火山灰基膠凝材料在巖土工程中膠結固化性能的影響

林 堅,魏小濤,羅財金

(福建巖土工程勘察研究院有限公司,福建 福州 350108)

水泥生產中所用的火山灰材料,通常是指天然的火山碎屑物、凝灰巖、硅藻土、偏高嶺土,及工業生產中具有火山灰活性的爐渣、硅灰和粉煤灰等材料。火山灰材料在常溫和有水的情況下能夠與石灰反應,生成具有水硬性膠凝能力的水化物。隨著細粒膠結技術研究的深入,各類膠凝材料的改性與應用成為研究熱點。對此,采用具有火山灰活性的常見工業廢棄物材料和天然火山灰材料改性膠凝材料,探究各類細顆粒的膠結性能和其固化機理。

1 火山灰材料改性膠凝材料

1.1 火山灰材料改性膠凝材料的特征

相關研究表明添加適量的硅灰于混凝土或硅酸鹽水泥等建筑材料中,可促進水合硅酸鈣膠凝材料的產生,從而提高建筑材料的力學強度和耐久性;高爐礦渣是一種典型的人造火山灰,其可與水泥、石灰等混合制作土壤固化劑,固化細粒時,凝膠材料與水反應生成大量水化產物,這些水化產物結晶形成一種穩定的網狀結構以改善土壤綜合性能[1];硅藻土中含有粘土礦物和碳酸鹽成分,純的硅藻土可當作一種輔助膠凝材料。在水泥中摻入硅藻土,可增加粘接水泥的高比表面積,提升水泥的抗壓強度。有學者在利用鍛燒硅藻土對再生混凝土進行改性時,發現煅燒硅藻土的火山灰效應可提升混凝土的力學性能,且該材料的填充和吸附,可減小骨料與粘結劑之間的界面區域。

1.2 火山灰基膠凝材料在巖土工程中的應用

可將火山灰基膠凝材料作為一種有著高強度和優良水穩性的基層加固材料,用于松軟道路和地基的加固,來替代經挖掘河道、炸山取得的砂石進行道路的加固和修筑,以提升松軟地面的路用性能。一方面能創造一定的經濟效益和環境效益,另一方面也實現了對這些工業固體廢棄物的利用,變廢為寶的同時增強路基的穩定性[2]。火山灰基膠凝材料也可用于邊坡固化,完善土壤的理化性質和結構,使得邊坡土壤中的細粒凝聚、膠結形成大的團簇顆粒,從而提升邊坡土壤的抗沖蝕性能,減少邊坡滑坡、坍塌等現象的發生,且施工與維護過程更加便捷[3];將火山灰基膠凝材料應用于尾礦固化回填也是采礦行業一直關注的研究方向。

2 火山灰基膠凝材料對砂漿性能的影響

2.1 改性砂漿試件的制作

選用火山灰摻入量為15%改性后的膠凝材料制作砂漿試樣,分析火山灰基膠凝材料對砂漿性能的影響。設置4種配比的砂漿試樣,第1種膠凝材料是未改性的熟石灰,水膠比為0.8,作為實驗組的對照;第2種是15%硅藻土改性后的熟石灰,水膠比為1.03;第3種是15%硅灰改性后的熟石灰,水膠比為0.93;第4種為15%粉煤灰改性后的熟石灰,水膠比為0.94。按照1∶3膠砂比稱取相應質量的熟石灰、火山灰改性材料加入標準砂中,利用砂漿攪拌機攪拌均勻,然后加入適量水繼續攪拌均勻,骨料和膠凝材料混合均勻后倒入模具制作試樣,與養護箱中養護完成后脫模。

2.2 改性砂漿的性能分析

2.2.1基本性能

對火山灰改性熟石灰制備的砂漿試樣進行基本性能的測試。將每個試樣固化后的體積與固化前體積相比,得到試樣的體積收縮率。將試樣放入烘箱中高溫烘干至恒重,冷卻至室溫時的質量記為絕干質量(m1),后放入真空容器中,加水淹沒試樣,于0.09 MPa真空環境下保持30 min;然后擦干稱量其飽和吸水質量(m2)和水中質量(m3),按照以下公式計算吸水率(E)和顯氣孔率(P):

(1)

(2)

稱量試樣剛脫模時的質量,然后將樣品置于室溫、70%相對濕度的養護箱中養護28 d,分析養護過程中試樣的質量變化。不同配比改性下砂漿試樣的基本性能如表1所示[4]。

表1 不同配比砂漿試樣基本性能測試結果Tab.1 Basic performance test results of mortar samples with different proportions

由表1可知,火山灰改性后的砂漿試樣比純熟石灰砂漿試樣的體積收縮率小,是因火山灰改性的膠凝材料砂漿自身的收縮性較小所致。純熟石灰砂漿試樣的吸水率和顯氣孔率也均大于以下3種改性后的砂漿試樣,說明火山灰改性后的膠凝材料能夠減小砂漿的氣孔率,達到削減水對砂漿作用效果。另外,養護過程中這4種膠凝材料制備的砂漿試樣的質量呈相同的變化趨勢,從開始到14 d時,質量不斷下降,14 d后質量逐漸增加,這是由于膠凝材料進行火山灰反應或蒸發造成試樣內部水分減少,之后隨著碳酸化反應的進行生成碳酸鈣又增加了試樣的質量[5]。

