銅尾礦砂制備裝配式建筑用高強灌漿料的研究★

賀 晟，趙凱凱，范鵬飛

(1.山西省建筑科學研究院集團有限公司,山西 太原 030001; 2.山西舜王建筑工程有限公司,山西 運城 043700)

隨著裝配式建筑概念的逐漸深入人心,建筑行業對高性能建材的需求也越來越迫切。裝配式建筑的構件連接方式主要采用套筒灌漿連接。傳統的灌漿材料往往采用高品質的石英砂,配合膠凝材料和各種助劑,生產成本較高,研發一種基于工業固廢材料的高強度無收縮混凝土灌漿料,以適應裝配式建筑的需要,具有重要的現實意義和深遠的發展前景。本項目旨在將工業固廢材料轉化為高性能建材,在提高資源綜合利用效率的同時,滿足建筑行業對于性能優越的建材的需求。中條山銅尾礦砂采自地下百米的巖石,具有巖石母材強度高、無有害雜質的優點,通過在混凝土灌漿料中引入銅尾礦砂,不僅可以有效減少固廢的堆放,還可以降低原材料成本,提高環境友好性。同時,優化灌漿料的性能,使其滿足裝配式建筑的施工需求,有助于提升建筑結構的穩定性、耐久性和安全性,為裝配式建筑行業的可持續發展提供有力支持。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥1:42.5級普通硅酸鹽水泥(金隅冀東水泥),其化學性能和物理性能見表1,表2。

表1 普通硅酸鹽水泥的化學成分 %

表2 普通硅酸鹽水泥的物理力學性能

水泥2:42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥(山西金源工程材料有限公司),其化學性能和物理性能見表3,表4。

表3 快硬硫鋁酸鹽水泥的化學成分 %

表4 快硬硫鋁酸鹽水泥的物理力學性能

石英砂:細度模數1.5,堆積密度1 570 kg/m3,吸水率1.1%。銅尾礦砂(中條山有色金屬集團公司):表觀密度2 710,石粉含量(質量分數)12.5%,細度模數0.8,其化學成分見表5。減水劑:粉狀聚羧酸高性能減水劑(山西萬榮),摻量為水泥質量的0.2%。消泡劑:有機硅消泡劑(山西萬榮),摻量為水泥質量的0.01%。

表5 銅尾礦砂的化學成分 %

1.2 試驗方法

灌漿料的各項性能按照JG/T 408—2019鋼筋連接用套筒灌漿料進行試驗。試件成型實驗室的環境溫度控制在(20±2)℃,相對濕度大于60%,養護室的溫度控制在(20±1)℃,相對濕度大于90%。流動度試驗攪拌機應符合JC/T 681的要求,抗壓強度的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm,試驗按GB/T 17671中的相關要求執行,豎向膨脹率試驗采用接觸式測量法,將灌漿料裝入專用試模后,采用千分表測量變形。

2 試驗研究結果及分析

2.1 銅尾礦砂代替傳統石英石對灌漿料各項性能的影響

通過試驗,分別研究銅尾礦砂按不同比例代替石英砂時,對灌漿料性能的影響幅度和物理力學性能的變化,替代率選擇0%,10%,30%,50%,70%,90%,100%七個數值。檢測試驗結果列于表6。

表6 銅尾礦砂替代率對灌漿料物理性能的影響

根據表6的試驗數據分析,試驗過程中保持相同的水灰比,銅尾礦砂對石英砂的替代率從0%提高到100%,灌漿料的流動度從385 mm降到255 mm,30 min流動度保留值也從360 mm下降到200 mm。當銅尾礦砂的替代率為90%和100%時,初始流動度低于300 mm,已經不能滿足裝配式建筑用JG/T 408—2019鋼筋連接用套筒灌漿料的技術要求。究其原因,主要有以下三點:1)受開采工藝的局限,銅尾礦需要磨細后才能進行銅的提取,雖然銅尾礦砂已經是篩析出的粗顆粒,但與傳統的石英砂相比,還是粒度要細很多。較細的銅尾礦砂需要更多的水泥漿來包裹。2)銅尾礦砂經機械破碎后,顆粒的微觀形態還是不規則形狀的,顆粒之間的摩擦效應增大,不利于灌漿料漿液的流淌。3)銅尾礦砂雖然沒有泥土等有害雜質,但還存在一定數量的石粉含量,經多次抽查,如果篩分過程控制得當,石粉含量(質量分數)能控制在8%～12%之間。不可全部分離的石粉吸附了部分聚羧酸減水劑,導致減水和保坍效果降低[1]。

