堿當量對銅渣基透水混凝土性能的影響

王 開 發

(南華大學 資源環境與安全工程學院， 湖南 衡陽 421001)

銅渣，是銅冶煉過程中產生的固體廢棄物[1]，含有重金屬元素，長期堆存地表會導致地表環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境保護和人類健康至關重要。研發銅渣基膠凝材料是實現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，利用銅渣開發膠凝材料的難度較大。目前，學者們的研究主要集中在銅渣的活性激發方式和水化機理方面。對銅渣膠凝活性的開發主要采用先機械激發后化學激發的激發方式[5]，Wang[6]等使用石膏和化學激發劑激發銅鎳礦冶煉渣的活性，和水泥一起制備膠凝復合材料，當使用2%的石膏和80%的銅鎳礦冶煉渣時，膠凝復合材料的強度達到41.6 MPa。關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構，銅爐渣玻璃體表面有一層相對穩定的“保護膜”——該結構包裹一層具有Si-O外表面的結構，能防止環境離子與玻璃體內離子互換?？梢钥闯?，以銅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勢不明顯是造成推廣應用困難的主要原因。拓展銅渣基膠凝材料的應用領域和降低材料制造成本是解決問題的有效途徑。為此，提出了研發銅渣基透水混凝土來推進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，透水鋪裝系統還能調節城市的溫濕度，緩解城市熱島效應[9]。本研究將透水混凝土技術引入礦山工程建設中，可用銅渣基膠凝材料制作透水擋土墻、人行排水路面、充填采場脫水設施等，具有十分重要的工程價值。

課題組前期開發了一種新的堿激發礦物摻和料——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劑、礦物摻和料類型和用量等，堿當量(膠凝材料中Na2O的含量)的影響最為顯著。本文探討了堿當量對銅渣基透水混凝土單軸抗壓強度、透水系數及連續孔隙率的影響，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。銅渣化學成分如表1所示，比表面積為5.24 m2/g。

表1 銅渣主要化學成分

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

表2 玄武巖骨料主要性能指標

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

表3 水玻璃溶液的主要參數

(4)偏高嶺土。偏高嶺土產地內蒙古，細度為4 000目，主要化學成分如表4所示。

表4 偏高嶺土的主要化學成分

1.2 實驗方案設計

前期對銅渣基膠凝材料的探索實驗中，選取堿當量、水玻璃模數和偏高嶺土摻量進行三因素四水平的正交實驗，堿當量是影響銅渣基膠凝材料強度的最顯著因素。正交最優配比：模數為1.3，堿當量為10%，偏高嶺土摻量為30%[10]。為了進一步研究堿當量對銅渣基透水混凝土性能的影響，進行單因素對比實驗。從減小堿當量的角度考慮，堿當量選取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，銅渣和偏高嶺土質量比為4∶1，水膠比0.3，水玻璃模數采用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骨料的質量、銅渣的質量、水玻璃溶液的質量、水的質量；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，連續孔隙率及透水系數試塊采用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，放入標準養護箱中養護至規定齡期，如圖1所示。

圖1 覆蓋薄膜養護

(2)抗壓強度。透水混凝土試件的抗壓強度依據GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能測試方法》中的混凝土立方體抗壓強度實驗方法進行測試。試樣養護至規定齡期后，使用TYA-300B壓力實驗機進行單軸壓縮實驗，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。透水混凝土透水系數的測試依據CJJ/T135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》附錄A中的方法，采用定水頭方法[14-15]測試，透水系數按下面公式進行計算。

(2)

式中：K為透水系數，mm/s；Q為T時間內的出水量，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)連續孔隙率。根據CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應用技術規程》采用浮力稱重法[16]測量連續孔隙率，待試件成型養護完成之后，測量它們的烘干質量，計算試件的體積，再將試件完全浸入水中直到沒有氣泡產生，測量試件在水中的質量。然后根據公式計算透水混凝土的連續孔隙率[17-19]。

(3)

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

2 結果與討論

2.1 銅渣基透水混凝土材料的最佳配比

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

圖4 堿當量對銅渣基透水混凝土抗壓強度的影響

2.2 堿當量對銅渣基透水混凝土連續孔隙率及透水系數的影響

堿當量對銅渣基透水混凝土連續孔隙率和透水系數的影響如圖5所示。從圖5(a)可以看出連續孔隙率隨著堿當量的增大而減小。隨著堿當量的增加，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，堵住試樣內部的孔隙。當堿當量從4%增加到10%時，孔隙率降低約11%。透水混凝土的透水系數和連續孔隙率的變化規律具有相關性，隨著堿當量的增大，銅渣基透水混凝土的透水系數不斷減小，堿當量為4%時，銅渣基透水混凝土的透水系數為12.13 mm/s，堿當量為6%時，透水試樣的透水系數同樣超過了10 mm/s，高于CJJ/T135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》中透水系數性能要求(不低于0.5 mm/s)，高于《現代充填理論》中充填尾砂的滲透速度(不低于10 cm/h)[20]。

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

3 結 語

采用水玻璃溶液激發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量對銅渣基透水混凝土抗壓強度、連續孔隙率、透水系數的影響。銅渣基透水混凝土試樣的單軸抗壓強度隨堿當量的增加逐漸增大，當堿當量達到10%時，28 d抗壓強度達到最大，最大值為10.01 MPa。隨著堿當量的增加，銅渣基透水混凝土的連續孔隙率和透水系數均持續下降，當堿當量為4%時，透水系數達到最大，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均能滿足礦山建設工程的要求。