拜耳法赤泥干混砂漿性能影響因素研究
2023-11-10
拜耳法赤泥干混砂漿性能影響因素研究
及生產應用技術要求
許國偉，胡江
（云南省建筑科學研究院，云南 昆明 650223）
摘 要：利用拜耳法赤泥制備干混砂漿，確定拜耳法赤泥干混砂漿的減水劑、早強劑和保水增稠材料的種類和摻量，并測試了用水量偏差、放置時間及磷渣粉對拜耳法赤泥干混砂漿性能的影響。試驗結果表明：拜耳法赤泥干混砂漿中木質磺酸鈣減水劑最佳摻量為0.30%，早強劑元明粉和氯化鈣摻量為3.0%時早強效果最佳；保水增稠材料NSB、PVA、甲基纖維素醚和可再分散膠粉可有效改善拜耳法赤泥干混砂漿的保水性能；為了保證砂漿質量，采用防水密封儲藏小于3個月，用水量偏差控制在0~±2.0%范圍內。用于生產干混砂漿的原材料應滿足其相關標準規范規定的要求，現場施工應符合其應用技術要求。
關鍵詞：拜耳法赤泥；干混砂漿；外加；磷渣粉
0 前言
據中國環境狀況公報顯示，2004年全國工業固體廢棄物生產量為12億噸，而且每年以20%的速度增長。這么龐大的工業固體廢棄物和工業尾礦又是生產干混砂漿的最好資源，如果能對此綜合利用，將工業固體廢棄物(粉煤灰、煤矸石、鋼渣等)制成機制砂，代替天然砂生產干混砂漿，就能減少對天然砂采掘，不僅保護河道與土地，還將會對環境與資源保護作出巨大貢獻。所以大力推廣和使用干混砂漿，可以有效地緩解經濟高速發展帶來的資源、能源和環境危機。
目前由于對拜耳法赤泥的利用技術不成熟、產品質量不穩定，或者現有成熟技術的產品赤泥配加量很低造成的拜耳法赤泥實際利用率不高、利用量與產量相比遠遠不夠、很難解決堆積如山的拜耳法赤泥所造成的社會及環境問題，進行了利用拜耳法赤泥制備干混砂漿進行了研究；其中由于施工過程中砂漿拌和物保水性能、粘聚性能和觸變性能的優劣決定了工程的質量好壞，因此干混砂漿必須通過添加化學外加劑來保證施工工藝的需求。
1 試驗用主要原材料
（1）水泥：貴州水泥廠生產的“烏江”P.O 42.5水泥。
（2）拜耳法赤泥：貴州鋁廠濕排渣，其主要化學成分見表1。
表1 拜耳法赤泥的化學組成 (wt%)
Al2O3 | SiO2 | CaO | Fe2O3 | Na2O | TiO2 | MgO | Loss |
33.34 | 13.35 | 20.11 | 4.16 | 5.00 | 5.10 | 0.36 | 15.79 |
（3）砂子：貴陽中建建筑科研設計院生產的人工機制砂，最大粒徑通過5mm篩孔。
（4）水：自來水。
2 試驗結果與分析
試驗選取生產中最常用的M7.5的砌筑砂漿和M10的抹灰砂漿作為試驗用砂漿強度等級，參照JGJ70-90《建筑砂漿基本性能試驗方法》經過試驗試配確定拜耳法赤泥干混砂漿的及基準砂漿的配合比如表2所示。
表2 拜耳法赤泥干混砂漿配合比 (kg/m3)
試驗編號 | 水泥 | 拜耳法赤泥 | 砂 | 水 |
M-DB（砌筑砂漿） | 170 | 200 | 1500 | 360 |
M-PB（抹灰砂漿） | 200 | 170 | 1500 | 360 |
2.1 減水劑、早強劑試驗
采用上表2中M-DB組配比，木質磺酸鈣減水劑摻量為0.10~0.35%、早強劑元明粉和氯化鈣摻量為1.0~4.0%，試驗結果見表3和圖1~圖2。
表3 減水劑、早強劑對拜耳法赤泥干混砂漿物理性能的影響
試驗編號 | 木鈣(%) | 元明粉(%) | 氯化鈣(%) | W/C | 稠度(mm) | 分層度(mm) | 泌水率(%) |
基準 | 0 | —— | —— | 2.12 | 93 | 21 | 3.7 |
1-1 | 0.10 | —— | —— | 2.05 | 84 | 19 | 2.4 |
1-2 | 0.15 | —— | —— | 2.02 | 82 | 17 | 不泌水 |
1-3 | 0.20 | —— | —— | 1.96 | 86 | 18 | 2.1 |
1-4 | 0.25 | —— | —— | 1.92 | 86 | 17 | 稍泌水 |
