白象山鐵尾礦微粉對水泥基灌漿材料性能影響研究

2022-11-08 03:32:12翁金紅王榮林李子一劉娟紅劉倩影

金屬礦山 2022年10期

翁金紅王榮林李子一王歡劉娟紅劉倩影

(1.安徽馬鋼礦業資源集團姑山礦業有限公司,安徽馬鞍山 243111;2.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083)

尾礦是非煤礦山企業在選礦過程中無法進一步利用而排放的固體廢物[1]。目前,國內對尾礦最直接的處理辦法仍是尾礦庫堆存法。然而截止到2020年底,我國的尾礦堆積量已達到222.6 億t,在工業廢棄物中占比最高[2]。尾礦的直接堆積不僅會浪費大量的土地資源,還會污染周邊的水體和土壤,甚至引發重大安全事故[1-6]。鐵尾礦作為年產量最高的尾礦種類,其綜合利用率卻較為落后[7-9]。為解決我國尾礦的堆積問題,提高尾礦的綜合利用率成為重中之重。若將鐵尾礦磨細成微粉作為礦物摻合料加以利用,既可以大規模消耗現有鐵尾礦堆積庫存,又可以在一定程度上緩解傳統礦物摻合料供應不足的問題,具有良好的經濟效益與環境效益[10]。

水泥基灌漿材料是一種干粉材料,由水泥、礦物摻合料、外加劑和骨料(或不含骨料)等原材料所組成,加水拌合后具有早強性、高強性、高流動性及微膨脹性等性能[11-14]。我國于上世紀70年代開始了對水泥基灌漿材料的研究工作,經過長時間的發展,水泥基灌漿材料已經應用于我國多個重大工程領域[11-12,15-16]。國內對鐵尾礦砂替代細骨料制備水泥基灌漿材料研究較多。孫小巍等[17-18]研究了鐵尾礦砂替代灌漿料中的石英砂對其工作性能及力學性能的影響,結果表明,替代率為40%時,對灌漿料工作性能影響最小,且力學性能滿足國家標準要求。汪劉順[19]同樣得到鐵尾礦砂的替代率為40%時所制備出的灌漿料性能較好。劉云霄等[20]通過試驗得到,在適當的配合比下,以鐵尾礦砂替代石英砂,對灌漿料性能影響不大,具有良好的技術可行性。

目前國內利用鐵尾礦微粉代替膠凝材料制備灌漿料的相關研究甚少,鐵尾礦粉對于灌漿材料的性能影響尚不清楚。本研究采用改性白象山鐵尾礦微粉替代水泥基灌漿材料中的部分膠凝材料,探究鐵尾礦微粉的摻入對水泥基灌漿材料流動性、力學性能和抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗選用普通硅酸鹽水泥(P·O 52.5)、I 級粉煤灰、白象山鐵尾礦微粉和細度d50不超過2.1 μm 的精細沉珠作為膠凝材料;使用聚羧酸減水劑、消泡劑、塑性膨脹劑作為外加劑。水泥、粉煤灰與精細沉珠的化學組成及性能指標見表1～表3。

表1 原材料化學組成Table 1 Chemical composition of raw materials %

表2 水泥主要性能指標Table 2 Main performance indexes of cement

表3 粉煤灰和精細沉珠主要性能指標Table 3 Main performance indexes of fly ash and fine sinking beads %

對未經處理的白象山鐵尾礦微粉的化學成分、細度、燒失量、活性指數等進行檢測與分析,結果列于表4 和表5。經對比發現,未經處理的白象山鐵尾礦微粉的細度和燒失量均滿足Ⅱ級粉煤灰指標要求(表6)[21],但28 d 活性指數和需水量比不滿足要求。可以看出,未經處理的白象山鐵尾礦微粉的活性指數僅為59%,若直接利用其替代粉煤灰和水泥必然會發生強度不足的情況,故而必須對鐵尾礦微粉進行改性處理。遂添加改性劑進行改性。改性后的白象山鐵尾礦微粉的主要化學成分和性能指標同樣列于表4和表5。改性后的白象山鐵尾礦微粉的主要性能指標均滿足Ⅱ級粉煤灰指標要求。其XRD 如圖1所示。由圖1 可知,改性白象山鐵尾礦粉主要礦物成分為石英、云母以及Fe2O3。

