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铜渣酸激发胶凝材料的制备及性能研究

发表时间：2020/11/24 来源：《基层建设》2020年第22期作者：徐岩孙祥吉孔冲

[导读] 摘要：利用富含铁氧化物的工业固体废弃物铜渣与草酸在常温下制备了铜渣基草酸盐胶凝材料。

        沈阳建筑大学辽宁省沈阳市 110000
        摘要：利用富含铁氧化物的工业固体废弃物铜渣与草酸在常温下制备了铜渣基草酸盐胶凝材料。本论文基于草酸基铜渣胶凝材料，对净浆试件分析了水灰比、铜渣与草酸质量比（CS/OA）和缓凝剂（硼砂）掺量等因素，对试件的强度指标和凝结时间的影响。结果表明：草酸能够和铜渣进行反应生成一定强度的络合物。对净浆试件而言，铜渣基草酸盐胶凝材料最佳配比为W/C=0.17，CS/OA=5，所得铜渣基草酸盐化学激发胶凝材料的初凝时间为8min，3d和7d抗压强度分别为5.23MPa和6.64MPa。随着缓凝剂的掺入，材料凝结时间开始延长，说明缓凝剂对材料能够起到缓凝作用，当缓凝剂掺量从0增加到6%时，材料的凝结时间从8min延长到34min，效果十分明显。
        关键词：铜渣；草酸盐胶凝材料；草酸；制备
        1 引言
        在我国，大量的铜渣不能够得到有效利用，采取自然堆存的方式存放，占用大量土地资源，对周边环境和地下水资源构成严重威胁，也成为大气的主要粉尘污染源之一[1]。依据肖茁良等[2]的研究，在工业固废领域，我国目前对高炉矿渣和粉煤灰的综合利用率最高，能达到70%~80%左右，而镍渣、铜渣、钢渣、磷渣等有色金属冶炼废渣利用率则不足35%。如何有效利用、处理废渣，大幅提高工业固废的综合利用率，已成为这些地区的亟待解决的问题。由此，对堆存铜渣的综合利用问题的研究意义重大。
        本文利用铜渣和草酸配制铜渣基草酸盐胶凝材料，对净浆试件分析了水灰比、铜渣与草酸质量比（CS/OA）和缓凝剂掺量等因素，对于试件的强度指标和凝结时间的影响。
        2 实验
        2.1 原材料
        实验中所用到的药剂主要为草酸（H2C2O4）和硼砂（Na2B4O7•10H2O）。铜渣为浮选铜之后的废渣，呈黑灰色粉末状固体，通过激光粒度分析仪检测，其粒径在8.7um，比表面积0.687m2/g；铜渣中主要以Fe元素为主，而对环境会产生影响的有害元素如Pb、P等元素仅含0.331%。
        2.2 实验方法
        本实验采用单因素实验法进行实验设计，其中以材料的抗压强度作为衡量指标。在W/C=0.17，铜渣胶凝材料占土的质量比为15%的条件下，探究铜渣与草酸的质量比对于胶凝材料3d及7d无侧限抗压强度的影响；在CS/OA=4，铜渣胶凝材料占土的质量比为15%的条件下，水灰比对于胶凝材料强度的影响。具体实验方案见表1。按实验比例称取各原料并用球磨机混合，然后加入去离子水进行搅拌，直至均匀。再将浆体注入25mm×25mm×25mm的水泥胶砂标准试模中，在装入过程中进行插倒，然后将装满浆液的模具放在高频振动台上进行振动2min，以保证试件内部密实，不存在明显空洞等缺陷。经3h后脱模，自然养护3d，7d后测试其抗压强度。
                                       表1 实验方案

