銅渣粉制備活性粉末混凝土路面磚的試驗研究

王帥，張帥柯，王宇琪

（1.沈陽工業(yè)大學，遼寧 沈陽 110870；2.中交一公局集團第七工程有限公司，河南 三門峽 472000；3.遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

銅尾渣是冶煉銅過程中產生的固體廢渣，每年冶金廢渣可達3000萬噸，而銅渣的排放規(guī)格更是高達冶金廢渣的30%。銅渣中含有大量的鐵和二氧化硅，若大量的廢棄銅渣能夠合理處置與利用[1]有助于改善有色冶金產業(yè)的經濟效益，利于綠色循環(huán)利用，響應國家政策即《2015年循環(huán)經濟推進計劃》[2]。銅渣常見的回收利用途徑有磨礦浮選回收、做水泥原料、制備膠凝材料等方式[3]。用銅渣粉制備活性粉末混凝土路面磚，首先是合理利用了廢棄資源，其次是降低了RPC的制作成本，對銅尾渣的綜合利用具有長遠意義[4]。

1 試驗

1.1 試驗原材料

活性粉末混凝土的主要成分含有水泥、硅灰、石英砂（細、中細、特細三種規(guī)格）、石英粉以及鋼纖維[5]，活性粉末混凝土強度增高的同時，脆性也較大，需要鋼纖維參與進來增加活性粉末混凝土的韌性，降低脆性[6]。需用到聚羧酸高效減水劑控制水膠比，減水率高達30%。

試驗中需用到銅尾渣、硅灰、石英砂、石英粉和纖維，42.5硅酸鹽水泥聚羧酸高效減水劑，Ca(OH)2激發(fā)劑。銅渣和石英粉主要化學組分及含量見表1、2。

銅尾渣的化學組分 表1

石英粉化學成分 表2

1.2 試驗方法

銅尾渣的化學組分與RPC中細骨料（石英粉）類似，銅渣粉是由銅尾渣過篩干燥，并以80℃高溫烘干用球磨機打磨所得[7]。在已制備標準RPC的前提下，分別以10%、30%、50%、70%、100%五種比例去替換RPC當中的石英粉，測試其流動度，以及制備路面磚成型后期的抗壓強度等指標，具體參考規(guī)范《混凝土路面磚》（JC/T 446-2000）進行比對。

2 試驗結果與分析

2.1 銅渣特質

試驗中對目標銅渣選取X衍射分析的方法進行了相關化學組分的分析，其結果如圖1所示。

圖1 銅渣X衍射分析圖

結果表明，銅渣中主要成分為鐵橄欖石、磁鐵礦、玻璃體，還有小比例的硫化物和其他微量礦物等。銅渣中多數量的玻璃體和磁鐵礦，可以激發(fā)出其更強效的火山灰特性，產生出凝膠產物，從而進一步提高活性粉末混凝土路面磚的強度。

2.2 普通活性粉末混凝土路面磚性能指標

試驗參考《活性粉末混凝土》（GBT31387-2015）設計規(guī)范，分別做了五組RPC路面磚試塊，并對其性能指標進行了測試，結果如表3所示。

結果表明，在保證其他組分相一致的情況下，RPC路面磚的強度可以穩(wěn)定在110MPa以上，強度足以滿足路面磚規(guī)范的要求，但經濟效益方面和資源利用方面不是很理想，進行了用銅渣代替RPC中的石英粉試驗，在降低RPC成本的前提下，保證路面磚強度。

2.3 銅渣粉摻入比例對路面磚性能指標的影響

因標準活性粉末混凝土的自身強度較高，參照路面磚規(guī)范，因此以Cc60混凝土路面磚的制作為基準，依據銅渣粉五種摻入比例安排RPC路面磚配合比設計，相關試驗配合比和性能指標如表4所示。

結果表明，替換后RPC路面磚強度有所減小，但可以滿足規(guī)范Cc60的路面磚要求，均在94MPa以上，降低了制作成本。隨著銅渣粉摻入比例的增大，水膠比有所增加，流動度逐漸減小，導致用水量增加，而強度在摻入比例≤50%中是逐漸減小的，試驗所測得70%的銅渣摻入比例活性粉末混凝土路面磚強度最大，綜合考慮，選定70%銅渣摻量較為合適。

2.4 激發(fā)劑對RPC路面磚的性能影響

激發(fā)劑激發(fā)原理：制備銅渣粉RPC過程中，銅渣的表面產出一種密實性高的膜層結構，會鈍化各組分與水之間的反應，加入激發(fā)劑后，膜層結構被破壞，銅渣的內部鏈結構被破壞，發(fā)生二次的火山灰反應，產生一種新的膠凝性物質，進一步提高RPC路面磚的強度[8]。

現(xiàn)將Ca(OH)2激發(fā)劑三種比例加入到RPC的制備當中，探究其性能的影響，以性能穩(wěn)定且強度值相近的摻入比例30%、70%兩種銅渣粉摻量進行試驗，相關性能指標如表5所示。

結果表明，銅渣粉摻入比例為30%時，RPC的路面磚試塊的抗壓強度值是增加的，證明激發(fā)劑有效果，需水量也降低了，銅渣粉摻入比例為70%時，強度降低，濃度比例不同，強度值波動較大。綜合考慮30%的銅渣粉摻入比例，1.5%比例激發(fā)劑強度值最優(yōu)。

3 結論

①銅渣主要成分有Fe2O3、SiO2、CaO,主要礦物質組成有鐵橄欖石、磁鐵礦、玻璃體，還有小比例的硫化物和其他微量礦物等。銅渣中多數量的玻璃體和磁鐵礦，可以激發(fā)出其更強效的火山灰特性，產生出凝膠產物，從而進一步提高RPC路面磚的強度。

②普通RPC路面磚強度值已經很高，將銅渣過篩磨細成粉以不同比例代替石英粉制備RPC路面磚，并進行了銅渣粉與石英粉成分比對后，制作銅渣粉RPC路面磚，強度值有所下降，但仍高于路面磚規(guī)范強度值，考慮到經濟效益和強度值方面，綜合比選70%摻入比例較適合。

RPC路面磚基本配比和性能指標 表3

不同銅渣比例的RPC路面磚配合比和性能指標 表4

激發(fā)劑激發(fā)銅渣粉RPC路面磚的性能指標 表5

③為探究激發(fā)劑對RPC路面磚的強度值的影響，摻入了三種濃度的Ca(OH)2最后決定在加入激發(fā)劑的基礎上，30%摻入銅渣粉制備路面磚比較合適，且Ca(OH)2濃度為1.5%。