1-5 | 0.30 | —— | —— | 1.89 | 85 | 17 | 2.9 |
1-6 | 0.35 | —— | —— | 1.92 | 84 | 19 | 3.7 |
2-1 | —— | 1.0 | —— | 2.12 | 78 | —— | —— |
2-2 | —— | 2.0 | —— | 2.12 | 76 | —— | —— |
2-3 | —— | 3.0 | —— | 2.12 | 76 | —— | —— |
2-4 | —— | 4.0 | —— | 2.12 | 80 | —— | —— |
3-1 | —— | —— | 1.0 | 2.12 | 77 | —— | —— |
3-2 | —— | —— | 2.0 | 2.12 | 81 | —— | —— |
3-3 | —— | —— | 3.0 | 2.12 | 78 | —— | —— |
3-4 | —— | —— | 4.0 | 2.12 | 83 | —— | —— |
減水劑摻量為0.30%時拜耳法赤泥干混砂漿的性能最佳，與基準砂漿相比，水灰比從2.12降低至1.89，分層度從21mm降低至17mm，其中泌水率從3.7%降低至2.9%，各齡期抗壓強度平均提高了20.5%、抗折強度提高了31.2%；當摻量超過0.30%時，由于木質磺酸鈣減水劑有引氣作用，對拌合物和易性和硬化砂漿力學性能的發展不利。
元明粉和氯化鈣摻量為1%時并無早強作用，摻量為3.0%時早強效果最佳，與基準砂漿相比，摻元明粉砂漿和摻氯化鈣砂漿各齡期抗壓強度平均提高了11.9%和15.4%，抗折強度平均提高了40.5%和27.2%，其中在3d齡期時元明粉和氯化鈣對砂漿抗壓強度和抗折強度的早強效果最顯著；元明粉和氯化鈣的摻量超過3.0%時會損害砂漿力學性能的發展。
2.2 保水增稠材料的優選試驗
采用上表2中M-PB組配比，無機保水增稠材料采用NSB(摻量為0~12%)，有機保水增稠材料采用PVA(摻量為0~0.5%)、甲基纖維素醚(MC)(摻量為0~0.3%)和Novena28可再分散膠粉(摻量為0~0.3%)，試驗結果見表4和圖7~圖12。
表4 保水增稠材料對砂漿物理性能的影響
試驗 編號 | NSB(%) | PVA(%) | N28(%) | MC(%) | W/C | 稠度(mm) | 分層度(mm) | 泌水率(%) |
基準 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1.80 | 86 | 21 | 5.1 |
4-1 | 3.0 | —— | —— | —— | 1.89 | 85 | 17 | 2.7 |
4-2 | 6.0 | —— | —— | —— | 1.97 | 85 | 15 | 不泌水 |
4-3 | 9.0 | —— | —— | —— | 2.05 | 84 | 13 | 不泌水 |
4-4 | 12.0 | —— | —— | —— | 2.13 | 81 | 14 | 不泌水 |
5-1 | —— | 0.2 | —— | —— | 1.80 | 85 | 22 | 稍泌水 |
5-2 | —— | 0.4 | —— | —— | 1.80 | 82 | 17 | 不泌水 |
5-3 | —— | 0.5 | —— | —— | 1.80 | 83 | 18 | 不泌水 |
6-1 | —— | —— | 0.1 | —— | 1.80 | 87 | 19 | 1.9 |
6-2 | —— | —— | 0.2 | —— | 1.80 | 85 | 15 | 不泌水 |
6-3 | —— | —— | 0.3 | —— | 1.80 | 82 | 13 | 不泌水 |
7-1 | —— | —— | —— | 0.1 | 1.80 | 86 | 16 | 1.5 |
7-2 | —— | —— | —— | 0.2 | 1.80 | 83 | 12 | 不泌水 |
