袁俊航，隆 威

(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083)

礦渣的化學(xué)成分接近于水泥熟料，但是要通過(guò)活化激發(fā)才能具有一定的強(qiáng)度。通過(guò)前期大量試驗(yàn)［1］，最終選用 28 d的最優(yōu)配方，即 2%NaOH+1.5%Ca(OH)2+2.5%Na2CO3+0.5%KAl(SO4)2·12H2O來(lái)激發(fā)礦渣粉作為膠凝材料。用此膠凝材料來(lái)膠結(jié)細(xì)砂制成砂漿，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，從流動(dòng)度、失水率、干縮率、不同齡期的抗壓強(qiáng)度4個(gè)方面來(lái)判別砂漿的性能優(yōu)劣，最終選擇最優(yōu)配方使其能夠滿足礦山充填需求。本實(shí)驗(yàn)對(duì)砂漿的流動(dòng)度、失水率、干縮率、抗壓強(qiáng)度都進(jìn)行了分析，對(duì)以后礦山充填材料的研究起到了借鑒作用。礦渣原本是一種工業(yè)廢渣，經(jīng)過(guò)化學(xué)激發(fā)作為膠凝材料，減輕了對(duì)環(huán)境的污染，跟用水泥對(duì)比，降低了礦山的充填成本，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的雙贏，具有重要的意義［2］。

1 膠砂試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)將測(cè)試砂漿的流動(dòng)度、失水率、干縮率和抗壓強(qiáng)度，以這4方面性能來(lái)分析試驗(yàn)結(jié)果［3］。

漿液的流動(dòng)性好壞決定了其可泵性與灌注質(zhì)量。漿液的流動(dòng)性主要以流動(dòng)度大小來(lái)量度。測(cè)定砂漿的流動(dòng)度采用跳桌測(cè)試法。

失水率是決定砂漿使用效果的重要因素之一，本試驗(yàn)測(cè)定砂漿脫模成型時(shí)的失水率。試驗(yàn)前先稱模具的質(zhì)量記為M0，把攪拌完成后的砂漿倒入模具內(nèi)稱其總質(zhì)量記為M1，放養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)1 d后稱模具和試樣的質(zhì)量記為M2，則失水率:

砂漿的干縮率越小越好，參照《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》(JC/T 603—1995)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行砂漿的干縮率測(cè)定。

抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用NYL－60型壓力試驗(yàn)機(jī)，分別測(cè)定試樣3 d、7 d 和28 d 的抗壓強(qiáng)度［4－8］。

2 膠砂試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 質(zhì)量濃度對(duì)砂漿性能的影響

質(zhì)量濃度是影響砂漿性能的要素之一。為了分析質(zhì)量濃度對(duì)砂漿性能的影響規(guī)律，本試驗(yàn)固定灰砂比為1∶4，攪拌時(shí)間為5 min，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

依據(jù)表1可知，在其它因素不變的條件下，流動(dòng)度隨著質(zhì)量濃度的增加而逐漸減小，試樣的失水率、干縮率隨著質(zhì)量濃度的增大而逐漸降低，基本呈線性關(guān)系，主要原因在于質(zhì)量濃度越大，砂漿凝結(jié)后析出的自由水越少，析水率降低，干縮率降低。試樣3個(gè)不同齡期的抗壓強(qiáng)度都是隨著質(zhì)量濃度的增大而增大的。說(shuō)明質(zhì)量濃度在88%以內(nèi)時(shí)，加入的水足夠礦渣粉水化所需，加入的水越少，游離態(tài)水越少，水化產(chǎn)物凝結(jié)后抗壓強(qiáng)度越大。

表1 質(zhì)量濃度對(duì)砂漿性能影響試驗(yàn)結(jié)果

2．2 灰砂比對(duì)砂漿性能影響

用礦渣粉膠凝材料膠結(jié)細(xì)砂制成砂漿試樣，固定質(zhì)量濃度為84%、攪拌時(shí)間為5 min，變化灰砂比來(lái)判別其對(duì)砂漿性能的作用效果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 礦渣粉膠砂灰砂比對(duì)砂漿性能影響試驗(yàn)結(jié)果

采用同樣的方法，用PO 42.5普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料膠結(jié)細(xì)砂制成砂漿試樣，與礦渣粉膠凝材料形成對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 水泥膠砂灰砂比對(duì)砂漿性能影響試驗(yàn)結(jié)果

由表2、表3并結(jié)合表1中試驗(yàn)P4做出圖1、圖2，可見(jiàn)，在其它因素不變的條件下，灰砂比在1∶3～1∶6之間變化時(shí)，無(wú)論是礦渣粉砂漿還是水泥砂漿，流動(dòng)度、失水率、干縮率、抗壓強(qiáng)度都隨著灰砂比的減小而減?。?－9］，礦渣粉砂漿的失水率、干縮率明顯低于水泥砂漿，說(shuō)明礦渣粉膠凝材料的性能好。

2．3 攪拌時(shí)間對(duì)砂漿性能影響

圖1 灰砂比對(duì)砂漿失水率影響

圖2 灰砂比對(duì)砂漿干縮率影響

用礦渣粉膠凝材料膠結(jié)細(xì)砂制成砂漿試樣，固定質(zhì)量濃度為84%、灰砂比1∶3，變化攪拌時(shí)間判別其對(duì)砂漿性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 攪拌時(shí)間對(duì)砂漿性能影響試驗(yàn)結(jié)果

