朱洪洲，鐘偉明，田文玉

(重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程試驗(yàn)室，重慶 400074)

0　引　言

鍶鹽廢渣(簡(jiǎn)稱(chēng)鍶渣)是天青石(SrSO4)工業(yè)生產(chǎn)碳酸鍶時(shí)產(chǎn)生的固體廢渣，是一種堿性水淬渣[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)每年產(chǎn)生的鍶渣高達(dá)400萬(wàn)噸，鍶渣的利用程度低，少部分的鍶渣作為碎石簡(jiǎn)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(hù)外堆放為主，不僅造成土地浪費(fèi)，而且鍶渣中的有害物質(zhì)易通過(guò)空氣與水介質(zhì)擴(kuò)散至環(huán)境中，對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染[2-5]。研究者對(duì)鍶渣的綜合利用進(jìn)行了相應(yīng)探索，研究成果顯示：磨細(xì)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(guò)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(xì)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(duì)提高鍶渣的綜合利用率具有重大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)意義。筆者分析了鍶渣與機(jī)制砂物理力學(xué)性能方面的差異，并研究了鍶渣代砂率對(duì)兩種水泥砂漿稠度、力學(xué)性能及抗凍性影響，為鍶渣資源進(jìn)一步綜合開(kāi)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(chǎng)生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)32.5R，主要技術(shù)指標(biāo)性能見(jiàn)表1。

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

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

1.2　配合比

水泥砂漿基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)了2個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，分別為M10與M15，其水灰比分比為0.86和0.75，配合比見(jiàn)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(jí)配

原狀鍶渣是一種多孔水淬渣，其級(jí)配見(jiàn)圖1。在施工過(guò)程中沖擊與擠壓將影響鍶渣的級(jí)配，為模擬鍶渣作為細(xì)集料使用，將鍶渣在擊實(shí)筒中(152×120 mm)擊實(shí)98次后進(jìn)行篩分，觀(guān)察鍶渣在經(jīng)過(guò)擊實(shí)、震動(dòng)、擠壓等過(guò)程后的破碎情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1　鍶渣篩分級(jí)配曲線(xiàn)Fig. 1　Gradation curves of sieving test of strontium slag

圖2　擊實(shí)后鍶渣級(jí)配曲線(xiàn)Fig. 2　Gradation curves of strontium slag after compaction tests

由圖1的試驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算出原狀鍶渣細(xì)度模數(shù)為2.59，級(jí)配曲線(xiàn)在砂顆粒級(jí)配區(qū)域Ⅱ內(nèi)，原狀鍶渣為中粗顆粒，并且具有較好的級(jí)配。由圖2可知，擊實(shí)后鍶渣細(xì)顆粒含量明顯增多，細(xì)度模數(shù)降至2.34，篩孔尺寸0.15的通過(guò)率為17.53%，超過(guò)了砂顆粒級(jí)配區(qū)域III區(qū)10%的上限，但顆粒級(jí)配曲線(xiàn)總體落在砂顆粒級(jí)配區(qū)域III內(nèi)，表明鍶渣質(zhì)地疏松，在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)減少對(duì)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(yàn)規(guī)程》中的試驗(yàn)方法測(cè)定鍶渣與機(jī)制砂的密度及孔隙率，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　鍶渣與機(jī)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(guān)密度和自然堆積密度低于機(jī)制砂，主要原因是鍶渣是一種多孔顆粒，其質(zhì)地不如機(jī)制砂致密。鍶渣的孔隙率高達(dá)50%以上，比機(jī)制砂高出13.8%。鍶渣這種多孔質(zhì)輕的特點(diǎn)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(yàn)規(guī)程》中的試驗(yàn)方法測(cè)定鍶渣和機(jī)制砂吸水率、含水率及壓碎值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　鍶渣和機(jī)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(jī)制砂，鍶渣含水率高達(dá)21.2%，1 h吸水率為42.4%，24 h吸水率為44.8%；而機(jī)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(qiáng)，后期水分釋放，可使砂漿中水泥水化更為充分，對(duì)砂漿后期強(qiáng)度增長(zhǎng)有利。鍶渣的壓碎值高達(dá)59.4%，而機(jī)制砂壓碎值僅為17%，表明鍶渣強(qiáng)度不及機(jī)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(guò)大，只能應(yīng)用于低等級(jí)路面或路面的基層和底基層。

