鍶渣代砂水泥砂漿性能研究

朱洪洲，鐘偉明，田文玉

(重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程試驗室，重慶 400074)

0　引　言

鍶鹽廢渣(簡稱鍶渣)是天青石(SrSO4)工業(yè)生產(chǎn)碳酸鍶時產(chǎn)生的固體廢渣，是一種堿性水淬渣[1]。據(jù)統(tǒng)計我國每年產(chǎn)生的鍶渣高達400萬噸，鍶渣的利用程度低，少部分的鍶渣作為碎石簡單填鋪至土路上，方便群眾的出行，但大部分鍶渣的處理主要以戶外堆放為主，不僅造成土地浪費，而且鍶渣中的有害物質(zhì)易通過空氣與水介質(zhì)擴散至環(huán)境中，對周邊環(huán)境造成嚴重污染[2-5]。研究者對鍶渣的綜合利用進行了相應(yīng)探索，研究成果顯示：磨細的鍶渣兼具膠凝與火山灰活性，可作為一種水泥活性礦物摻和料。鍶渣的干縮性能優(yōu)越，是一種優(yōu)良的路面基層與底基層材料[6-9]。目前主要通過磨粉的方式將鍶渣作為水泥的活性礦物摻和料，應(yīng)用于水泥砂漿和水泥混凝土中，但將鍶渣作為細集料部分替代水泥砂漿或水泥混凝土中砂的研究較少。鍶渣的粒徑與砂相近，若能將其部分替代砂應(yīng)用于水泥砂漿或混凝土中，對提高鍶渣的綜合利用率具有重大的經(jīng)濟與社會意義。筆者分析了鍶渣與機制砂物理力學性能方面的差異，并研究了鍶渣代砂率對兩種水泥砂漿稠度、力學性能及抗凍性影響，為鍶渣資源進一步綜合開發(fā)利用提供一定的理論依據(jù)。

1　原材料

1.1　原材料

水泥：重慶地維水泥廠生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽水泥，強度等級32.5R，主要技術(shù)指標性能見表1。

表1　水泥主要性能指標Table 1　Main performance indexes of cement

砂：天然砂與機制砂按照46∶54的比例組成的混合砂，混合砂滿足相關(guān)規(guī)范要求；鍶渣：重慶大足紅蝶鍶鹽廠堿性水淬渣。

1.2　配合比

水泥砂漿基準配合比設(shè)計了2個強度等級，分別為M10與M15，其水灰比分比為0.86和0.75，配合比見表2。

表2　砂漿配合比Table 2　Mix ratio of cement mortar

2　鍶渣物理特性

2.1　顆粒級配

原狀鍶渣是一種多孔水淬渣，其級配見圖1。在施工過程中沖擊與擠壓將影響鍶渣的級配，為模擬鍶渣作為細集料使用，將鍶渣在擊實筒中(152×120 mm)擊實98次后進行篩分，觀察鍶渣在經(jīng)過擊實、震動、擠壓等過程后的破碎情況，試驗結(jié)果見圖2。

圖1　鍶渣篩分級配曲線Fig. 1　Gradation curves of sieving test of strontium slag

圖2　擊實后鍶渣級配曲線Fig. 2　Gradation curves of strontium slag after compaction tests

由圖1的試驗結(jié)果可計算出原狀鍶渣細度模數(shù)為2.59，級配曲線在砂顆粒級配區(qū)域Ⅱ內(nèi)，原狀鍶渣為中粗顆粒，并且具有較好的級配。由圖2可知，擊實后鍶渣細顆粒含量明顯增多，細度模數(shù)降至2.34，篩孔尺寸0.15的通過率為17.53%，超過了砂顆粒級配區(qū)域III區(qū)10%的上限，但顆粒級配曲線總體落在砂顆粒級配區(qū)域III內(nèi)，表明鍶渣質(zhì)地疏松，在實際工程應(yīng)用過程中應(yīng)減少對鍶渣的沖擊。

2.2　密度和孔隙率

根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》中的試驗方法測定鍶渣與機制砂的密度及孔隙率，結(jié)果見表3。

表3　鍶渣與機制砂密度、堆積密度及孔隙率Table 3　Density，bulk density and porosity of strontium slag and mechanism sand

由表3可以看出，鍶渣的表觀密度和自然堆積密度低于機制砂，主要原因是鍶渣是一種多孔顆粒，其質(zhì)地不如機制砂致密。鍶渣的孔隙率高達50%以上，比機制砂高出13.8%。鍶渣這種多孔質(zhì)輕的特點可應(yīng)用于輕質(zhì)混凝土。