裝配式建筑用灌漿料的鋼筋握裹力和抗壓強度一般認為是正相關的,JG/T 408—2019要求28 d抗壓強度達85 MPa以上,實際生產控制中也是希望灌漿料的抗壓強度越高越好。根據表6數據分析,尾礦砂的使用量提高后,灌漿料的強度明顯降低,當尾礦砂的替代率達到90%時,灌漿料的性能已經不滿足JG/T 408—2019鋼筋連接用套筒灌漿料的規定。為了降低裝配式建筑用灌漿料的生產成本,并綜合考慮灌漿料的物理力學性能,選取銅尾礦砂替代傳統石英砂的比例為70%。

2.2 水灰比對灌漿料性能的影響

由于采用了聚羧酸減水劑的粉狀減水劑,在低摻量的情況下就能實現高性能的減水效果,經過一系列的研究試配,并參考其他學術論文的研究數據[2],在基本配比維持穩定的前提下,適當改變灌漿料的水灰比,研究不同水灰比對灌漿料各齡期抗壓強度的影響程度,測試結果列于表7,圖1。

表7 水灰比對銅尾礦水泥基灌漿料工作性和力學性能影響的實驗結果

表7所列的試驗數據選擇了5個典型的水灰比試驗結果,不同水灰比的試驗結果差距明顯。對于普通的混凝土配比,水灰比越高、強度越低,規律性明顯。但從表7數據和圖1的強度變化分析判斷,灌漿料的水灰質量比與抗壓強度的變化規律并不是單純的線性關系。按0.27的水灰質量比成型的試件強度反而低于0.28的水灰質量比試件,28 d抗壓強度在不同水灰比下的變化曲線明顯產生一個峰值。分析其原因,應該是灌漿料漿液體系與普通混凝土存在差異,由于骨料顆粒較細,太低的水灰比導致水泥漿流動性降低,骨料與水泥漿體之間黏結程度下降,從而抗壓強度降低。增加用水量,當水膠質量比達到0.30或0.31以后,拌合物攪拌過程中流動性增大,但停止攪拌后,很快出現離析泌水現象,拌合物分層離析,均勻性較差,流動度損失很多,抗壓強度也隨之降低[3]。綜合考慮各因素,在滿足抗壓強度指標的前提下,將銅尾礦砂水泥基灌漿料的水灰質量比確定為0.29。

2.3 灰砂比對灌漿料性能的影響

灰砂比是指灌漿料中膠凝材料與骨料的質量比,是灌漿料配制和生產的一個重要參數。確定了各種組成材料的實際用量,才能揚長避短,盡量降低灌漿料的生產成本,實現節約原則。銅尾礦砂替代率為70%,水灰質量比為0．29,不同灰砂比的試配結果列于表8。

表8 灰砂比對銅尾礦水泥基灌漿料工作性和力學性能的影響

根據表8數據分析判斷,灰砂質量比從1.1下降到0.8,銅尾礦砂灌漿料流動度從325 mm下降到290 mm,30 min流動度保留值也出 現降低趨勢。當灰砂質量比為0.8時,流動度初始值低于300 mm,30 min后流動度變為265 mm,已經不滿足JG/T 408—2019鋼筋連接用套筒灌漿料標準要求。骨料經過多次級配,形成顆粒粒徑連續均勻的分布布局,粗顆粒搭設骨架,細顆粒進行填充,粉末顆粒及水泥顆粒進一步填充,提高硬化漿體整體的密實度,各組分共同作用,對強度的提高形成合力。灰砂比的降低雖然可以降低灌漿料的生產成本,但也直接導致了水泥漿液越來越少,一方面微小孔洞不能有效填充,不利于整體骨架的形成,另一方面,漿液在整個拌合物體系中的包裹和潤滑作用大幅減弱,使得灌漿料流動性下降,這也是工業固廢材料經常出現的共性問題[4]。如果工程現場為了保證流動度,被迫加入額外的水,更會導致各齡期抗壓強度的急劇降低,甚至發生工程事故。綜合上述考慮各方面因素,將灌漿料的灰砂質量比確定為0.9。

3 結論

1)銅尾礦砂的巖石母材強度高、無有害雜質,尾礦砂部分替代傳統石英砂,用于生產裝配式建筑用混凝土灌漿料,具有技術可行性和經濟價值。2)水灰質量比0.29,灰砂質量比0.9,銅尾礦砂代替率70%時,添加適當的化學助劑,銅尾礦砂灌漿料的流動度、強度、膨脹率等均滿足JG/T 408—2019的各項性能要求。