7-3 | —— | —— | —— | 0.3 | 1.80 | 84 | 12 | 不泌水 |
隨著NSB摻量的增加，砂漿拌和物的水灰比逐漸增大，稠度、分層度、泌水率逐漸下降，這主要是因為NSB顆粒極細，比表面積較大，具有一定的黏滯性、觸變性和良好的膨脹性和吸附性，從而增加了拌和物的需水量，降低了砂漿的密實度；與基準砂漿相比，砂漿的抗壓強度和抗折強度隨著NSB摻量的增加而逐漸降低， 在NSB摻量為12%時，砂漿各齡期的抗壓強度和抗折強度平均下降了17.4%和13.4%。
在保持砂漿用水量不變時，隨著PVA、甲基纖維素醚MC和Novena28可再分散膠粉摻量的增加，砂漿的稠度、分層度和泌水率逐漸下降。砂漿的稠度、分層度在PVA摻量為0.5%時分別從86mm、21mm和5.1%降低為83mm、18mm，在N28摻量為0.3%時降低降低為82mm、13mm，在MC摻量為0.3%時降低降低為84mm、12mm；在PVA、N28和MC摻量為0.2%時砂漿基本上不泌水，保水性能良好。
與基準砂漿相比，隨著PVA、甲基纖維素醚MC和Novena28可再分散膠粉摻量的增加，砂漿各個齡期的抗壓強度和抗折強度逐漸下降。砂漿的各齡期抗壓強度和抗折強度在PVA摻量為0.5%時平均下降了8.5%和9.6%，在N28摻量為0.3%時平均下降了14.1%和13.6%，在MC摻量為0.3%時平均下降了21.4%和13.0%；這是由于PVA、N28和MC聚合物材料摻入砂漿后引入了一定量的氣體，在砂漿拌和物體系中形成了孔徑結構，導致了砂漿力學性能的降低。
2.3 用水量偏差、放置時間對拜耳法赤泥干混砂漿性能的影響
通過化學外加劑試驗對拜耳法赤泥干混砂漿的配合比進行調整，確定拜耳法赤泥干混砌筑砂漿的配比如表5所示。由于干混砂漿在現場成型時可能受到計量設備的限制或各種人為因素的影響造成用水量的偏差，使得干混砂漿的水灰比及其質量難以得到保證，為了確定拜耳法赤泥干混砂漿用水量偏差進行試驗（用水量偏差范圍取0~±3.0%），試驗結果見表6；為了確定拜耳法赤泥干混砂漿生產后庫存堆放儲藏時間及干混砂漿生產線的生產能力，對水泥出廠后放置的時間和拜耳法赤泥吸附空氣中的水蒸氣、二氧化碳能力對拜耳法赤泥干混砂漿性能的影響進行了試驗，試驗結果見表7。
表5 拜耳法赤泥干混砌筑砂漿的配合比 (kg/m3)
水泥 | 拜耳法赤泥 | 砂 | 減水劑CL (%) | 保水增稠劑PVA (%) | 水 |
170 | 200 | 1500 | 0.30 | 0.25 | 320 |
表6 用水量偏差對拜耳法赤泥干混砂漿性能的影響
用水量偏差 (%) | W/C | 稠度 (mm) | 7d強度(MPa) | 14d強度(MPa) | 28d強度(MPa) | |||
抗壓 | 抗折 | 抗壓 | 抗折 | 抗壓 | 抗折 | |||
-3.0 | 1.83 | 63 | 11.2 | 2.80 | 13.0 | 3.25 | 14.8 | 5.00 |
-1.5 | 1.86 | 83 | 9.8 | 2.70 | 13.6 | 3.15 | 14.2 | 4.70 |
0 | 1.88 | 85 | 9.4 | 2.50 | 11.8 | 2.90 | 14.0 | 3.75 |
1.5 | 1.90 | 90 | 8.8 | 2.45 | 11.0 | 2.90 | 13.5 | 3.50 |
3.0 | 1.93 | 97 | 8.6 | 2.10 | 10.6 | 2.45 | 13.0 | 3.15 |
表7 放置時間對拜耳法赤泥干混砂漿性能的影響
放置時間 (月) | W/C | 稠度 (mm) | 7d強度(MPa) | 14d強度(MPa) | 28d強度(MPa) | |||
抗壓 | 抗折 | 抗壓 | 抗折 | 抗壓 | 抗折 | |||
0 | 1.88 | 85 | 9.4 | 2.5 | 11.8 | 2.9 | 14.0 | 3.75 |
