王 開 發(fā)

(南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院， 湖南 衡陽 421001)

銅渣，是銅冶煉過程中產(chǎn)生的固體廢棄物[1]，含有重金屬元素，長期堆存地表會導(dǎo)致地表環(huán)境以及地下水的污染，對人類健康和其他生命具有潛在的危害[2-3]。因此，提高銅渣資源利用率對環(huán)境保護(hù)和人類健康至關(guān)重要。研發(fā)銅渣基膠凝材料是實現(xiàn)銅渣資源化的重要途徑。銅渣具有潛在的火山灰活性[4]，但銅渣的堿性氧化物相比其他冶金廢渣較低，且一般含有大量的鐵氧化物，膠凝活性偏低，利用銅渣開發(fā)膠凝材料的難度較大。目前，學(xué)者們的研究主要集中在銅渣的活性激發(fā)方式和水化機理方面。對銅渣膠凝活性的開發(fā)主要采用先機械激發(fā)后化學(xué)激發(fā)的激發(fā)方式[5]，Wang[6]等使用石膏和化學(xué)激發(fā)劑激發(fā)銅鎳礦冶煉渣的活性，和水泥一起制備膠凝復(fù)合材料，當(dāng)使用2%的石膏和80%的銅鎳礦冶煉渣時，膠凝復(fù)合材料的強度達(dá)到41.6 MPa。關(guān)于銅渣水化機理的討論，吳愛祥等[7]提出銅爐渣玻璃體是一種含有富鈣相和富硅相的相分離結(jié)構(gòu)，銅爐渣玻璃體表面有一層相對穩(wěn)定的“保護(hù)膜”——該結(jié)構(gòu)包裹一層具有Si-O外表面的結(jié)構(gòu)，能防止環(huán)境離子與玻璃體內(nèi)離子互換?？梢钥闯觯糟~渣來制備膠凝材料在理論上是可行的。

銅渣基膠凝材料代替水泥在成本方面優(yōu)勢不明顯是造成推廣應(yīng)用困難的主要原因。拓展銅渣基膠凝材料的應(yīng)用領(lǐng)域和降低材料制造成本是解決問題的有效途徑。為此，提出了研發(fā)銅渣基透水混凝土來推進(jìn)銅渣資源化利用的新思路。透水混凝土在海綿城市得到廣泛應(yīng)用，主要用作一種新型路面材料，具有良好的透氣、透水性能，能及時將地表徑流滲透進(jìn)地下，緩解城市地表沉降及地下水水位下降[8]。此外，透水鋪裝系統(tǒng)還能調(diào)節(jié)城市的溫濕度，緩解城市熱島效應(yīng)[9]。本研究將透水混凝土技術(shù)引入礦山工程建設(shè)中，可用銅渣基膠凝材料制作透水擋土墻、人行排水路面、充填采場脫水設(shè)施等，具有十分重要的工程價值。

課題組前期開發(fā)了一種新的堿激發(fā)礦物摻和料——銅渣基膠凝材料，研究成果表明影響材料性能的主要因素有激發(fā)劑、礦物摻和料類型和用量等，堿當(dāng)量(膠凝材料中Na2O的含量)的影響最為顯著。本文探討了堿當(dāng)量對銅渣基透水混凝土單軸抗壓強度、透水系數(shù)及連續(xù)孔隙率的影響，為銅渣資源高效利用提供一種新途徑。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

(1)銅渣。銅渣化學(xué)成分如表1所示，比表面積為5.24 m2/g。

表1 銅渣主要化學(xué)成分

(2)粗骨料。粗骨料采用篩分后粒徑為4.75～9.5 mm的衡陽市產(chǎn)玄武巖骨料，性能指標(biāo)如表2所示。

表2 玄武巖骨料主要性能指標(biāo)

(3)激發(fā)劑。激發(fā)劑采用NaOH和水玻璃溶液配置。水玻璃溶液的主要參數(shù)如表3所示。

表3 水玻璃溶液的主要參數(shù)

(4)偏高嶺土。偏高嶺土產(chǎn)地內(nèi)蒙古，細(xì)度為4 000目，主要化學(xué)成分如表4所示。

表4 偏高嶺土的主要化學(xué)成分

1.2 實驗方案設(shè)計

前期對銅渣基膠凝材料的探索實驗中，選取堿當(dāng)量、水玻璃模數(shù)和偏高嶺土摻量進(jìn)行三因素四水平的正交實驗，堿當(dāng)量是影響銅渣基膠凝材料強度的最顯著因素。正交最優(yōu)配比：模數(shù)為1.3，堿當(dāng)量為10%，偏高嶺土摻量為30%[10]。為了進(jìn)一步研究堿當(dāng)量對銅渣基透水混凝土性能的影響，進(jìn)行單因素對比實驗。從減小堿當(dāng)量的角度考慮，堿當(dāng)量選取4%、6%、8%、10%，固定玄武巖粗骨料1 636 kg/m3，銅渣和偏高嶺土用量為273 kg/m3，銅渣和偏高嶺土質(zhì)量比為4∶1，水膠比0.3，水玻璃模數(shù)采用1.3，銅渣基透水混凝土實驗方案如表5所示。采用體積法[11-12]設(shè)計銅渣基透水混凝土。

表5 銅渣基透水混凝土實驗方案

(1)

式中：MG、MCS、MWG、Mw分別代表1 m3銅渣基透水混凝土內(nèi)骨料的質(zhì)量、銅渣的質(zhì)量、水玻璃溶液的質(zhì)量、水的質(zhì)量；ρG、ρCS、ρWG,l、ρW分別代表骨料的表觀密度、銅渣的表觀密度、不同濃度的水玻璃溶液的密度、水的密度；VVoid代表目標(biāo)孔隙率。

