂泥粉水泥漿體系，鐵尾礦粉對(duì)水泥漿流動(dòng)性影響較小；采用FDN時(shí)，含砂泥粉的水泥漿體系流動(dòng)性能優(yōu)于摻鐵尾礦粉的水泥漿體系；當(dāng)水泥漿體系中粉體外摻量達(dá)到7%時(shí)，漿體塑性粘度顯著增加，漿體體系流動(dòng)性較差。

鐵尾礦粉； 砂泥粉； 動(dòng)電電位； 塑性粘度

1 引 言

隨著天然砂石資源的日漸枯竭，越來越多的混凝土企業(yè)開始使用機(jī)制砂石。目前，機(jī)制砂包括天然石經(jīng)過機(jī)械破碎而成，廢棄礦石經(jīng)破碎、分級(jí)處理而成。隨著環(huán)保政策的推行，大力開展尾礦機(jī)制砂石的綜合利用[1,2]，對(duì)實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)具有非常重要的應(yīng)用意義。

然而，不論天然石還是尾礦石在破碎過程中，均產(chǎn)生了大量的細(xì)粉，細(xì)粉的存在將影響減水劑作用的正常發(fā)揮，進(jìn)而將影響水泥及混凝土的施工性能，因此，從細(xì)粉與外加劑之間相互作用規(guī)律入手，選擇水泥、細(xì)粉和減水劑作為研究體系，通過動(dòng)電電位和塑性粘度測(cè)試，開展系列實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)推廣細(xì)粉應(yīng)用，加強(qiáng)尾礦石乃至機(jī)制砂石生產(chǎn)將起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)于機(jī)制砂中的石粉與減水劑的研究，已有許多研究人員進(jìn)行了試驗(yàn)，如：李有光等[3]研究了天然河砂中含泥量對(duì)聚羧酸減水劑分散能力的影響，表明泥粉對(duì)減水劑吸附較快，且吸附量約為水泥4倍左右。Etsuo Sakai等[4]發(fā)現(xiàn)黏土礦物對(duì)于聚羧酸減水劑的吸附量遠(yuǎn)高于萘系減水劑。馬保國(guó)等[5]的研究表明，隨機(jī)制砂中石粉含量增加，采用聚羧酸減水劑的水泥凈漿體系流動(dòng)度變化不大。李國(guó)新等[6]研究了砂泥粉與高效減水劑雙摻后水泥漿的流動(dòng)特性，增加砂泥含量，漿體流動(dòng)度下降。

盡管對(duì)石粉進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，但是，對(duì)于鐵尾礦粉與減水劑的作用以及水泥漿性能的影響，卻未見詳細(xì)報(bào)道。本文將采用對(duì)比試驗(yàn)方法，對(duì)鐵尾礦粉和砂泥粉分別進(jìn)行雙摻后，研究水泥漿工作性能的變化規(guī)律，為鐵尾礦粉的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 試 驗(yàn)

2.1 原 料

所用原料包括：冀東P.O42.5級(jí)水泥；砂泥粉取陜西黑河河砂，將砂經(jīng)篩分、烘干后得到粒徑小于0.075 mm的顆粒[7](SMP)；鐵尾礦砟石粉取自陜西宏陽機(jī)制砂生產(chǎn)線。經(jīng)選粉機(jī)選粉后的細(xì)粉過0.075 mm的方孔篩，最終得到鐵尾礦細(xì)粉顆粒(IOT)。

經(jīng)前期試驗(yàn)，試驗(yàn)用聚羧酸減水劑(PCA)最佳摻量為0.4%，萘系減水劑(FDN)最佳摻量為1.2%。兩種減水劑均由陜西正豪建材科技有限公司生產(chǎn)。

采用Brucker生產(chǎn)X射線熒光分析儀(設(shè)備型號(hào)為S4SPIONEER)對(duì)兩類細(xì)粉和試驗(yàn)用水泥的化學(xué)組成進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 水泥、鐵尾礦粉和砂泥粉的化學(xué)組成Tab.1 Chemical composition of cement,iron ore tailing(IOT) and sand mud powder(SMP)

