钨尾矿砂对超高性能混凝土性能的影响

2022-10-02 06:50栾明昱张之璐陈悦张朝辉徐建军
新型建筑材料 2022年9期
关键词:矿砂碳酸钙尾矿

栾明昱,张之璐,陈悦,张朝辉,徐建军

(1.江苏尼高科技有限公司,江苏 常州213141;2.常州绿玛特建筑科技有限公司,江苏 常州 213163)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)是一种由水泥、细集料、硅灰等矿物掺合料、高性能减水剂等制备的,具有超高强、高韧、高抗渗、高耐腐蚀、高抗爆等优异性能的水泥基材料[1-3],能很好地满足土木工程结构轻量化、高层化、大跨化、高耐久的要求,是未来混凝土科技发展的重要方向之一。

钨尾矿作为钨矿开采产生的固体废弃物,目前主要的处理方式是堆存于尾矿库中,不仅占用土地资源,而且有的钨尾矿中含有重金属,处理不当可能造成土壤和河流污染,危害人类的身体健康[4-5]。据统计[5],我国每年约排放30多万t钨尾矿,绝大部分未被有效利用,目前堆存量已超过1200万t。因此,开展钨尾矿综合利用研究,提高钨尾矿回收利用,对提高资源利用率、改善生态环境有重要的意义。

目前,钨尾矿在建材行业中主要用于水泥[6]、微晶玻璃[7]、矿物掺合料[8]及碱激发材料[9]等。另外,由于钨尾矿颗粒较细,在粒度要求较细的应用方面有较大的优势;同时,钨尾矿的化学性质稳定,硬度大[5],存在作为UHPC细集料的潜力。

本文采用钨尾矿砂取代部分碳酸钙砂作为UHPC的细集料,研究钨尾矿砂对UHPC工作性能、力学性能、体积稳定性和耐久性能的影响,为钨尾矿砂的资源化利用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥:江苏嘉新京阳水泥有限公司产P·Ⅱ52.5水泥,密度3.13 g/cm3,比表面积360 m2/kg;硅灰:甘肃三远硅材料有限公司产,水泥和硅灰的主要化学成分见表1;高效聚羧酸减水剂:尼高科技公司产,固含量40%,减水率25%;消泡剂:艾迪科公司产,B328F型;钢纤维:成都宏盛宏科技有限公司产镀铜圆直钢纤维,长13 mm,截面直径0.2 mm,抗拉强度2.4 GPa;集料:石英砂、碳酸钙砂(80~140目)、钨尾矿砂(安徽铜陵),3种砂的粒径分布见表2。

表1 水泥和硅灰的主要化学成分 %

表2 3种砂的粒径分布

由表2可见,碳酸钙砂和坞尾矿砂的颗粒主要分布在0.3~0.075 mm,但碳酸钙砂有60%的颗粒位于0.15 mm以上,而钨尾矿砂约有68%的颗粒位于0.15 mm以下,钨尾矿砂相对更细一些。

1.2 试验方法

1.2.1 试验配合比

基准组采用石英砂与碳酸钙砂复合作为集料,由于钨尾矿砂的粒径分布与碳酸钙砂较为接近,因此分别用钨尾矿砂取代0、50%、100%的碳酸钙砂,UHPC的配合比如表3所示。

表3 UHPC的配合比 kg/m3

1.2.2 试验方法

工作性能:参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试;力学性能:参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试;耐久性能:参照GB 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验》中的电通量法测试UHPC的抗氯离子渗透性、接触法测试UHPC的干燥收缩率。微观测试:根据压汞法,采用Micromeritics公司的AUTOPORE IV9500 V1.09型压汞仪进行孔结构测试,测试孔径范围为3 nm~350 μm;使用钨灯丝扫描电镜对样品进行微观形貌的观察。

2 结果与讨论

2.1 钨尾矿砂取代率对UHPC工作性能和力学性能的影响(见表4)

表4 钨尾矿砂取代率对UHPC工作性能和力学性能的影响

由表4可见:

(1)基准组的扩展度为420 mm,当采用50%钨尾矿砂取代碳酸钙砂时,UHPC的扩展度略有降低,为390 mm;但当碳酸钙砂全部被钨尾矿砂取代时,UHPC的扩展度显著降低,相比基准组降低了23.3%。这是因为相比碳酸钙砂,钨尾矿砂位于0.15~0.075 mm范围内的颗粒的比例要比碳酸钙砂多,导致使用钨尾矿砂的UHPC骨料比表面积增加,润湿骨料所需的用水量更高[10]。而3组UHPC的减水剂和用水量不变,因此UHPC中钨尾矿砂的取代率越高,UHPC的扩展度越小。

(2)随钨尾矿砂取代率的增加,UHPC的7、28 d抗压和抗折强度不断提高。相比基准组,采用50%、100%钨尾矿砂取代碳酸钙砂的UHPC 28 d抗压强度分别提高了5.4%、10.6%;28 d抗折强度分别提高了5.3%、8.3%。钨尾矿砂的加入改善了UHPC骨料的颗粒级配,使UHPC变得更为密实[11]。同时,钨尾矿砂的硬度远高于碳酸钙砂[5],从而使得UHPC的力学性能得到提高。