表4 白象山鐵尾礦微粉主要化學成分Table 4 Main chemical components of Baixiangshan iron tailings micro powder %

表5 白象山鐵尾礦微粉主要性能指標Table 5 Main performance indexes of Baixiangshan iron tailings micro powder

表6 Ⅱ級粉煤灰指標要求Table 6 Index requirements of grade Ⅱ fly ash %

圖1 改性白象山鐵尾礦微粉XRDFig.1 XRD of modified Baixiangshan iron tailings micro powder

1.2 試驗配合比

綜合考慮工程施工實用性,選取水膠比為0.32。試驗用基本配合比見表7。

表7 試驗基本配合比Table 7 Test basic mix proportion kg

為了研究白象山鐵尾礦微粉替代水泥和粉煤灰對高性能水泥基灌漿材料流動性、力學性能及抗硫酸鹽侵蝕性能的影響,需進行如下試驗,試驗具體配合比見表8。

表8 試驗配合比Table 8 Test mix proportion kg

A1 組為空白組,A2 至A6 組為試驗組,各組的白象山鐵尾礦微粉的替代率分別為5%、9.5%、14%、18.5%和23%。其中A2 組僅用鐵尾礦微粉替代5%粉煤灰,A3 至A6 組在A2 組的基礎上,每組多替代4.5%的水泥。

按照表8所示配合比制備灌漿材料,測定其流動度、抗壓強度、抗折強度,并進行硫酸鹽侵蝕的試驗,分析不同比例的白象山鐵尾礦微粉替代粉煤灰及水泥對高性能水泥基灌漿材料流動性、力學性能和抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。

1.3 試驗方法

按照《GB/T 50448—2015 水泥基灌漿材料應用技術規范》附錄A.0.3 和A.0.5[22]測定水泥基灌漿材料的流動度和抗壓強度;按照《GB/T 17671—2021水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》[23]測定水泥基灌漿材料的抗折強度。

水泥基灌漿材料的硫酸鹽侵蝕試驗采用全浸泡法,由于在常溫下硫酸鹽侵蝕破壞較慢,為加快其速率,故采用高溫的硫酸鹽溶液來浸泡。采用40 mm×40 mm×160 mm的試塊,標準養護至28 d 后測量質量和初始強度,并將試塊分別浸泡在清水、40 ℃的10%硫酸鎂溶液和60 ℃的10%硫酸鎂溶液中。每30 d 分別測量各組的質量和抗壓強度,計算在硫酸鎂溶液中浸泡的試塊較在清水中浸泡的試塊的質量損失率和抗壓強度損失率。抗壓強度損失率大于25%時視為試塊破壞,停止浸泡。

2 試驗結果與分析

2.1 漿體流動性

依據表8所示配合比制備水泥基灌漿材料,測定其初始流動度與30 min 流動度,結果如圖2所示。

圖2 流動度試驗結果Fig.2 Fluidity test results

由圖2 可以看出,隨著白象山鐵尾礦微粉摻量的增加,流動度有著先增大后減小再增大的趨勢,即流動性先變差后變好再變差。A2 組的初始流動度和30 min 流動度與A1 組相比均無明顯差距,二者的值較A1 組分別多了0.18%和3.34%。A3 組的流動度明顯增大,初始流動度和30 min 流動度較A1 組分別增加了24.74%與38.05%。A4 組與A5 組的流動度逐漸減小,A6 組再次增大。其中A5 組的初始流動度與30 min 流動度較A1 組分別只增加了7.04%和16.06%。分析原因可知,鐵尾礦微粉的比表面積較水泥更大,顆粒較水泥更細,但其顆粒并非球形,而是帶有棱角的不規則體。適量摻加鐵尾礦微粉在一定程度上可以改善粉體的級配,對漿體的流動性沒有過多負面影響。而隨著摻量的增加,鐵尾礦微粉顆粒間可能會發生機械咬合作用,使得內阻力增大,需水量增大,導致流動性降低[24-25]。

