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混凝土企业管理

含钼尾矿砂混合砂级配优化及其对水泥砂浆性能的影响

时间:2018/5/23 14:00:01 来源: 点击次数:3112

含钼尾矿砂混合砂级配优化及其对水泥砂浆性能的影响

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含钼尾矿砂混合砂级配优化及其

对水泥砂浆性能的影响

罗忠涛1,刘正辉1,司政凯1,2,陈晓飞2,康少杰1

(1.郑州大学材料科学与工程学院,郑州450052;

2.河南兴安新型建筑材料有限公司,荥阳450100)

摘要:本文研究了钼尾矿砂替代天然砂对水泥砂浆物理力学性能的影响,并通过微观结构分析石粉在砂浆中起的填充效应。研究结果表明,砂浆的用水量随钼尾矿砂掺量的增加而增加,抗压强度随掺量的增加呈现先增长后下降的趋势,说明存在最佳掺加比例。其最佳的钼尾矿砂比例为40%,细度模数调整为1.6。相对于不掺钼尾矿砂的砂浆,用水量增加了3.5%,28d抗压强度增加了17.4%,孔体积最小,无害孔减少了9.5%,且砂浆性能优良。

关键词:钼尾矿砂;颗粒级配;砂浆;力学性能;孔结构

1 引言

随着全国基础建设的发展,建筑用砂的量不断增大。不少地区经过几十年的无节制大量开采,天然砂资源已接近耗尽[1-2]。天然砂价格逐年升高,对天然砂的开采甚至盗采,不但堵塞航道,破坏生态环境,还可能酿成重大安全事故[3-4]。

钼尾矿是在开采、分选矿石之后排放的,且暂时不能被利用的固体或粉体废料,并通过

管道输送至尾矿库存放。尾矿工程投资较大,还要占用大量农田和林地,难以复田,破坏了生态平衡[5]。如何充分合理的利用钼尾矿是钼矿开采企业亟待解决的难题。目前已有许多方法利用钼尾矿,如回收钼的过程中同时回收其中的的铜品味伴生素[6-7],也可用于配制玻璃、

纤维、陶瓷工业和水泥生产等[8-10]。由于钼尾矿在组成、形态、颗粒级配等方面与天然河砂存在明显差异,目前仍应用较少。如果经过适当分选与加工,钼尾矿有望制成建筑用砂,既能解决天然砂短缺和环境污染问题,又能提高资源利用率。

本文通过选取不同掺量的钼尾矿砂替代天然砂作为砂浆的细骨料,研究其所组成的级配对砂浆物理力学性能的影响,并对砂浆的微观结构进行分析,来说明钼尾矿砂中石粉在砂浆中的填充机理。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

(1)水泥:中国天瑞集团郑州水泥公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。

(2)天然砂:表观密度为2645kg/m3,堆积密度为1450 kg/m3,细度模数为2.45。

(3)钼尾矿砂:河南栾川洛钼集团的钼尾矿,细度模数为0.8,石粉含量10%。

2.2 试验方法

选取干燥至恒重的钼尾矿砂,通过实验研究尾矿砂掺量(从0~80%,以10%质量分数递增取代天然砂)对新拌砂浆物理力学性能的影响,其稠度控制在(90±10)mm。

3 试验结果与分析

3.1 钼尾矿砂掺量对颗粒级配的影响

表2是不同掺量钼尾矿砂的颗粒级配分布。

由表2可见,随着钼尾矿砂掺量的增加,复合砂的细度模数逐渐减小。复合砂的细度模数在钼尾矿砂掺量80%时的细度模数是0.85,相比天然砂的细度模数减小了65%。在钼尾矿砂掺量0%~20%的阶段,细度模数减小幅度较大,平均减小幅度为13.3%。这是因为钼尾矿砂是经过多次的粉磨和分级筛选,剩下的钼尾矿砂细度模数小。天然砂经过水洗后,会洗掉0.075mm以下的泥砂。在天然砂中,小于0.3mm的颗粒含量为17.6%,刚加入少量的钼尾矿砂,会引入大量的小于0.3mm颗粒,使复合砂的细度模数减小幅度较大。再往后钼尾矿砂替代天然砂配置复合砂,各级配颗粒含量趋于稳定,下降幅度趋缓,其细度模数下降幅度为10.5%。

