林 堅(jiān),魏小濤,羅財(cái)金

(福建巖土工程勘察研究院有限公司,福建 福州 350108)

水泥生產(chǎn)中所用的火山灰材料,通常是指天然的火山碎屑物、凝灰?guī)r、硅藻土、偏高嶺土,及工業(yè)生產(chǎn)中具有火山灰活性的爐渣、硅灰和粉煤灰等材料?；鹕交也牧显诔睾陀兴那闆r下能夠與石灰反應(yīng),生成具有水硬性膠凝能力的水化物。隨著細(xì)粒膠結(jié)技術(shù)研究的深入,各類膠凝材料的改性與應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。對(duì)此,采用具有火山灰活性的常見工業(yè)廢棄物材料和天然火山灰材料改性膠凝材料,探究各類細(xì)顆粒的膠結(jié)性能和其固化機(jī)理。

1 火山灰材料改性膠凝材料

1.1 火山灰材料改性膠凝材料的特征

相關(guān)研究表明添加適量的硅灰于混凝土或硅酸鹽水泥等建筑材料中,可促進(jìn)水合硅酸鈣膠凝材料的產(chǎn)生,從而提高建筑材料的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性;高爐礦渣是一種典型的人造火山灰,其可與水泥、石灰等混合制作土壤固化劑,固化細(xì)粒時(shí),凝膠材料與水反應(yīng)生成大量水化產(chǎn)物,這些水化產(chǎn)物結(jié)晶形成一種穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以改善土壤綜合性能[1];硅藻土中含有粘土礦物和碳酸鹽成分,純的硅藻土可當(dāng)作一種輔助膠凝材料。在水泥中摻入硅藻土,可增加粘接水泥的高比表面積,提升水泥的抗壓強(qiáng)度。有學(xué)者在利用鍛燒硅藻土對(duì)再生混凝土進(jìn)行改性時(shí),發(fā)現(xiàn)煅燒硅藻土的火山灰效應(yīng)可提升混凝土的力學(xué)性能,且該材料的填充和吸附,可減小骨料與粘結(jié)劑之間的界面區(qū)域。

1.2 火山灰基膠凝材料在巖土工程中的應(yīng)用

可將火山灰基膠凝材料作為一種有著高強(qiáng)度和優(yōu)良水穩(wěn)性的基層加固材料,用于松軟道路和地基的加固,來(lái)替代經(jīng)挖掘河道、炸山取得的砂石進(jìn)行道路的加固和修筑,以提升松軟地面的路用性能。一方面能創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益,另一方面也實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些工業(yè)固體廢棄物的利用,變廢為寶的同時(shí)增強(qiáng)路基的穩(wěn)定性[2]?；鹕交一z凝材料也可用于邊坡固化,完善土壤的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu),使得邊坡土壤中的細(xì)粒凝聚、膠結(jié)形成大的團(tuán)簇顆粒,從而提升邊坡土壤的抗沖蝕性能,減少邊坡滑坡、坍塌等現(xiàn)象的發(fā)生,且施工與維護(hù)過(guò)程更加便捷[3];將火山灰基膠凝材料應(yīng)用于尾礦固化回填也是采礦行業(yè)一直關(guān)注的研究方向。

2 火山灰基膠凝材料對(duì)砂漿性能的影響

2.1 改性砂漿試件的制作

選用火山灰摻入量為15%改性后的膠凝材料制作砂漿試樣,分析火山灰基膠凝材料對(duì)砂漿性能的影響。設(shè)置4種配比的砂漿試樣,第1種膠凝材料是未改性的熟石灰,水膠比為0.8,作為實(shí)驗(yàn)組的對(duì)照;第2種是15%硅藻土改性后的熟石灰,水膠比為1.03;第3種是15%硅灰改性后的熟石灰,水膠比為0.93;第4種為15%粉煤灰改性后的熟石灰,水膠比為0.94。按照1∶3膠砂比稱取相應(yīng)質(zhì)量的熟石灰、火山灰改性材料加入標(biāo)準(zhǔn)砂中,利用砂漿攪拌機(jī)攪拌均勻,然后加入適量水繼續(xù)攪拌均勻,骨料和膠凝材料混合均勻后倒入模具制作試樣,與養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)完成后脫模。