由表4并結(jié)合表2中試驗(yàn)P7可知，在其它因素不變的條件下，攪拌時(shí)間在4～6 min的區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，砂漿的流動(dòng)度先增再減隨后再增加(圖3)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是攪拌時(shí)間過(guò)短，礦渣粉、細(xì)砂沒(méi)有被均勻攪拌，顆粒沒(méi)有分散，流動(dòng)度較低;而攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，攪拌越均勻，顆粒分散細(xì)化程度越高，礦渣粉水化越充分，析出來(lái)的自由水越多，所以宏觀上表現(xiàn)為流動(dòng)度越大，砂漿的失水率、干縮率隨著攪拌時(shí)間的增加而增大。

圖3 攪拌時(shí)間對(duì)砂漿流動(dòng)度影響

試樣3個(gè)不同齡期的抗壓強(qiáng)度都是隨著攪拌時(shí)間的增加先增加再降低(見(jiàn)圖4)。由于材料混合的越均勻，礦渣粉水化程度越高;但是水化過(guò)程中攪拌的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就會(huì)導(dǎo)致水化產(chǎn)物凝膠與晶體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不能形成，或者破壞了凝膠與晶體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不易形成堅(jiān)硬的結(jié)石，而成為疏松的膏體，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

圖4 攪拌時(shí)間對(duì)抗壓強(qiáng)度影響

2．4 減水劑對(duì)砂漿性能影響

用礦渣粉膠凝材料膠結(jié)細(xì)砂制成砂漿試樣，固定質(zhì)量濃度為86%、灰砂比1∶3、攪拌時(shí)間為5 min，變化減水劑摻量(減水劑摻量為礦渣粉摻量的百分比)判別其對(duì)砂漿性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 減水劑對(duì)砂漿性能影響試驗(yàn)結(jié)果

由表5知，砂漿的流動(dòng)度會(huì)隨著減水劑摻量的增加而變大。減水劑是親水性有機(jī)活性物質(zhì)，加入后能吸附在礦渣粉顆粒表面形成親水的吸附穩(wěn)定層，降低了顆粒間接觸時(shí)的摩阻力，由于分散效應(yīng)使得絮凝結(jié)構(gòu)中的游離態(tài)水釋放出來(lái)，從而有效的增大了砂漿的流動(dòng)度。砂漿的失水率、干縮率隨減水劑摻量的增加而增大，產(chǎn)生這樣現(xiàn)象的主要原因是減水劑加入后，將砂漿中的結(jié)合水分離，使水以游離態(tài)的形式存在，這部分水不參加水化反應(yīng)，會(huì)慢慢的析出，導(dǎo)致了失水率增大、干縮率增大。砂漿的抗壓強(qiáng)度隨著減水劑摻量的增加先增加后減少(圖5)，產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因是釋放出來(lái)自由水使得礦渣粉水化時(shí)更充分的與水接觸，會(huì)提高強(qiáng)度，然而當(dāng)減水劑摻量超過(guò)了一定量時(shí)，相當(dāng)于降低了質(zhì)量濃度，導(dǎo)致強(qiáng)度反而降低。

3 礦渣粉砂漿優(yōu)化方案

圖5 減水劑摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響

通過(guò)之前的試驗(yàn)研究，明確了質(zhì)量濃度、灰砂比、減水劑摻量以及攪拌時(shí)間對(duì)礦渣粉砂漿各項(xiàng)性能的影響規(guī)律。為了更加精確的得出優(yōu)化配比，采用正交試驗(yàn)來(lái)確定具體摻量，使其既可以達(dá)到礦山充填的強(qiáng)度要求，又能滿足管輸要求。

本次正交試驗(yàn)采用L9(34)正交表安排試驗(yàn)，4個(gè)影響因素為質(zhì)量濃度(A)，灰砂比(B)，減水劑摻量(C)，攪拌時(shí)間(D)，取A的水平值為84%、85%、86%，B 的水平值為1 ∶4、1 ∶4.5、1 ∶5，C 的水平值為0、0.05%、0.1%，D 的水平值為4 min、4.5 min、5 min，見(jiàn)表6。正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 各因素與水平值

根據(jù)極差分析，最終綜合各因素確定充填材料各組分摻量的推薦值為:質(zhì)量濃度為A2(85%);灰砂比為B2(1∶4.5);減水劑為C3(0.1%);攪拌時(shí)間為D3(5 min)。優(yōu)化配方后的充填材料性能參數(shù)見(jiàn)表8。

4 結(jié)論

試驗(yàn)研究了質(zhì)量濃度、灰砂比、減水劑摻量、攪拌時(shí)間等因素對(duì)用礦渣粉制備的砂漿的流動(dòng)度、失水率、干縮率、抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，并分析了各因素的作用機(jī)理。選取了合適的比例進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定了砂漿的優(yōu)化配方為:質(zhì)量濃度85%、灰砂比為1∶4.5、減水劑摻量為0.1%、攪拌時(shí)間為5 min，使得砂漿的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。該研究成果主要可以用于路基以及礦山充填中。由于目前獲得的主要是室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有待今后施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果

表8 優(yōu)化配方充填材料性能參數(shù)

［1］ 袁俊航，隆威．酸性礦渣粉活性激發(fā)劑配方試驗(yàn)研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015，42(6):71－75．

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［6］ 吳芳，段瑞斌．外加劑對(duì)預(yù)拌砂漿性能影響試驗(yàn)研究［J］．化學(xué)建材，2009，(3)．

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［8］ 蔡安蘭，嚴(yán)生．水泥基體參數(shù)對(duì)水泥砂漿干縮性能的影響［J］．水泥工程，2004，(6)．

［9］ 吳芳，段瑞斌．外加劑對(duì)預(yù)拌砂漿性能影響試驗(yàn)研究［J］．化學(xué)建材，2009，(3)．