3.2 钼尾矿砂掺量对砂浆物理力学性能的影响

表3给出了试验砂浆的配合比,根据 JGJ/T70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行试验。

由表3可见,随着钼尾矿砂掺量的增加,砂浆用水量呈增加趋势,在钼尾矿砂掺量80%时,比不掺钼尾矿砂用水量增加了13.8%。但是在钼尾矿砂掺量20%~40%时用水量平均增加1.1%。由于钼尾矿砂掺量20%~40%时混合砂的细度模数为1.58~2.24,属于中砂的范围,用水量增加缓慢。钼尾矿砂掺量超过40%时,细度模数小于1.58,超出了细砂的范围,砂浆需水量急剧增加,平均增加2.6%。

图1是掺入钼尾矿砂后砂浆7d和28d抗压强度随钼尾矿砂掺量变化曲线图。由图1可见,随着钼尾矿砂掺量的增加,砂浆的7d抗压强度和28d抗压强度表现出“升-平稳-降”的趋势。钼尾矿砂掺量从0%到10%时抗压强度逐渐升高并高于基准砂浆。7d抗压强度增加了9.6%,28d抗压强度增加了17.4%。因为天然河砂中小于0.3mm的颗粒含量较少,新加入的钼尾矿砂会填充到大颗粒缝隙中,使得砂浆体系密实。钼尾矿砂掺量10%~40%时抗压强度基本保持一致。当掺量大于40%时,28d强度下降幅度较大,平均下降幅度为8.8%。这是因为由于钼尾矿砂较细,掺入比例越多,需要的水和水泥量越大,在相同水泥用量时就会随掺量增加导致界面粘结能力下降,强度降低。在掺量为40%时,掺钼尾矿砂后的细度模数为1.58,接近细砂的下限。既能保持良好的用水量,强度又是最好。钼尾矿砂填充效应较好,砂浆中骨架结构良好、体系密实,钼尾矿砂对结构的增强效应占主要方面,因此能提高砂浆力学性能。

4钼尾矿砂中石粉的填充效应

石粉是钼尾矿砂中粒径小于0.075mm的部分,由于石粉的粒径很小,并且经过多次的粉磨,使石粉表面光滑,在水泥砂浆中明显颗粒填充胶凝材料之间的孔隙。所以,钼尾矿砂中含有适量的石粉,可以发挥石粉的填充效应。本章节采用Horsfield模型对石粉填充效应进行分析。

4.1不同粒径的最紧密填充理论——Horsfield模型

该Horsfield模型假设所有的堆积颗粒均呈球形,并且根据其添加的顺序,分别称之为2次球,3次球和n次球。每一次添加的球体直径相同。并且在不考虑颗粒之间作用力的影响下,设基础球的半径为r,并以六方最紧密方式堆积,在六个等粒径球体之间的四方孔洞由一个2次球填充,最初四个球周围的三角形孔洞由3次球所填充,进而4次球和5次球分别填进由基础球与2次球之间的孔隙及3次球与基础球之间的孔隙中,所有剩余孔隙最终被相当小的等径球所填充,最小孔隙率达到3.9%,如表4。

而实际在拌制砂浆时所选用的钼尾矿砂中的石粉颗粒和水泥颗粒并不是等粒径的球形颗粒,而是连续的各级粒径都有的粉体。故在采用 Horsfield 模型时,按照统计学的规律,把水泥颗粒和石粉颗粒近似的看成球形并取平均粒径。采用平均粒径作为表述粉体粒度的重要特征参数。