2.2 改性砂漿的性能分析

2.2.1基本性能

對(duì)火山灰改性熟石灰制備的砂漿試樣進(jìn)行基本性能的測(cè)試。將每個(gè)試樣固化后的體積與固化前體積相比,得到試樣的體積收縮率。將試樣放入烘箱中高溫烘干至恒重,冷卻至室溫時(shí)的質(zhì)量記為絕干質(zhì)量(m1),后放入真空容器中,加水淹沒(méi)試樣,于0.09 MPa真空環(huán)境下保持30 min;然后擦干稱量其飽和吸水質(zhì)量(m2)和水中質(zhì)量(m3),按照以下公式計(jì)算吸水率(E)和顯氣孔率(P):

(1)

(2)

稱量試樣剛脫模時(shí)的質(zhì)量,然后將樣品置于室溫、70%相對(duì)濕度的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d,分析養(yǎng)護(hù)過(guò)程中試樣的質(zhì)量變化。不同配比改性下砂漿試樣的基本性能如表1所示[4]。

表1 不同配比砂漿試樣基本性能測(cè)試結(jié)果Tab.1 Basic performance test results of mortar samples with different proportions

由表1可知,火山灰改性后的砂漿試樣比純熟石灰砂漿試樣的體積收縮率小,是因火山灰改性的膠凝材料砂漿自身的收縮性較小所致。純熟石灰砂漿試樣的吸水率和顯氣孔率也均大于以下3種改性后的砂漿試樣,說(shuō)明火山灰改性后的膠凝材料能夠減小砂漿的氣孔率,達(dá)到削減水對(duì)砂漿作用效果。另外,養(yǎng)護(hù)過(guò)程中這4種膠凝材料制備的砂漿試樣的質(zhì)量呈相同的變化趨勢(shì),從開始到14 d時(shí),質(zhì)量不斷下降,14 d后質(zhì)量逐漸增加,這是由于膠凝材料進(jìn)行火山灰反應(yīng)或蒸發(fā)造成試樣內(nèi)部水分減少,之后隨著碳酸化反應(yīng)的進(jìn)行生成碳酸鈣又增加了試樣的質(zhì)量[5]。

2.2.2 耐久性能

將養(yǎng)護(hù)28 d的砂漿試樣置于玻璃水槽中,加水淹沒(méi),對(duì)浸泡7、14、30和60 d的試樣的破壞情況進(jìn)行觀察,并將浸泡后的試樣取出、晾干,測(cè)量其抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明,在浸水7 d后,膠凝材料為純熟石灰的砂漿試樣逐漸出現(xiàn)裂縫,且隨著時(shí)間的增加徹底崩解。而采用火山灰改性膠凝材料制作的砂漿試樣,在整個(gè)浸水過(guò)程中基本保持完整,采用硅藻土和粉煤灰改性的試樣表面出現(xiàn)細(xì)微裂縫。對(duì)浸水60 d后的試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試,熟石灰膠凝材料制作的試樣完全崩解,認(rèn)定其抗壓強(qiáng)度變化為100%,火山灰改性膠凝材料制作的試樣其抗壓強(qiáng)度相比浸泡之前分別減小了37.9%、16.6%和19.8%左右。火山灰改性后的膠凝材料表現(xiàn)出了更高的耐水性,在長(zhǎng)時(shí)間的浸泡過(guò)程中也能夠保持整體的完整性和一定的力學(xué)強(qiáng)度[6-7]。

3 火山灰基膠凝材料對(duì)尾礦漿的膠結(jié)固化分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用我國(guó)西藏某地的天然火山灰進(jìn)行膠凝材料改性,主要成分為硅酸鋁,通過(guò)石灰、水玻璃等堿性激發(fā)劑激發(fā)其活性,充分利用其膠凝活性。火山灰基膠凝材料尾礦固化劑的制備以及固化土試樣的制備流程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)流程圖