雖然摻入白象山鐵尾礦微粉后流動性有所下降,但各組均滿足《TB/T 3192—2008 鐵路后張法預應力混凝土梁管道壓漿技術條件》(初始流動度18±4 s;30 min 流動度≤30 s)[26]和《GB/T 50448—2015 水泥基灌漿材料應用技術規范》(初始流動度≤35 s;30 min 流動度≤50 s)[22]的要求。

2.2 抗壓強度

測得各組3、7、28 d 抗壓強度,結果如圖3所示。

圖3 抗壓強度試驗結果Fig.3 Compressive strength test results

由圖3 可以看出,隨著齡期的增加,各組的抗壓強度都穩定增長,且早期強度增長較快。A1 組的3 d強度達到了28 d 強度的71.05%,A2 至A5 組的3 d強度分別為28 d 強度的66.68%、62.29%、66.60%、59.92%和53.40%,表明各組水泥基灌漿料均表現出了早強的特性。各組水泥基灌漿材料均滿足《TB/T 3192—2008鐵路后張法預應力混凝土梁管道壓漿技術條件》(7 d,≥35 MPa;28 d,≥50MPa)和《GB/T 50448—2015 水泥基灌漿材料應用技術規范》(7 d,≥30 MPa;28 d,≥50 MPa)的要求。

可以發現,當鐵尾礦微粉摻量較低時,抗壓強度可能會超過空白組,例如A2 組的7 d、28 d 強度和A3組的28 d 強度。但當摻量繼續升高時,抗壓強度均低于空白組。其原因在于鐵尾礦微粉粒徑較小,可以填充其他粉體顆粒堆疊形成的大量孔隙中,發揮微集料填充效應,增加試塊的密實程度,從而提高其抗壓強度。而隨著鐵尾礦微粉摻量的增加,水泥用量減少,導致膠凝材料的整體活性不足,膠結能力下降,使得強度下降[27]。

由于鐵尾礦微粉屬于非活性或低活性摻合料,不像礦粉和粉煤灰一樣具有二次水化的能力,摻入后不會有水化作用,對強度貢獻有限。因此只將摻入鐵尾礦微粉組別的強度與空白組進行對比意義不大。為了更直觀地研究鐵尾礦微粉對后期水化過程的影響,引入后期強度影響系數M[28]。

式中,A28為各組灌漿材料的28 d 強度;A3為各組灌漿材料的3 d 強度。

可見,M值反映的是摻入鐵尾礦微粉后對灌漿材料后期強度增長幅度的影響。計算各組的M值,如圖4所示。

圖4 不同組別的后期抗壓強度影響系數Fig.4 Influence coefficient of late compressive strength of different groups

由圖4 可以看出,與空白組A1 相對比,A2～A6組的后期強度影響系數都有一定程度的增加,說明鐵尾礦微粉的摻入有利于水泥基灌漿材料后期強度的發展。分析其原因可知,在低水膠比下,摻入鐵尾礦微粉帶來的稀釋效應有利于水泥水化,使得后期強度增長幅度有所提升[25]。

2.3 抗折強度

齡期對抗折強度變化的影響如圖5所示。

圖5 抗折強度試驗結果Fig.5 Flexural strength test results

由圖5 可以看出,A1 組的3 d 強度達到了28 d強度的70.23%,A2～A6 組的3 d 強度分別為28 d 強度的63.57%、68.38%、58.62%、69.16%和68.75%。可以看出,抗折強度同樣是早期發展較快,且其早期發展要快于抗壓強度的早期發展。各組水泥基灌漿材料均滿足《TB/T 3192—2008 鐵路后張法預應力混凝土梁管道壓漿技術條件》(7 d,≥6.5 MPa;28 d,≥10 MPa)的要求。