2.2.2 耐久性能

將養護28 d的砂漿試樣置于玻璃水槽中,加水淹沒,對浸泡7、14、30和60 d的試樣的破壞情況進行觀察,并將浸泡后的試樣取出、晾干,測量其抗壓強度。結果表明,在浸水7 d后,膠凝材料為純熟石灰的砂漿試樣逐漸出現裂縫,且隨著時間的增加徹底崩解。而采用火山灰改性膠凝材料制作的砂漿試樣,在整個浸水過程中基本保持完整,采用硅藻土和粉煤灰改性的試樣表面出現細微裂縫。對浸水60 d后的試樣進行抗壓強度測試,熟石灰膠凝材料制作的試樣完全崩解,認定其抗壓強度變化為100%,火山灰改性膠凝材料制作的試樣其抗壓強度相比浸泡之前分別減小了37.9%、16.6%和19.8%左右。火山灰改性后的膠凝材料表現出了更高的耐水性,在長時間的浸泡過程中也能夠保持整體的完整性和一定的力學強度[6-7]。

3 火山灰基膠凝材料對尾礦漿的膠結固化分析

3.1 試驗設計

采用我國西藏某地的天然火山灰進行膠凝材料改性,主要成分為硅酸鋁,通過石灰、水玻璃等堿性激發劑激發其活性,充分利用其膠凝活性。火山灰基膠凝材料尾礦固化劑的制備以及固化土試樣的制備流程如圖1所示。

圖1 試驗流程圖

將天然火山灰放入烘箱中于70 ℃下烘干12 h脫水,后放入馬弗爐中升溫并保持40 min,分別升至400、500、600、700 ℃,降溫后取出放入球磨罐中細磨6 h,剔除大顆粒得到活化火山灰。將活化火山灰和硅酸鹽水泥、鈦石膏按照30∶65∶5的比例混合球磨30 min制備得到尾礦固化劑。然后將其與尾礦漿混合攪拌并加入添加劑制得尾礦固化土泥漿,后注入模具中成型并脫模,控制水灰比均為0.35,在(20±2) ℃下養護一定時長后得到固化土試樣,進行力學性能測試[8-9]。

3.2 火山灰熱激發溫度對試樣性能的影響

將4種溫度下激發的活化火山灰分別制備為尾礦固化劑,與尾礦按照1∶6的質量比制備出尾礦固化試樣,不同熱激發溫度下制備的試樣在養護3、7和28 d后的抗壓強度數值變化如圖2所示[10]。

圖2 火山灰熱激發溫度對試樣抗壓強度的影響

由圖2可見,火山灰的熱激發溫度對尾礦固化試樣的抗壓強度有著明顯影響,在600 ℃溫度下火山灰的反應活性最高,制得的尾礦固化試樣抗壓強度最高,在養護3、7和28 d后分別達到了1.03、2.25和3.86 MPa的抗壓強度。根據礦山行業要求,該情況下抗壓強度應分別在0.4、0.7、1.0 MPa以上,可見600 ℃下的尾礦固化試樣已經明顯高于行業規范要求。隨著溫度的升高,700 ℃條件下,試樣的抗壓強度不增反降,這是由于高溫下部分火山灰活化產物結晶并轉化為非活性相,溫度過高降低了火山灰的活性[11]。

3.3 不同種類膠凝材料對試樣性能的影響

采用一般巖土工程應用的32.5級復合硅酸鹽水泥、42.5級普通硅酸鹽水泥和該火山灰基膠凝材料制備的尾礦固化劑這3種材料進行尾礦固化試樣的制備,膠凝材料與尾礦的比例同樣控制在1∶6。發現隨著養護齡期的增加,這3種試樣的抗壓強度均呈單調增加趨勢,但不同膠凝材料制備的試樣抗壓強度數值不同。32.5級水泥固化試樣的抗壓強度最低,其他2種試樣的抗壓強度較為貼近,說明激發后的火山灰有著較大的膠凝活性,制備而成的固化劑與P·O42.5級普通硅酸鹽水泥有著相似的尾礦固結效果,保障了尾礦固化后的整體力學性能[12-13]。

4 結語

基于常見的工業廢渣材料和天然火山灰材料改性制備新型、綠色環保的膠凝材料,設計了火山灰基膠凝材料的制備流程與性能測試試驗,探究了火山灰基膠凝材料改性效果、膠結固化機理。結果表明,改性膠凝材料制備的砂漿試樣基本性能得到改善,耐水性良好,天然火山灰的最佳熱激發溫度為600 ℃,所制備的尾礦試樣有著和P·O42.5水泥大致相同的尾礦固化效果。將其用于砂漿的固化、尾礦的固化回填,不僅可提升固化試樣的抗壓強度、整體穩定性以及耐久性等,還可實現對資源的循環利用。