活性鋁土尾礦對砂漿力學(xué)性能影響

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摘要：以800℃煅燒活化后的鋁土礦尾礦與粉煤灰共同替代20%的水泥，研究不同水膠比、不同尾礦摻量對砂漿力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨著尾礦摻量的增加，水膠比的降低，砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度呈增大的趨勢，尾礦完全替代粉煤灰且水膠比為0.47時，砂漿擁有最優(yōu)配比。水膠比固定為0.47時，尾礦完全替代粉煤灰的砂漿28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別達(dá)到最大的48.97MPa和7.9MPa，較未摻尾礦分別提升了23.28%和11.27%。表明活性鋁土礦尾礦能夠提高砂漿的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：活性鋁土礦尾礦；粉煤灰；砂漿；抗壓強(qiáng)度；抗折強(qiáng)度；吸水率

0引言

鋁土礦尾礦是生產(chǎn)氧化鋁時產(chǎn)生的固體廢棄物，每生產(chǎn)1t氧化鋁大約產(chǎn)生0.2t的尾礦。目前鋁土礦尾礦主要堆積在尾礦庫中，不僅會污染環(huán)境，還造成了資源的浪費(fèi)［1-2］，如何有效處理鋁土礦尾礦成為研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對鋁土礦尾礦的研究主要為有價金屬回收［3］，制備復(fù)合吸水材料處理廢水［4］，以及制備多孔陶瓷、堿激發(fā)膠凝材料［5］等方面，但這些研究均無法大量地消納尾礦，尾礦整體利用率不足10%，無法解決尾礦的堆存問題。混凝土、砂漿是世界上使用量最大的建筑材料，能夠大量消納固體廢棄物，因此尾礦能否被應(yīng)用到混凝土、砂漿中將成為人們研究的重點(diǎn)。目前，國內(nèi)外學(xué)者對于鋁土礦尾礦在砂漿中的研究相對較少，基于此現(xiàn)狀，本研究利用800℃煅燒活化后的鋁土礦尾礦作為礦物摻合料，分析不同水膠比、活性鋁土礦尾礦摻量對砂漿抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響，并通過吸水率測試進(jìn)行表征。

1原材料與試驗(yàn)設(shè)計

1.1原材料

鋁土礦尾礦采用中鋁中州鋁業(yè)有限公司排放的尾礦。經(jīng)800℃煅燒1h活化后的鋁土礦尾礦主要含有剛玉、赤鐵礦、石英、云母，密度為2.86g/cm3，活性指數(shù)為76.3%；粉煤灰采用密度和需水量比分別為2.21g/cm3和96.8%的Ⅱ級粉煤灰，活性指數(shù)為70.5%；采用焦作千業(yè)水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥，密度為2.99g/cm3，化學(xué)成分見表1。已知水泥、尾礦、粉煤灰特征粒徑的關(guān)系是：尾礦＜粉煤灰＜水泥；粗骨料采用密度為2.74g/cm3，最大粒徑為20mm的連續(xù)級配碎石；細(xì)骨料采用密度為2.62g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.76的河砂；減水劑采用減水率為40.5%的聚羧酸粉末狀減水劑；水采用當(dāng)?shù)仄胀ㄗ詠硭?/p>

1.2配合比設(shè)計

基于前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，活性鋁土礦尾礦摻量超過20%時，新拌和混凝土的工作性能較差，所以本試驗(yàn)采用活性鋁土礦尾礦和粉煤灰作為礦物摻合料共同替代20%的水泥，研究其對混凝土力學(xué)性能的影響，其中活性鋁土礦尾礦代替粉煤灰的比例分別為0、25%、50%、75%、100%，水膠比根據(jù)預(yù)試驗(yàn)配合比設(shè)計為0.47、0.52、0.57，混凝土詳細(xì)配合比見表2。