各組灌漿材料在抗折強度中表現出了與抗壓強度類似的現象。當鐵尾礦微粉摻量較低時,抗折強度可能會超過空白組,例如A3 組的3 d 強度和A2、A3及A4 組的28 d 強度。摻量較高的A5 和A6 組的抗折強度均不高于空白組。

同樣地,計算各組的M值,研究鐵尾礦微粉的摻入對后期強度發展的影響,結果見圖6。可以看出,相較于空白組A1 而言,A2～A6 組的后期強度影響系數均有一定幅度的提升,再次說明鐵尾礦微粉的摻入在一定程度上有利于水泥基灌漿材料后期強度的發展。

圖6 不同組別的后期抗折強度影響系數Fig.6 Influence coefficient of late flexural strength of different groups

2.4 抗硫酸鹽侵蝕性能

本試驗選用A1與A6 組進行硫酸鹽侵蝕試驗。灌漿料的質量、抗壓強度損失率隨浸泡時間增加的變化規律如圖7 和圖8所示。圖中質量或抗壓強度損失率為負代表硫酸鹽浸泡組較清水浸泡組的質量或抗壓強度有所增加,反之則代表減少。

圖7 40 ℃的10%硫酸鎂溶液侵蝕結果Fig.7 Corrosion results of 10% magnesium sulfate solution at 40 ℃

圖8 60 ℃的10%硫酸鎂溶液侵蝕結果Fig.8 Corrosion results of 10% magnesium sulfate solution at 60 ℃

由圖7 和圖8 可以看出,在試驗過程中,水泥基灌漿材料的質量和抗壓強度都有著先增大后減小的趨勢。硫酸鹽溶液中浸泡60 d 內,A1 組的質量或抗壓強度基本處于增長階段,但A6 組的質量或抗壓強度增長率大部分小于A1 組。說明加入鐵尾礦粉的水泥基灌漿材料在硫酸鹽侵蝕環境中,60 d 內的質量和抗壓強度增長小于不摻鐵尾礦粉,也可以說硫酸鹽進入水泥基灌漿材料孔隙中生產腐蝕產物少。鐵尾礦粉可以延緩其質量和抗壓強度開始下降的時間和下降的幅度。分析其原因,可能是因為在硫酸鎂溶液中浸泡的早期階段,溶液中的硫酸鎂進入到試塊內部后與水泥水化產生的Ca(OH)2等堿性物質反應,生成體積更大的Mg(OH)2、CaSO4·2H2O 等物質,生成的侵蝕產物填滿了試塊內部的孔隙,使試塊更加密實,從而導致質量和抗壓強度的增加。而隨著浸泡時間的增加,生成的侵蝕產物不斷堆積,試塊內部的膨脹應力大于拉應力,試塊開始出現微裂隙,造成試塊邊緣脫落、質量隨之減小,抗壓強度減小。隨著侵蝕產物的繼續膨脹,最終出現大裂縫,抗壓強度損失率超過25%,發生侵蝕破壞。而鐵尾礦微粉屬于非活性摻合料,加入后可以顯著降低拌合物的堿度,Ca(OH)2含量低,所生成的侵蝕產物也會減少,一方面導致浸泡早期的質量和抗壓強度增長幅度較低,另一方面提高了抗硫酸鹽侵蝕性能[29-30]。

圖9與圖10 分別為溫度對A1 組和A6 組的質量損失率和抗壓強度損失率的影響。由圖9 可以看出,溫度對2 組的質量損失率隨浸泡時間的變化影響不大。觀察圖10 可以發現,在40 ℃時,2 組的抗壓強度損失率都先減小后增大,而在60 ℃時,2 組的抗壓強度損失率都是增大的,且增大的幅度與40 ℃時近乎一致,說明溫度的升高提前了抗壓強度損失率開始增大的時間,并導致試塊更快地破壞。其原因在于當溫度達到60 ℃時,水化產生的AFt 開始分解為AFm[31-32],由于AFm 比重更大,使得AFt 在分解后的體積變小,漿體內部出現微孔隙,從而導致抗壓強度降低,抗壓強度損失率增大。