4.2试验结果分析

通过试验测的,P.O 42.5水泥的平均粒径在40μm左右,钼尾矿砂中的石粉平均粒径为15μm左右,通过Horsfield模型计算得出:

由表5可知,随着钼尾矿砂掺量的增加,钼尾矿砂砂浆中的孔体积先减小,再增加。钼尾矿砂掺量为4%时最小。这是因为随着钼尾矿砂的增加,掺量小于4%时,石粉可以填充到水泥颗粒间。当钼尾矿砂掺量大于4%时,过多的石粉会引起用水量增加,随着砂浆养护时间增加,砂浆中的水化反应完全,会有水分占用的孔隙多出来。

由表6可知,在三种钼尾矿砂砂浆中,钼尾矿砂掺量8%时,砂浆无害孔(<50nm)最少,从不掺钼尾矿砂相比由37.7%降低到31.1%,降低了17.5%。相对的,有害孔(>200nm)最多,从42.7%增加到50.9%,增加了19.2%。宏观性能表现出抗压强度最小。所以随着石粉的增加,砂浆的孔体积先减少,再增加,无害孔减少,有害孔增加,砂浆的致密度增大。并且随着钼尾矿砂掺量的增加,会出现掉粉的现象。

图2为钼尾矿砂含量在0%、4%、8%时钼尾矿砂砂浆的孔径分布图,由图2可见,3种钼尾矿砂砂浆试件的孔体积分布基本上是一致的。

在做压汞试验时选取的试块具有很大的随机性,应该每组多做几次,选取比较好的孔径分布。

图3是Y0和Y8钼尾矿砂砂浆2000倍的 SEM 图片,从图中可以更清楚的看出,水泥部分凝胶多呈不规则粒子状,结构比较致密,只有少量的无害孔存在。并且没有明显的六方层状氢氧化钙晶体的存在,从接口区形貌看水泥水化产物和集料之间的粘结比较紧密,没有明显的裂缝

5结论

钼尾矿砂取代天然砂制备水泥砂浆后具有较好的物理力学性能,其适宜掺量为40%左右,调整细度模数到1.6。掺入钼尾矿砂后的水泥砂浆密实,骨架结构良好。钼尾矿砂中的石粉起到了良好的填充效应,使无害孔减少了9.5%,提高了体系力学性能,抗压强度提升了17.4%。当掺量进一步增加时,会带来需水量增大、抗压强度降低和掉粉等不良影响。

钼尾矿砂代替天然砂生产水泥砂浆,不仅可以缓解目前日益突出的天然砂紧缺问题,而且能实现固体废弃物的资源合理利用,在降低生产成本的同时又保护了生态环境。

参考文献

[1] 钟欣,陈浩.天然砂低价出口损失大[J].建材市场, 2002(6):27-28.

[2] 韩继先.闽粤两省天然砂石出口现状与行业前景展望[J].混凝土世界,2011(19):20-21.

[3] 李庆志.烟台市海砂资源的利用与保护[J].沿海都市, 2007(6):138-140.

[4] 侯晓冬,周震.泰安市河砂资源管理的实践[J].山东水利, 2010(7):63-64.

[5] 欧洲共同体联合研究中心.尾矿和废石-综合污染预防与控制最佳可行技术[M].北京:化学工业出社, 2009.

[6] 朱传贵,等.钼渣中有价钼的回收[J].中国钼业,2000(4):40-41.

[7] 杜新路,等.提高金堆城钼矿选铜回收率的试验研究[J].中国钼业,2006(2):20-22.

[8]潘一舟,周访贤.钼铁矿尾矿在水泥生产中的应用[J].金属矿山,1992(2):49-51.

[9] 沈洁,赵跃智,李红霞,等.钼尾矿制备建筑用微晶玻璃的初步研究[J].玻璃, 2010(3):3-4.

[10]周文娟,林松.尾矿细砂砂浆试验研究[J].混凝土, 2013(7):108-110.

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