1 | 1.88 | 82 | 9.0 | 2.5 | 10.8 | 3.05 | 13.5 | 3.55 |
2 | 1.88 | 88 | 9.8 | 2.6 | 12.2 | 2.85 | 14.6 | 3.7 |
3 | 1.88 | 85 | 9.6 | 2.7 | 11.4 | 2.95 | 13.8 | 3.65 |
從上表6可知，用水量偏差對拜耳法赤泥干混砂漿的力學性能影響較大；因此拜耳法赤泥干混砂漿在現場成型時，為了保證砂漿質量，調節砂漿拌和物和易性時用水量偏差控制在0~±2.0%范圍內；從表7可以得出，采用防水密封袋儲藏的拜耳法赤泥干混砂漿放置0~3個月后其強度并無多大變化，即儲藏后的拜耳法赤泥干混砂漿活性并不降低、其質量不受影響。
2.4 干混砂漿生產和應用的技術要求
①水泥：宜選用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥，其性能滿足《通用硅酸鹽水泥》GB175—2007的要求。
②細骨料：干混砂漿用砂應符合《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》(JGJ52—2006)的規定，最大粒徑應通過5mm篩孔，干燥后含水率應小于0.5%，宜選用中砂或者細砂。
③礦物摻合料
1) 粉煤灰：粉煤灰質量指標應符合上海《干粉砂漿生產與應用技術規程》DG/TJ08 -502-2006技術要求II級灰，其技術要求見表8。
表8 粉煤灰的技術要求
項目 | 細度(%) | 45μm(%) | 含水率(%) | 需水比(%) | f-CaO(%) | SO3(%) | 燒失量(%) |
質量要求 | ≤20 | ≤25 | ≤1 | ≤105 | ≤2.5 | ≤3 | ≤8 |
2) 磷渣粉：其性能滿足《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》GB/T18046-2000和《磷渣粉》Q/GH01-2006檢測規范要求。
④化學外加劑：干混砂漿用的化學外加劑應滿足《混凝土用外加劑》GB8076-1997、《砂漿和混凝土防水劑》JC474-1999、《混凝土膨脹劑》JC476-2001等國家、行業標準的規定要求；保水增稠材料應滿足《砌筑砂漿增塑劑》JG/T164-2004的規定要求。
⑤應用技術要求
1）在施工現場拌和干混砂漿時應采用機械加水拌和，拌和時間不少于5min，拌和多少使用多少，除水外不得再添加其他任何成份；稠度應滿足現行施工規范的有關規定，在用水量偏差范圍內根據稠度來調整砂漿用水量；凡符合國家標準的飲用水可直接用于干混砂漿的拌和，當采用其他來源水時，必須按《混凝土拌和用水標準》(JGJ63—1989)的有關規定進行檢驗，合格后方可用于拌制砂漿；
2）施工時應注意，施工溫度不宜低于5℃，低于該溫度時應采取保溫措施；砂漿在施工后，硬化初期不得受凍；
3）散裝、袋裝干混砂漿在施工現場儲存時應采取防雨、防潮措施，并按不同品種、編號分別堆放，嚴禁混堆混用；散裝干混砂漿的筒倉應有明顯的標記，嚴禁混堆混用。
3 結論
① 拜耳法赤泥干混砂漿中木質磺酸鈣減水劑最佳摻量為0.30%，早強劑元明粉和氯化鈣摻量為3.0%時早強效果最佳；保水增稠材料NSB、PVA、甲基纖維素醚和可再分散膠粉可有效改善拜耳法赤泥干混砂漿的保水性能。
② 為了保證砂漿質量，調節砂漿拌和物和易性時用水量偏差控制在0~±2.0%范圍內；采用防水密封袋儲藏的拜耳法赤泥干混砂漿放置0~3個月后活性并不降低、其質量不受影響。
③ 用于生產干混砂漿的原材料應滿足其相關標準規范規定的要求，現場施工應符合其應用技術要求。
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基金項目：中國建筑工程總公司資金支持項目（CSCEC-2008-Z-14） 貴州省科技廳資金支持項目（黔科合0Z字[2009]2） |