2.3　吸水性和壓碎值

根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》中的試驗方法測定鍶渣和機制砂吸水率、含水率及壓碎值，試驗結(jié)果見表4。

表4　鍶渣和機制砂吸水率、含水率及壓碎值Table 4　Water absorption，hygroscopicity and crushing value of strontium slag and mechanism sand

由表4可知，鍶渣的含水率和吸水率明顯大于機制砂，鍶渣含水率高達21.2%，1 h吸水率為42.4%，24 h吸水率為44.8%；而機制砂1 h吸水率僅為1.1%，24 h吸水率為2.8%。鍶渣1 h與24 h吸水率相差不大，表明鍶渣孔隙率較大且閉合孔隙少。鍶渣吸水速率較快，早期吸水性強，后期水分釋放，可使砂漿中水泥水化更為充分，對砂漿后期強度增長有利。鍶渣的壓碎值高達59.4%，而機制砂壓碎值僅為17%，表明鍶渣強度不及機制砂。其主要原因是鍶渣為一種水淬性固體廢渣，具有疏松多孔的特性。鍶渣壓碎值過大，只能應(yīng)用于低等級路面或路面的基層和底基層。

3　鍶渣代砂率對砂漿稠度的影響

以基準配合比為基礎(chǔ)，用0%、20%、40%、60%的鍶渣等量取代砂漿中的砂，通過稠度試驗，評價不同鍶渣代砂率對M10與M15水泥砂漿稠度的影響，試驗結(jié)果見圖3。

圖3　鍶渣水泥砂漿稠度Fig. 3　Consistency of strontium slag cement mortar

由圖3可知，在砂漿用水量不變的情況下，兩種強度等級的砂漿稠度值均隨鍶渣代砂率的增加而降低，其中當鍶渣代砂率為20%與40%時，鍶渣對砂漿的稠度影響較小，M10與M15稠度變化基本一致。當鍶渣代砂率為60%時，砂漿稠度值下降較大，且M15稠度值下降較M10明顯。主要有兩方面原因，一方面鍶渣顆粒結(jié)構(gòu)疏松，吸水性遠大于機制砂，隨著鍶渣代砂率的增大，被鍶渣吸收的水分也增多。另一方面鍶渣的顆粒級配較機制砂差，棱角較多，導(dǎo)致砂漿的流動性變差。

4　鍶渣代砂率對砂漿強度的影響

以基準配合比為基礎(chǔ)，用0%、20%、40%、60%鍶渣等量取代砂，按照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》中抗壓強度試驗方法，成型70.9×70.9×70.9立方體試件，在標準條件下養(yǎng)護7 d與28 d，測定M10與M15水泥砂漿在不同鍶渣代砂率條件下抗壓強度，試驗結(jié)果如圖4。

圖4　鍶渣代砂對M10與M15水泥砂漿抗壓強度的影響Fig. 4　Effect of strontium slag aggregates on compressive strength of M10 and M15 mortar

由圖4可知，M10與M15水泥砂漿強度隨鍶渣代砂率的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，鍶渣對砂漿早期抗壓強度影響較大，鍶渣代砂率超過40%以后，M10與M15鍶渣代砂砂漿的7 d強度等級未達到設(shè)計配合比強度80%的要求，但28 d強度等級均滿足設(shè)計要求，對早期強度有要求的砂漿鍶渣代砂率應(yīng)控制在40%以內(nèi)。分析其原因，一方面鍶渣的物理力學性能，諸如級配、強度等均不如機制砂；另一方面鍶渣吸水性較大，導(dǎo)致砂漿變稠，減少了早期參與水化反應(yīng)的水分。

從圖4還可看出，鍶渣代砂水泥砂漿強度的增長速率明顯高于基準水泥砂漿，且隨鍶渣代砂率的增加而增加，M10與M15兩種砂漿的變化趨勢基本一致。這是因為鍶渣具備一定化學活性，隨著齡期的增加，鍶渣的化學活性不斷被激發(fā)，改善了細集料與水泥漿的界面性能，彌補了由于細集料物理力學性能不良的缺陷。鍶渣吸收的水分，隨著齡期的增加，逐漸從鍶渣內(nèi)部釋放，一定程度上促進了水化反應(yīng)。

5　鍶渣代砂率對砂漿抗凍性的影響

按照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》中的試驗方法，進行抗凍性試驗，試件進行10次凍融循環(huán)后，測定試件的抗壓強度及質(zhì)量損失率，試驗結(jié)果見圖5與圖6。