采用D/max-2500型X射線衍射儀對(duì)鐵尾礦粉與砂泥粉進(jìn)行礦物組成測(cè)定，其XRD圖譜見圖1，所含礦物的半定量分析見表2。

圖1 砂泥粉、鐵尾礦粉的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of IOT and SMP

兩類細(xì)粉的化學(xué)成分分析結(jié)果表明，鐵尾礦粉中富含較多Fe、Al成分，其中Fe約占10%左右，顯著高于砂泥粉的4%。砂泥粉Si、Ca含量稍高。由圖1細(xì)粉的XRD圖譜可知，兩種粉體均含有大量的石英。鐵尾礦伴生礦主要為石英巖，所以含有較多的石英礦相，而砂泥粉經(jīng)篩分處理后，0.075 mm的篩下料中仍存在大量的砂粉，所以同樣檢測(cè)到石英。與砂泥粉不同，在鐵尾礦粉中還存在約45%的白云母，砂泥粉中則存在約40%的鈉長(zhǎng)石和7%的碳酸鈣。兩類粉體礦相種類和含量的差異，可能導(dǎo)致與高效減水劑存在不同的作用機(jī)理。

采用HYA-2010B1靜態(tài)容量法比表面積測(cè)試儀，測(cè)試了鐵尾礦粉及砂泥粉的比表面積，根據(jù)BET理論得出，砂泥粉的比表面積為69970 m2/kg，而鐵尾礦粉比表面積為60178 m2/kg。由比表面積值可知，兩種粉體的比表面積相差在15%以內(nèi)，總體細(xì)度相差不大。

表2 鐵尾礦粉和砂泥粉礦物含量Tab.2 Mineral content of IOT and SMP /%

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 動(dòng)電電位測(cè)定

采用Collioidal Dynamiics 公司產(chǎn)7020 Zetaprobe 測(cè)定儀測(cè)試凈漿動(dòng)電電位(ζ電位)。該設(shè)備可以測(cè)定濃度高達(dá)60%樣品溶液。配制水泥漿體采用倍達(dá)譜實(shí)驗(yàn)室級(jí)超純水機(jī)制備的蒸餾水，試驗(yàn)溫度為20 ℃。為使水泥漿體中相鄰固體粒子之間不受影響，設(shè)定水灰比為5∶1，質(zhì)量濃度為16.67%，以確保漿體中的固體粒子盡量被分散[8]。將水泥量0.4%的聚羧酸減水劑及1.2%的萘系減水劑分別摻入水中，然后再將50 g水泥與水泥質(zhì)量的1%、2%、3%、4%、5%、7%鐵尾礦粉或砂泥粉放入水中，攪拌3 min，然后倒入測(cè)量杯中，測(cè)量ζ電位(動(dòng)電電位)每個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)間間隔為5 min，共測(cè)12個(gè)點(diǎn)，總時(shí)長(zhǎng)65 min。

2.2.2 流變性能測(cè)定

采用Brookfield公司產(chǎn)R/S流變儀，測(cè)定水泥凈漿體系的流變特性。設(shè)定剪切速率由0增至100 s-1，剪切時(shí)間為90 s，每1.5 s取一個(gè)點(diǎn)，每隔10 min測(cè)一次。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的漿體水灰比為0.28，分別將水泥質(zhì)量的1%、2%、3%、4%、5%、7%的鐵尾礦粉或砂泥粉與高效減水劑，外摻入水泥凈漿。攪拌5 min后倒入測(cè)試用燒杯中進(jìn)行測(cè)量，采用Rheo3000軟件采集水泥凈漿的流變參數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 動(dòng)電電位測(cè)試

鐵尾礦粉、砂泥粉與水泥-減水劑體系雙摻后，其水泥凈漿體系的ζ電位隨時(shí)間變化規(guī)律見圖2和圖3。

圖2 摻SMP(a)和IOT(b)的PCA-水泥漿體系ζ電位值Fig.2 ζ potential of PCA-cement slurry system containing SMP(a)and IOT(b)