1.3試樣制備與測試方法

砂漿試樣成型采用JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)，試件尺寸為40mm×40mm×160mm。漿料放入模具后，均在振動臺上進(jìn)行適當(dāng)震動成型，然后移入（20±2）℃、95%相對濕度的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試樣在成型24h后脫模，然后在標(biāo)養(yǎng)室中分別養(yǎng)護(hù)1d、3d、7d、28d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、吸水率測試。采用上海百若試驗(yàn)儀器有限公司的YAW-300/20微機(jī)控制壓力機(jī)，檢測試塊的抗折強(qiáng)度，測過抗折強(qiáng)度后的砂漿試塊斷成兩段，取其中一塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。用完全飽和樣品中的水與烘箱干燥后樣品質(zhì)量之比，表示吸水率的方法，進(jìn)行吸水率測試。砂漿試塊養(yǎng)護(hù)到齡期后，從標(biāo)養(yǎng)室取出，在烘箱中進(jìn)行干燥，干燥溫度為（110±5）℃，持續(xù)時間3d，然后使試樣在室溫下冷卻24h，記錄樣品重量a并放置在水中，確保其頂部表面有50mm的水量。2d后將試樣取出，擦掉表面多余水分，記錄試樣重量為b。吸水率取完全飽和樣品中的水與烤箱干燥樣品中的水之比。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1不同水膠比對砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響

圖1顯示了28d養(yǎng)護(hù)齡期下不同水膠比對砂漿試塊抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度影響的結(jié)果。由圖1可以看出，五種尾礦摻量下砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都呈現(xiàn)出隨水膠比增大持續(xù)降低的趨勢。在BT100-F、BT75-F、BT50-F、BT25-F、BT0-F五種尾礦摻量下，0.47水膠比砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均最大，抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了48.97MPa、46.393MPa、45.389MPa、41.358MPa、39.722MPa，較0.57水膠比膠砂試塊抗壓強(qiáng)度分別提升了32.55%、29.36%、27.57%、17.61%、17.99%，抗折強(qiáng)度分別達(dá)到了7.9MPa、7.75MPa、7.45MPa、7.3MPa、7.1MPa，較0.57水膠比膠砂試塊抗折強(qiáng)度分別提升了17.91%、23.02%、22.13%、22.69%、22.41%，結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)降低水膠比可以有效地提高砂漿試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，且發(fā)現(xiàn)尾礦摻量越大，水膠比對抗壓強(qiáng)度的作用效果越明顯,對抗折強(qiáng)度的作用效果不是太明顯。這是因?yàn)?，砂漿的強(qiáng)度與水膠比有關(guān)，在水泥含量相同的情況下，水膠比越大相當(dāng)于用水量越多，在水泥水化的過程中，一部分水用于水泥水化，多余的水分則殘留在硬化漿體中，在砂漿硬化后，這部分水蒸發(fā)后將在硬化漿體中產(chǎn)生大量孔隙，使得砂漿承壓能力變差，影響砂漿的強(qiáng)度，因此在適當(dāng)范圍內(nèi)降低水膠比，將會降低砂漿試塊硬化漿體中的孔隙率，提高砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

2.2不同尾礦摻量對砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響

圖2顯示了不同養(yǎng)護(hù)齡期（1d、3d、7d和28d）下尾礦摻量對膠砂試塊抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度影響的結(jié)果。由圖可知，隨尾礦摻量的增加，三種水膠比的強(qiáng)度均有相同的變化趨勢，只需討論一種水膠比即可。以0.47水膠比為例，由圖2（a）可以看出，隨著尾礦摻量的增加，砂漿試塊28d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢，BT100-F1膠砂試塊28d抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到了48.97MPa，較BT75-F1、BT50-F1、BT25-F1、BT0-F1砂漿試塊抗壓強(qiáng)度分別提高了5.55%、7.89%、18.41、23.28%。由圖2（d）可以看出，隨著尾礦摻量的增加，砂漿試塊28d抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，BT100-F1膠砂試塊28d的抗折強(qiáng)度最高達(dá)到了7.9MPa，較BT75-F1、BT50-F1、BT25-F1、BT0-F1砂漿試塊抗折強(qiáng)度分別提高了1.94%、6.04%、8.22%、11.27%。表明尾礦的摻入可以有效地提高砂漿試塊的強(qiáng)度。這是因?yàn)?，尾礦與粉煤灰均有火山灰效應(yīng)，且尾礦相對于粉煤灰具有較高的反應(yīng)活性，尾礦摻量的增加，相對粉煤灰含量減少，故而膠凝材料整體活性得到了提高，在膠凝材料水化反應(yīng)過程中，產(chǎn)生了更多的C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物，進(jìn)而使硬化漿體更為致密，提高了砂漿的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度［6］。并且尾礦較粉煤灰具有更低的特征粒徑，未水化的尾礦較粉煤灰具有更優(yōu)的填充效果，使得硬化漿體中有害孔含量減少，使得砂漿試塊微觀結(jié)構(gòu)更為致密，進(jìn)而增強(qiáng)了砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，具體原因在吸水率測試中也能得到一定的驗(yàn)證。