圖5　鍶渣水泥砂漿抗凍強度殘留率Fig. 5　Residual rate of frost resistance strength of strontium slag cement mortar

圖6　鍶渣水泥砂漿抗凍質(zhì)量損失率Fig. 6　Mass loss rate of frost resistance of strontium slag cement mortar

由圖5可知，試件經(jīng)10次凍融循環(huán)后，M10與M15鍶渣代砂水泥砂漿強度殘留率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。其中鍶渣代砂率為20%與40%時，M10與M15水泥砂漿強度殘留率達99%以上，而基準水泥砂漿(代砂率為0%)強度殘留率僅為90%左右。這是因為鍶渣微觀構(gòu)造為蜂窩狀多孔玻璃體，空隙率較大，有利于改善砂漿的抗凍性能。當鍶渣代砂率為60%時，鍶渣對水泥砂漿的抗凍性影響較大，M10砂漿強度殘留率下降至78%，M15砂漿強度殘留率與基準砂漿無明顯差異。鍶渣代砂率較大時，鍶渣吸水性較高，砂漿被鍶渣吸收的水分較多，砂漿變得黏稠，試件成型困難，試件表面空隙外露，抗凍性受到較大影響。兩種砂漿強度損失率均滿足砂漿抗凍性強度殘留率大于75%的要求。由圖6可以看出，試件經(jīng)抗凍性試驗后，M10與M15鍶渣代砂水泥砂漿質(zhì)量損失率呈先增加后降低的趨勢，兩種砂漿質(zhì)量損失率均小于0.5%，遠低于規(guī)范5%的限值。由此表明一定摻量的鍶渣能提高水泥砂漿的抗凍性，但鍶渣摻量較大時反而對水泥砂漿抗凍性不利，因此砂漿代砂率控制在20%～40%范圍內(nèi)為宜。

6　機理分析

從圖7的掃描電鏡圖可看出，鍶渣的微觀構(gòu)造由似蜂窩狀多孔玻璃體，珠狀顆粒和碎屑顆?；ハ囵みB成的連珠體或包珠體組成。鍶渣的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，易吸收砂漿中的水分，降低砂漿的有效水灰比，從而影響砂漿的稠度與早期強度。鍶渣EDS圖譜定量分析結(jié)果表明(圖8)，鍶渣的化學成分主要為Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3、S03和MgO，具有一定的火山灰活性，鍶渣經(jīng)過高溫和水淬急冷后，其組分主要是熱力學上處于介穩(wěn)狀態(tài)的玻璃體。鍶渣水硬性機理為：水泥水化過程中產(chǎn)生大量的Ca(OH)2，為鍶渣的水化提供適宜的堿度條件，在Ca(OH)2的激發(fā)下與鍶渣中的活性物質(zhì)Al2O3、CaO、Fe2O3和MgO反應(yīng)生成水化硅鋁酸三鈣(鎂)、鈣礬石和水化鐵鋁酸鈣等物質(zhì)[10]。一方面水化產(chǎn)物增多，砂漿孔隙得到填充，孔隙率下降，砂漿密實度提高。另一方面鍶渣二次水化反應(yīng)增加了鍶渣與水泥漿體界面的水化產(chǎn)物，使得界面結(jié)合性得到改善，彌補了鍶渣質(zhì)地疏松給砂漿強度帶來的不利影響，也提高了砂漿的抗凍性能。

圖7　鍶渣SEM圖譜Fig. 7　SEM image of strontium slag

圖8　鍶渣EDS圖譜Fig. 8　EDS image of strontium slag

7　結(jié)　論

1) 鍶渣與機制砂其物理性能有一定差異。鍶渣顆粒級配良好，屬于中粗砂；鍶渣的密度小于機制砂，孔隙率比機制砂大；鍶渣的強度不如機制砂，吸水率遠高于機制砂。

2) M10和M15砂漿稠度值隨鍶渣代砂率的增加而降低，鍶渣對M10砂漿稠度影響小于M15砂漿。

3) M10和M15砂漿抗壓強度均隨鍶渣代砂率的增加而降低，鍶渣代砂砂漿強度增長率高于基準砂漿，鍶渣對砂漿的早期強度不利，但有利于砂漿后期強度的增長。

4) 鍶渣代砂水泥砂漿抗凍性均滿足規(guī)范水泥砂漿抗凍性要求，綜合考慮經(jīng)濟性和質(zhì)量要求，鍶渣代砂率宜控制在20%～40%的范圍內(nèi)。

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