由圖2可知，砂泥粉和鐵尾礦粉的摻入都會(huì)對(duì)PCA-水泥漿體系ζ電位產(chǎn)生一定影響。隨著IOT和SMP摻量的逐漸增加，漿體ζ電位呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。說明隨著鐵尾礦粉和砂泥粉摻量的增加，其逐漸吸收PCA減水劑分子，使得吸附在水泥顆粒上的PCA分子減少，削弱了PCA減水劑對(duì)水泥漿體系的分散性，從而使水泥漿體系的流動(dòng)性降低。在65 min內(nèi)，不同摻量鐵尾礦粉的水泥漿體系ζ電位變化幅度在3 mV范圍內(nèi)，而不同摻量砂泥粉的水泥漿體系其ζ電位變化幅度大約為8 mV，兩者隨細(xì)粉摻量增加變化幅度相差較大，說明隨鐵尾礦粉摻量增加對(duì)PCA-水泥漿體ζ電位的影響幅度較小，表明鐵尾礦粉摻量不同對(duì)PCA分散性的影響較小，所以鐵尾礦粉摻量對(duì)PCA-水泥漿體系的流動(dòng)性影響較低。

圖3 摻SMP(a)和IOT(b)的FDN-水泥漿體系ζ 電位值Fig.3 ζ potential of FDN-cement slurry system containing SMP(a)and IOT(b)

由圖3可得，摻入砂泥粉使得FDN-水泥漿體系ζ電位絕對(duì)值降低，其主要原因是粉體對(duì)FDN分子產(chǎn)生吸附，使得吸附在水泥顆粒表面的FDN分子減少，從而使水泥漿體分散性減弱，進(jìn)而減弱漿體的流動(dòng)性。65 min內(nèi)，不同摻量砂泥粉摻入FDN-水泥漿體系后ζ電位在20 mV范圍間波動(dòng)，而隨著鐵尾礦粉摻量的增加，F(xiàn)DN-水泥漿體系ζ變化范圍為40 mV，變化幅度相對(duì)較大，說明對(duì)于FDN-水泥漿體系，砂泥粉摻量的不同對(duì)與FDN-水泥漿體分散性及流動(dòng)性的影響較小。

比較圖2和圖3可得，PCA-水泥漿體系呈正電位且ζ電位值較小，而FDN-水泥漿體系呈負(fù)電位且ζ電位值較大，分析其原因主要是由于PCA分子的負(fù)電荷密度(約430×10-6～1340×10-6Eq/g)較低[9]，而且PCA主要依靠空間位阻效應(yīng)使水泥顆粒分散[10]，對(duì)水泥漿體ζ電位影響較低；而FDN為陰離子型表面活性劑，電離后帶負(fù)電荷[11]而且FDN分子的負(fù)電荷密度(約3700×10-6Eq/g)較高[9]，加入FDN后，其吸附在水泥顆粒表面并以靜電斥力使水泥顆粒分散，所以使得兩種水泥漿體系的ζ電位相差較大。

3.2 流變性能測(cè)試

本文主要對(duì)水泥漿體系塑性粘度變化研究，水泥凈漿體系的塑性粘度隨時(shí)間變化的規(guī)律見圖4。

圖4 水泥凈漿塑性粘度變化值(a)PCA+SMP;(b)PCA+IOT;(c)FDN+SMP;(d)FDN+IOTFig.4 Viscosity change of cement slurry (a)PCA+SMP;(b)PCA+IOT;(c)FDN+SMP;(d)FDN+IOT