2.2 钨尾矿砂取代率对UHPC干燥收缩的影响

(见图1)

由于UHPC中水泥用量大,相比一般混凝土更容易产生收缩。由图1可见,基准组120 d的收缩值达到了989×10-6;采用50%钨尾矿砂取代碳酸钙砂后,对UHPC 7 d前的收缩值影响不大,14 d后的收缩值有所降低,UHPC的120 d收缩值为880×10-6,较基准组降低了11.0%;当钨尾矿砂的取代率为100%时,UHPC 7 d前的收缩变化仍不显著,14 d后的收缩值显著降低,UHPC的120 d收缩值为811×10-6,较基准组降低了18.0%,相比50%钨尾矿砂取代率时,UHPC的120 d收缩值进一步降低了7.8%。这是因为钨尾矿砂中不含影响水泥水化的组分,所以3组UHPC干燥收缩的发展规律保持一致。而用钨尾矿砂取代碳酸钙砂,一方面增强了灌浆料骨料级配的合理性,使其堆积变得更为致密,形成的骨架更结实;另一方面,由于钨尾矿砂具备更高的硬度,能够抵抗更大的变形,这使得UHPC基体抵抗变形的能力也得到提高[12-13]。

2.3 钨尾矿砂取代率对UHPC抗氯离子渗透性能的影响(见表5)

表5 钨尾矿砂取代率对UHPC电通量的影响

由表5可见,基准组的电通量为210 C,根据ASTM C1202的评价标准属于很低的渗透能力(100~1000 C);当用钨尾矿砂取代碳酸钙砂时,UHPC的电通量均有所降低,钨尾矿砂取代率为50%、100%时,UHPC电通量较基准组分别降低了12.8%、19.0%,此时UHPC均属于很低的渗透能力等级。氯离子通过混凝土内的连通孔隙进入到混凝土内部,用钨尾矿砂取代碳酸钙砂优化了细骨料的堆积状态,使得基体的结构变得更加致密,使得UHPC内一部分连通的孔隙被堵塞,减少了UHPC内部与外界连通的通道[14],从而提高了UHPC的抗氯离子渗透性能。

2.4 UHPC的孔结构分析

钨尾矿砂取代率对UHPC 28 d孔隙率和孔径分布的影响如表6所示。

表6 钨尾矿砂取代率对UHPC 28 d孔隙率和孔径分布的影响

由表6可见,随着UHPC中钨尾矿砂取代率从0增加至100%,UHPC的孔隙率从12.56%降低至10.87%,降低了1.69个百分点。此外,相比基准组,UHPC的孔径分布也有所细化:1.25~25 nm的孔含量增多,25~5000 nm及5000 nm以上的孔含量减少,且大于5000 nm以上的孔变化相对25~5000 nm较小,因UHPC自身密实度较好,大孔的含量少。一般来说,水泥混凝土的力学性能与其自身的孔隙率成反比,孔隙率越小,力学性能越好;孔径分布越小,大孔(有害孔)的含量越少,力学性能也越好[15]。由于UHPC中的碳酸钙砂被相对更细的钨尾矿砂取代,UHPC骨料的级配堆积更密实,UHPC整体的密实度得到提高,从而减小了UHPC的孔隙率,使得孔径的分布细化。但从收缩机理的角度来看,混凝土的孔径中在1.25~25nm范围内的孔的含量越多,产生的收缩应力就会越高,相应的混凝土收缩也越大[16]。相比基准组,含有钨尾矿砂的UHPC中在1.25~25 nm内的孔含量增多,提高了自身的收缩应力,但UHPC的干燥收缩相比基准组反而减小,这说明钨尾矿砂对UHPC基体密实度起提高作用,增强抵抗收缩变形的效果要高于增大UHPC收缩应力的效果。

2.5 UHPC的微观形貌分析

钨尾矿砂取代率对UHPC 28 d龄期微观形貌的影响如图2所示。

由图2可见,2组UHPC的基体整体上较为致密,没有明显的微裂纹和孔隙,这与其自身紧密堆积的设计原则和较低的孔隙率相一致。但基准组中仍存在一定量较小的孔隙,而用100%钨尾矿砂取代碳酸钙砂的UHPC中几无可见的孔隙,而且基体的结构相比基准组更为均匀致密。

3 结论

(1)用钨尾矿砂取代碳酸钙砂会降低UHPC的扩展度。UHPC中钨尾矿砂的取代率越大,UHPC各龄期的抗压和抗折强度越高,相比基准组,掺坞尾矿砂的UHPC 28 d抗压、抗折强度最高可分别提高10.6%、8.3%。

(2)用钨尾矿砂取代碳酸钙砂能改善UHPC的干燥收缩性能。钨尾矿砂对UHPC 7 d前收缩的影响较小,对14 d后UHPC的收缩改善效果显著:当钨尾矿砂取代率分别为50%和100%时,相比基准组,UHPC的收缩值分别降低了11.0%、18.0%。

(3)用钨尾矿砂取代碳酸钙砂能够降低UHPC的孔隙率,细化孔径,同时使UHPC的基体的密实程度和匀质性得到提高。此外,随钨尾矿砂取代率的增加,电通量不断减小,UHPC的抗氯离子渗透性能提高。

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