        3 结果与讨论
        3.1 CS/OA对胶凝材料强度及凝结时间的影响
        铜渣与草酸的质量比对于胶凝材料的力学性能起着至关重要的影响。就铜渣与草酸的质量比而言，在研究范围内，胶凝材料的强度随着CS/OA 的增大有一个先增加后减小的过程，当CS/OA=5时，胶凝材料的 3d、7d 抗压强度分别达到5.23MPa、6.64MPa，凝结时间在17min 左右，已达到用于土层加固的要求。此时胶凝材料内部水化产物相互搭接程度最高、内部水化产物最为密实；随着CS/OA 继续增大，也就是草酸的量继续减少，使得铜渣与草酸不能够充分反应，水化产物不足，强度因而随之降低；反之，当CS/OA 小于5时，随着CS/OA值的减小，也就意味着草酸的量增加，此时草酸参与和铜渣的反应后会有剩余，残留的草酸在试件内部影响材料的力学性能。胶凝材料的凝结时间与CS/OA 的值也有一定的关系，并与之呈正相关，即随着CS/OA 的增大，胶凝材料的凝结时间会随之增长，在研究范围内，CS/OA 最小为2时，材料的凝结时间仅6min，而当CS/OA 增大至6时，材料的凝结时间随之增加大20min。因此，当CS/OA保持在5时，材料内部反应会更充分，得到的材料致密，强度最高，同时此条件下配置的胶凝材料凝结时间适中。
        3.2 W/C对胶凝材料强度的影响
        就水灰比对胶凝材料力学性能的影响而言，在研究范围内，材料的力学性能会随着W/C的增大呈现先增后减的趋势，当W/C=0.17 时，强度达到最优，此时 3d 抗压强度为5.23MPa，7d 抗压强度为6.64MPa。随着 W/C 继续增大，草酸与铜渣反应完全后，会有多余的水分残留在试件内部，待水分蒸发后，在试件内部形成空洞缺陷，影响材料的密实度，从而降低了材料的力学性能；反之，当 W/C 的值减小时，铜渣与草酸反应的不够充分，生成的水化产物会因为缺水而减少，使得内部水化产物不足，导致内部不够致密，材料的黏聚力不足，导致材料的强度降低；而材料的凝结时间会随着水灰比 W/C 的增大而变长，当W/C=0.15 时，材料凝结时间5min左右，当W/C增至0.2时，相对应的材料凝结时间也延长至 25min。因此可见，水灰比0.17~0.18是较为理想的状态。
        3.3硼砂掺量对胶凝材料强度及凝结时间的影响
        硼砂的掺量对胶凝材料的强度和凝结时间也有一定的影响，随着硼砂的掺入，材料凝结时间开始延长，当硼砂掺量从0增加到4%时，材料的凝结时间从8min延长到12min，效果十分明显。随着硼砂的加入，凝结时间呈现出负相关，即掺量增加，凝结时间缩短。由此可见硼砂掺量在一定范围内时是可以起到缓凝作用的。与不掺硼砂相比，掺量为4%时，材料的强度增加约为50%，继续增大硼砂的掺量，强度开始出现变小。主要是由于硼砂掺量的增加，材料力学性能增加，硼砂的掺加增强了体系的酸度，使反应速率提高，同时硼酸根与亚铁离子反应，在一定程度上可以起到缓凝的作用。但是随着硼砂过量，H+离子含量增多，很大程度提高反应速度，凝结时间缩短，所以凝结时间随硼砂掺量的增加呈现先增大后减小的趋势。
        4 结论
        （1）当W/C=0.17，CS /OA = 5.0，缓凝剂掺量为2%时，胶凝材料的力学性能最高，3d和7d的抗压强度分别为5.23MPa和6.64MPa。
        （2）硼砂掺量对胶凝材料抗压强度的影响结果表明，胶凝材料体系中掺入4%硼砂时，试样抗压强度最高，但硼砂掺量超过4%时，随着硼砂掺量的提高，试样凝结时间延长，但试样抗压强度降低。
        参考文献：
        [1] 周占兴，周春芳．铜渣的新型资源化处理工艺［J］．冶金设备，2015（1）．
        [2] 肖茁良，陈露辉，叶恒达，等.高炉矿渣的综合利用与前景展望[J].建筑工程技术与设计，2015（34）二