圖4可知，增加鐵尾礦粉、砂泥粉摻量后，水泥凈漿的粘度將呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。主要原因是外摻鐵尾礦粉、砂泥粉后，減小了水膠比(膠凝材料包括水泥和細(xì)粉)，導(dǎo)致水泥漿粘度隨細(xì)粉摻量增加而增大。摻PCA水泥漿的塑性粘度隨細(xì)粉摻量的增加波動(dòng)較小，摻FDN水泥漿的塑性粘度值隨細(xì)粉摻量增加波動(dòng)較大。同時(shí)由圖4可得，不論使用何種減水劑，當(dāng)粉體摻量達(dá)到7%時(shí)，水泥漿體系塑性粘度值增長(zhǎng)較快，這也從側(cè)面表明水泥漿體系的流動(dòng)性相對(duì)較差。

為進(jìn)一步掌握砂泥粉和鐵尾礦粉對(duì)水泥-減水劑體系塑性粘度的影響規(guī)律，這里定義相對(duì)塑性粘度值(?)，計(jì)算公式如式(1)。PCA、FDN與鐵尾礦粉、砂泥粉雙摻后水泥漿體系塑性粘度相對(duì)值(?)見表3。

(1)

ηT：摻鐵尾礦粉漿體塑性粘度(Pa·s)；ηS：摻鐵尾礦粉漿體塑性粘度(Pa·s)。

表3 水泥漿塑性粘度相對(duì)值(?)Tab.3 Relative value of cement slurry plastic viscosity

由表3可知，摻PCA的水泥漿，相對(duì)塑性粘度均小于1，說明不同摻量下，鐵尾礦粉的水泥漿塑性粘度值均低于砂泥粉的漿體，PCA與鐵尾礦粉雙摻的水泥漿流動(dòng)性更好。摻FDN的水泥漿，相對(duì)塑性粘度均大于1，說明摻入鐵尾礦粉的水泥漿體系流動(dòng)性低于摻砂泥粉漿體的流動(dòng)性。

4 結(jié) 論

通過上述試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1)通過測(cè)試漿體體系ζ電位的變化，可知在PCA-水泥漿體系中鐵尾礦粉的摻入對(duì)ζ電位波動(dòng)更小，對(duì)其流動(dòng)性的影響較小；對(duì)于FDN-水泥漿體系，砂泥粉摻量對(duì)漿體ζ電位波動(dòng)相對(duì)較小，其流動(dòng)性的變化較小；

(2)不論使用何種減水劑，當(dāng)粉體摻量達(dá)到7%時(shí)，水泥漿體系流動(dòng)性較差。在FDN-水泥漿體系中，摻砂泥粉漿體塑性粘度較低，其流動(dòng)性較好。與之相反，PCA-水泥漿體系中，摻入鐵尾礦粉的水泥漿體表現(xiàn)出的塑性粘度相對(duì)較低，流動(dòng)性較為良好。

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Effect of Iron Ore Tailing and Sand Mud Powder on Workability of Cement Paste with Water-reducer

LIXiao-guang,YANGJun,WANQiao,QUYa-an

(School of Civil Engineering,Changan University,Xi'an 710061,China)

To reveal the effect of iron ore tailing(IOT) and sand mud powder(SMP)on workability of cement paste, measurement of electrokinetic potential and rheological parameters were employed as polycarboxylic superplasticizer (PCA) and naphthalene superplasticizer (FDN) respectively with the two sorts of powders were added into cement pastes. The results show that the influence of IOT and SMP on the workability of pastes make remarkable difference. The rate of change of plastic viscosity and change of ζ potential keep significantly lower in the paste containing IOT compared with SMP by adding PCA,the influence of IOT to the slurry liquidity and rheological properties is significantly lower.As FDN is used as admixture,great fluctuation of plastic viscosities of the pastes occur with increasing amount of fine powder, however workability of pastes with SMP is superior to of IOT with prolongation of time .When the mass fraction of powder in paste is 7%,the fluxility of paste will decrease.

iron ore tailing;sand mud powder;electrokinetic potential;plastic viscosity

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2013KTCG02-02);2015年度中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(310828152016)

李曉光(1969-)，男，博士，教授.主要從事土木工程材料研究.

TD98

A

1001-1625(2016)09-3020-05