鋰渣復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資源，其鉭鈮礦伴生鋰云母礦是已探明國內最大的鋰云母礦床之一，也是當地鋰電新能源企業正在開發利用的主要鋰礦石之一。以碳酸鋰產能達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”。據統計，宜春地區鋰云母礦鋰含量在2%～5%范圍內，現有工藝提取鋰云母中的鋰、銣、銫等有價元素后，將產生10 倍以上的工業固體廢渣，因此現有鋰云母礦提取碳酸鋰工藝的產渣量極大。

鋰渣是鋰云母礦提取碳酸鋰的生產工藝過程中經過原料煅燒、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域還處于試驗研究階段，也未見其大規模資源化利用［1-3］。為了科學、合理地對鋰渣進行資源化利用，本文系統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合對膠凝材料強度的影響，旨在探討鋰渣復合粉對膠凝材料力學性能的影響規律，為鋰渣大規模建材資源化利用提供一定的理論依據。

2 原材料

2.1 水泥

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

表1 水泥的物理化學性能分析

表2 水泥的主要化學成分分析

2.2 鋰渣粉

由宜春某碳酸鋰生產企業取樣的鋰渣磨細制成，表觀密度為2.51g/cm3，亞甲藍值為1.1。鋰渣粉主要化學成分分析見表3。本試驗采用Φ 500 標準試驗磨將鋰渣加工到比表面積達500 m2/kg。

表3 鋰渣粉的化學成分分析

2.3 其他礦物摻合料

采用江西九江二電廠生產的F 類Ⅱ級粉煤灰，主要化學成分分析如表4 所示。礦渣粉采用萍鋼集團生產的水渣磨細制成的S95級礦渣粉，比表面積為415m2/kg，密度為2.82g/cm3，其主要化學成分分析見表4。硅灰采用上海山鷹環?？萍加邢薰旧a的超細硅灰，主要化學成分分析如表4 所示。

表4 幾種礦物摻合料的化學成分分析

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合，礦物摻合料總摻量保持不變。試驗環境溫濕度應符合水泥膠砂強度試驗方法標準GB/T17671 的規定，成型環境溫度為20℃±2℃，相對濕度50%以上。試件水中養護溫度為20℃±1℃。

4 試驗結果及分析

4.1 鋰渣粉與粉煤灰的復合效應研究

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

表5 鋰渣粉與復摻粉煤灰膠砂配合比

表6 鋰渣粉復摻粉煤灰試驗結果

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，但鋰渣粉復摻粉煤灰時，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合效應研究

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

表7 鋰渣粉復摻礦渣粉膠砂配合比

表8 鋰渣粉與礦渣粉復摻試驗結果

由表8 可以看出，鋰渣粉復摻礦渣粉時，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，比單摻鋰渣粉的高26.5%；復摻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，比單摻鋰渣粉的高23.1%；復摻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，鋰渣粉與礦渣復摻的效果較好，且鋰渣粉與礦渣粉復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 鋰渣粉與硅灰的復合效應研究

表9 鋰渣粉復摻硅灰膠砂配合比

表10 鋰渣粉與硅灰復摻試驗結果

試驗采用鋰渣粉與硅灰復摻，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，試驗結果如表9、表10 所示。

由表10 可以看出，硅灰與鋰渣粉復摻時，膠凝材料整體強度明顯優于單摻鋰渣粉，但略低于鋰渣粉與硅灰復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%。當鋰渣粉摻量在一定范圍內時，鋰渣粉與硅灰復摻能提高膠凝材料強度。鋰渣粉與硅灰復摻對膠凝材料抗壓強度的改善作用較大。

5 結論

由上述試驗結果來看：鋰渣粉復合粉煤灰、礦渣粉和硅灰時，對膠凝材料具有較好的礦物摻合料協同效應。這種復合協同效應的效果是礦渣粉優于硅灰，而硅灰又優于粉煤灰?？傮w來看，鋰渣粉與礦渣粉復摻對膠凝材料的增強效果最好。鋰渣粉復摻粉煤灰、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，還能夠促進活性礦物摻合料與水泥水化產物氫氧化鈣進一步發生化學反應，提高膠凝材料后期強度。不同種類的礦物摻合料復合使用時，可以發揮各自作用，優勢互補，進而提高膠凝材料強度。