3　鍶渣代砂率對(duì)砂漿稠度的影響

以基準(zhǔn)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(guò)稠度試驗(yàn)，評(píng)價(jià)不同鍶渣代砂率對(duì)M10與M15水泥砂漿稠度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(qiáng)度等級(jí)的砂漿稠度值均隨鍶渣代砂率的增加而降低，其中當(dāng)鍶渣代砂率為20%與40%時(shí)，鍶渣對(duì)砂漿的稠度影響較小，M10與M15稠度變化基本一致。當(dāng)鍶渣代砂率為60%時(shí)，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(yuǎn)大于機(jī)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(jí)配較機(jī)制砂差，棱角較多，導(dǎo)致砂漿的流動(dòng)性變差。

4　鍶渣代砂率對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

以基準(zhǔn)配合比為基礎(chǔ)，用0%、20%、40%、60%鍶渣等量取代砂，按照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，成型70.9×70.9×70.9立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d與28 d，測(cè)定M10與M15水泥砂漿在不同鍶渣代砂率條件下抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖4。

圖4　鍶渣代砂對(duì)M10與M15水泥砂漿抗壓強(qiáng)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(qiáng)度隨鍶渣代砂率的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，鍶渣對(duì)砂漿早期抗壓強(qiáng)度影響較大，鍶渣代砂率超過(guò)40%以后，M10與M15鍶渣代砂砂漿的7 d強(qiáng)度等級(jí)未達(dá)到設(shè)計(jì)配合比強(qiáng)度80%的要求，但28 d強(qiáng)度等級(jí)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，對(duì)早期強(qiáng)度有要求的砂漿鍶渣代砂率應(yīng)控制在40%以?xún)?nèi)。分析其原因，一方面鍶渣的物理力學(xué)性能，諸如級(jí)配、強(qiáng)度等均不如機(jī)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(qiáng)度的增長(zhǎng)速率明顯高于基準(zhǔn)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(shì)基本一致。這是因?yàn)殒J渣具備一定化學(xué)活性，隨著齡期的增加，鍶渣的化學(xué)活性不斷被激發(fā)，改善了細(xì)集料與水泥漿的界面性能，彌補(bǔ)了由于細(xì)集料物理力學(xué)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(jìn)了水化反應(yīng)。

5　鍶渣代砂率對(duì)砂漿抗凍性的影響

按照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的試驗(yàn)方法，進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)，試件進(jìn)行10次凍融循環(huán)后，測(cè)定試件的抗壓強(qiáng)度及質(zhì)量損失率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5與圖6。

圖5　鍶渣水泥砂漿抗凍強(qiáng)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(qiáng)度殘留率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)。其中鍶渣代砂率為20%與40%時(shí)，M10與M15水泥砂漿強(qiáng)度殘留率達(dá)99%以上，而基準(zhǔn)水泥砂漿(代砂率為0%)強(qiáng)度殘留率僅為90%左右。這是因?yàn)殒J渣微觀(guān)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(dāng)鍶渣代砂率為60%時(shí)，鍶渣對(duì)水泥砂漿的抗凍性影響較大，M10砂漿強(qiáng)度殘留率下降至78%，M15砂漿強(qiáng)度殘留率與基準(zhǔn)砂漿無(wú)明顯差異。鍶渣代砂率較大時(shí)，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(qiáng)度損失率均滿(mǎn)足砂漿抗凍性強(qiáng)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(yàn)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(shì)，兩種砂漿質(zhì)量損失率均小于0.5%，遠(yuǎn)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(shí)反而對(duì)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(jī)理分析

從圖7的掃描電鏡圖可看出，鍶渣的微觀(guān)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(qiáng)度。鍶渣EDS圖譜定量分析結(jié)果表明(圖8)，鍶渣的化學(xué)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(guò)高溫和水淬急冷后，其組分主要是熱力學(xué)上處于介穩(wěn)狀態(tài)的玻璃體。鍶渣水硬性機(jī)理為：水泥水化過(guò)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(shí)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(bǔ)了鍶渣質(zhì)地疏松給砂漿強(qiáng)度帶來(lái)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(jī)制砂其物理性能有一定差異。鍶渣顆粒級(jí)配良好，屬于中粗砂；鍶渣的密度小于機(jī)制砂，孔隙率比機(jī)制砂大；鍶渣的強(qiáng)度不如機(jī)制砂，吸水率遠(yuǎn)高于機(jī)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(duì)M10砂漿稠度影響小于M15砂漿。

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

4) 鍶渣代砂水泥砂漿抗凍性均滿(mǎn)足規(guī)范水泥砂漿抗凍性要求，綜合考慮經(jīng)濟(jì)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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