2.3不同水膠比、尾礦摻量對砂漿吸水率的影響

圖3顯示了不同水膠比（28d齡期）和不同尾礦摻量（1d、3d、7d、28d齡期）對砂漿試塊吸水率的影響結(jié)果。由圖3（a）可見，取28d養(yǎng)護(hù)齡期下的砂漿試塊吸水率進(jìn)行分析得出，五種尾礦摻量下砂漿試塊的吸水率均隨水膠比的減小而降低，且BT100-F類砂漿試塊降低幅度最大。在BT100-F、BT75-F、BT50-F、BT25-F、BT0-F五種尾礦摻量下，0.47水膠比砂漿試塊吸水率均最小，分別為6.53%、6.69%、6.82%、7.08%、7.12%，較0.57水膠比膠砂試塊吸水率分別降低了4.29%、3.46%、3.11%、1.21%、1.68%。表明在一定范圍內(nèi)降低水膠比可以有效降低砂漿試塊的吸水率。由圖3（b、c、d）可知，隨著尾礦摻量的增加，三種水膠比砂漿試塊的吸水率均有相同的變化趨勢，故只討論一種水膠比即可。以0.47水膠比為例，隨著尾礦摻量的增加，砂漿試塊的吸水率均呈降低的趨勢，BT100-F1膠砂試塊吸水率最低為6.53%，較BT75-F1、BT50-F1、BT25-F1、BT0-F1砂漿試塊吸水率分別降低了2.33%、4.14%、7.72%、8.23%。這是因?yàn)槲誓軌驅(qū)ι皾{的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的表征［7］，尾礦較粉煤灰有更低的特征粒徑，使得尾礦未水化部分具有更好的填充作用，降低了砂漿的孔隙率，優(yōu)化了砂漿試塊的孔結(jié)構(gòu)，即吸水率越低，表明砂漿試塊孔隙率越低［8］，試塊越致密，進(jìn)而抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度越好。砂漿試塊吸水率測試結(jié)果與水膠比和尾礦摻量對砂漿試塊抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響結(jié)果相一致，對強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行了很好的表征。

3結(jié)論

（1）水膠比的降低，能夠改善砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。以BT100-F試樣為例，28d養(yǎng)護(hù)齡期時，0.47水膠比的砂漿試塊抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為48.97MPa和7.9MPa，較0.57水膠比砂漿試塊分別提升了32.55%和17.79%。

（2）尾礦摻量的增加，能夠改善砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。以0.47水膠比為例，當(dāng)尾礦完全代替粉煤灰時，砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為48.97MPa和7.9MPa，較未摻尾礦砂漿試塊分別提升了23.28%和11.27%。（3）水膠比的降低和尾礦的摻入能夠有效降低砂漿的吸水率，改善砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)。當(dāng)尾礦摻量固定時，以BT100-F試樣為例，0.47水膠比較0.57水膠比砂漿試塊吸水率降低了4.29%；當(dāng)水膠比固定時，以0.47水膠比為例，尾礦完全替代粉煤灰較未摻尾礦砂漿試塊吸水率降低了8.23%。

作者:申兆梁 勾密峰 趙金會 侯文麗 趙夢珂 單位:河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院