1.3 試樣制備與實驗方法

(1)試樣制備。先將1/3左右的拌合水加入骨料中，攪拌30 s，將骨料表面潤濕，再將銅渣和偏高嶺土混合均勻，加入配置好的水玻璃及剩余的拌合水，攪拌60 s，將骨料倒入攪拌好的膠凝材料中，接著攪拌2 min，最后采用分層插搗法[13]，將新拌混凝土分兩層倒入模具中，搗棒每層逆時針插搗15次，抗壓強度試塊采用70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm模具成型3個立方體試塊，連續(xù)孔隙率及透水系數(shù)試塊采用Φ100 mm × 50 mm的模具成型6個圓柱試塊，成型完成后，覆蓋薄膜，24 h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，如圖1所示。

圖1 覆蓋薄膜養(yǎng)護(hù)

(2)抗壓強度。透水混凝土試件的抗壓強度依據(jù)GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能測試方法》中的混凝土立方體抗壓強度實驗方法進(jìn)行測試。試樣養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，使用TYA-300B壓力實驗機進(jìn)行單軸壓縮實驗，加載速率為0.05 kN/s，如圖2和圖3所示。

圖2 銅渣基透水混凝土試樣 圖3 抗壓強度測試

(3)透水系數(shù)。透水混凝土透水系數(shù)的測試依據(jù)CJJ/T135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》附錄A中的方法，采用定水頭方法[14-15]測試，透水系數(shù)按下面公式進(jìn)行計算。

(2)

式中：K為透水系數(shù)，mm/s；Q為T時間內(nèi)的出水量，mm3；L為試件厚度，mm；A為試件的橫截面積，mm2；H為定水位差，mm；T為測定時間，s。

(4)連續(xù)孔隙率。根據(jù)CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》采用浮力稱重法[16]測量連續(xù)孔隙率，待試件成型養(yǎng)護(hù)完成之后，測量它們的烘干質(zhì)量，計算試件的體積，再將試件完全浸入水中直到?jīng)]有氣泡產(chǎn)生，測量試件在水中的質(zhì)量。然后根據(jù)公式計算透水混凝土的連續(xù)孔隙率[17-19]。

(3)

式中：Cvoid為連續(xù)孔隙率，%；m2為試件的烘干質(zhì)量，g；m1為試樣在水中的質(zhì)量，g；ρ是水的密度，g/cm3；V為試樣體積，mm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 銅渣基透水混凝土材料的最佳配比

堿當(dāng)量對不同齡期的透水混凝土抗壓強度的影響如圖4所示，試樣強度隨堿當(dāng)量的增加呈現(xiàn)增加趨勢，當(dāng)堿當(dāng)量為10%時強度達(dá)到最高，28 d抗壓強度為10.01 MPa。當(dāng)堿當(dāng)量提高時，會使水化體系中的OH-離子濃度增加，導(dǎo)致銅渣和偏高嶺土中的活性成分水解量增加，參與水化反應(yīng)的速度也隨之增加，從而試樣強度增加。

圖4 堿當(dāng)量對銅渣基透水混凝土抗壓強度的影響

2.2 堿當(dāng)量對銅渣基透水混凝土連續(xù)孔隙率及透水系數(shù)的影響

堿當(dāng)量對銅渣基透水混凝土連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)的影響如圖5所示。從圖5(a)可以看出連續(xù)孔隙率隨著堿當(dāng)量的增大而減小。隨著堿當(dāng)量的增加，銅渣漿體的流動性變大，在使用搗棒插搗過程中，漿體很容易沉降到試樣底部，堵住試樣內(nèi)部的孔隙。當(dāng)堿當(dāng)量從4%增加到10%時，孔隙率降低約11%。透水混凝土的透水系數(shù)和連續(xù)孔隙率的變化規(guī)律具有相關(guān)性，隨著堿當(dāng)量的增大，銅渣基透水混凝土的透水系數(shù)不斷減小，堿當(dāng)量為4%時，銅渣基透水混凝土的透水系數(shù)為12.13 mm/s，堿當(dāng)量為6%時，透水試樣的透水系數(shù)同樣超過了10 mm/s，高于CJJ/T135—2009《透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程》中透水系數(shù)性能要求(不低于0.5 mm/s)，高于《現(xiàn)代充填理論》中充填尾砂的滲透速度(不低于10 cm/h)[20]。

(a)堿當(dāng)量對銅渣基透水混凝土連續(xù)孔隙率的影響 (b)堿當(dāng)量對銅渣基透水混凝土透水系數(shù)的影響

3 結(jié) 語

采用水玻璃溶液激發(fā)銅渣制備銅渣基透水混凝土，并利用了多種分析測試手段探究堿當(dāng)量對銅渣基透水混凝土抗壓強度、連續(xù)孔隙率、透水系數(shù)的影響。銅渣基透水混凝土試樣的單軸抗壓強度隨堿當(dāng)量的增加逐漸增大，當(dāng)堿當(dāng)量達(dá)到10%時，28 d抗壓強度達(dá)到最大，最大值為10.01 MPa。隨著堿當(dāng)量的增加，銅渣基透水混凝土的連續(xù)孔隙率和透水系數(shù)均持續(xù)下降，當(dāng)堿當(dāng)量為4%時，透水系數(shù)達(dá)到最大，最大值為12.13 mm/s。銅渣基透水混凝土的孔隙率及透水系數(shù)均能滿足礦山建設(shè)工程的要求。