將天然火山灰放入烘箱中于70 ℃下烘干12 h脫水,后放入馬弗爐中升溫并保持40 min,分別升至400、500、600、700 ℃,降溫后取出放入球磨罐中細(xì)磨6 h,剔除大顆粒得到活化火山灰。將活化火山灰和硅酸鹽水泥、鈦石膏按照30∶65∶5的比例混合球磨30 min制備得到尾礦固化劑。然后將其與尾礦漿混合攪拌并加入添加劑制得尾礦固化土泥漿,后注入模具中成型并脫模,控制水灰比均為0.35,在(20±2) ℃下養(yǎng)護(hù)一定時(shí)長(zhǎng)后得到固化土試樣,進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試[8-9]。

3.2 火山灰熱激發(fā)溫度對(duì)試樣性能的影響

將4種溫度下激發(fā)的活化火山灰分別制備為尾礦固化劑,與尾礦按照1∶6的質(zhì)量比制備出尾礦固化試樣,不同熱激發(fā)溫度下制備的試樣在養(yǎng)護(hù)3、7和28 d后的抗壓強(qiáng)度數(shù)值變化如圖2所示[10]。

圖2 火山灰熱激發(fā)溫度對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可見,火山灰的熱激發(fā)溫度對(duì)尾礦固化試樣的抗壓強(qiáng)度有著明顯影響,在600 ℃溫度下火山灰的反應(yīng)活性最高,制得的尾礦固化試樣抗壓強(qiáng)度最高,在養(yǎng)護(hù)3、7和28 d后分別達(dá)到了1.03、2.25和3.86 MPa的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)礦山行業(yè)要求,該情況下抗壓強(qiáng)度應(yīng)分別在0.4、0.7、1.0 MPa以上,可見600 ℃下的尾礦固化試樣已經(jīng)明顯高于行業(yè)規(guī)范要求。隨著溫度的升高,700 ℃條件下,試樣的抗壓強(qiáng)度不增反降,這是由于高溫下部分火山灰活化產(chǎn)物結(jié)晶并轉(zhuǎn)化為非活性相,溫度過(guò)高降低了火山灰的活性[11]。

3.3 不同種類膠凝材料對(duì)試樣性能的影響

采用一般巖土工程應(yīng)用的32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥、42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥和該火山灰基膠凝材料制備的尾礦固化劑這3種材料進(jìn)行尾礦固化試樣的制備,膠凝材料與尾礦的比例同樣控制在1∶6。發(fā)現(xiàn)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,這3種試樣的抗壓強(qiáng)度均呈單調(diào)增加趨勢(shì),但不同膠凝材料制備的試樣抗壓強(qiáng)度數(shù)值不同。32.5級(jí)水泥固化試樣的抗壓強(qiáng)度最低,其他2種試樣的抗壓強(qiáng)度較為貼近,說(shuō)明激發(fā)后的火山灰有著較大的膠凝活性,制備而成的固化劑與P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥有著相似的尾礦固結(jié)效果,保障了尾礦固化后的整體力學(xué)性能[12-13]。

4 結(jié)語(yǔ)

基于常見的工業(yè)廢渣材料和天然火山灰材料改性制備新型、綠色環(huán)保的膠凝材料,設(shè)計(jì)了火山灰基膠凝材料的制備流程與性能測(cè)試試驗(yàn),探究了火山灰基膠凝材料改性效果、膠結(jié)固化機(jī)理。結(jié)果表明,改性膠凝材料制備的砂漿試樣基本性能得到改善,耐水性良好,天然火山灰的最佳熱激發(fā)溫度為600 ℃,所制備的尾礦試樣有著和P·O42.5水泥大致相同的尾礦固化效果。將其用于砂漿的固化、尾礦的固化回填,不僅可提升固化試樣的抗壓強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性以及耐久性等,還可實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的循環(huán)利用。