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焙烧锂渣粉对水泥标准稠度需水量的影响研究朱文邦

发表时间：2021/7/12 来源：《基层建设》2021年第12期作者：朱文邦

[导读] 本文采用300℃、500℃、700℃对锂渣粉进行焙烧改性2h后进行降温冷却，将其以5%、15%、25%、30%的掺量替代水泥，研究结果表明：随着未焙烧锂渣粉掺量增加时标准稠度需水量呈上升趋势；随着焙烧锂渣粉掺量增加时，标准稠度需水量呈现出先减小后增加的趋势

        新疆大学建筑工程学院新疆乌鲁木齐 830002
        摘要：本文采用300℃、500℃、700℃对锂渣粉进行焙烧改性2h后进行降温冷却，将其以5%、15%、25%、30%的掺量替代水泥，研究结果表明：随着未焙烧锂渣粉掺量增加时标准稠度需水量呈上升趋势；随着焙烧锂渣粉掺量增加时，标准稠度需水量呈现出先减小后增加的趋势。
        关键词：焙烧；锂渣粉；水泥；标准稠度需水量

        锂渣是锂辉石提取碳酸锂过程中产生的工业废渣。随着碳酸锂的需求增大，锂渣的排放也随着增大，对环境及土地资源造成了一定的污染[1]。有学者研究发现，锂渣含有部分无定形的Al2O3、SiO2，存在一定的水硬性[1]-[3]，因此可作为混凝土掺合料，从而解决锂渣污染环境问题进而达到工业固体废弃物资源化的目的。
        锂渣中Al2O3、SiO2的含量比较高，但其活性的Al2O3、SiO2含量较低，其掺量较大时会影响水泥基材料的一些基本性能。因此如何提高锂渣粉的活性成为当前亟待解决的问题。Tan等[4]学者通过掺入一系列的化学激发剂提升了锂渣粉复合胶凝材料的力学性能，研究结果表明掺入0.6%的时，抗压强度提升了1.4%；掺入0.4%的时，28d的抗压强提升5.8%。相比于后期强度，掺入化学激发剂对早期强度有更加显著的影响。Liu等[5]使用马弗炉对锂渣粉进行300℃、500℃、700℃焙烧，研究结果表明当锂渣粉在700℃下焙烧时可获得较大的活性。目前针对焙烧改性锂渣粉对水泥标准稠度需水量的影响研究较少。
        本试验研究了锂渣粉焙烧前后以5%、15%、25%、30%的掺量替代水泥后对水泥标准稠度需水量的影响，揭示焙烧改性锂渣粉对水泥标准稠度需水量影响机制，为锂渣粉在水泥基材料中的应用奠定基础，为后续的研究提供一定的参考。
        1.试验部分
        1.1试验原料
        水泥采用乌鲁木齐天山水泥厂P O·425R硅酸盐水泥，其基本性能见表1。

表1 天山水泥化学组成/%

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	Na₂O	K₂O	R₂O	Loss
25.44	7.06	2.89	55.32	2.25	2.27	0.44	0.67	0.88	1.96

本试验所用锂渣粉来自于乌鲁木齐锂业有限公司，锂渣粉的基本性能如表2所示。

表2 锂渣粉的化学成分分析/%

SiO₂	Al₂O₃	CaO	SO₃	B₂O₃	MgO	Fe₂O₃	K₂O	Na₂O	P₂O₅
47.87	19.75	12.66	12.22	2.67	2.01	1.34	0.45	0.40	0.27

        从表1、表2可以看出锂渣粉和天山水泥都是以、及为主要成分，但是两者主要化学成分存在一定的差别。
        1.2试验方法
        将锂渣粉装入刚玉干锅内，并将其放置于马弗炉内以300℃、500℃、700℃高温焙烧，保温2h后取出放置于空气中冷却至室温封存备用。
        将未焙烧和不同焙烧温度改性后的锂渣粉分别以5%、15%、25%、30%的掺量替代水泥研究其掺量对锂渣粉-水泥标准稠度需水量的影响。
        2.试验结果与讨论
        焙烧前后锂渣粉掺量对水泥标准稠度需水量的影响试验结果，见图1。

        图1 焙烧前后锂渣粉掺量对水泥标准稠度需水量的影响
        由图1可知，改性前后的锂渣粉掺入后对水泥标准稠度需水量有显著的影响，不同焙烧温度改性后的锂渣粉掺入后对水泥标准稠度需水量的影响趋势基本一致。未改性的锂渣粉掺入后水泥标准稠度需水量呈上升趋势。改性锂渣粉掺量在5%～15%时，水泥的标准稠度需水量呈现出下降的趋势；而当改性锂渣粉掺量在15%～30%时，水泥标准稠度需水量呈现出上升的趋势。即改性锂渣粉掺量为15%水泥的标准稠度需水量可达较小，相较于其他改性温度及降温方式，当改性方式为300℃其标准稠度需水量最少，为26.96%，与未掺改性锂渣粉的空白对照组的水泥标准稠度需水量29.60%相比降低了8.92%，即减水率可以达到8.92%。
        由于锂渣中存在球形锂辉石、多孔硅藻土、针状石膏、层块状的锂辉石（层状类沸石结构）及饼状碳酸钙，所以锂渣粉为多孔材料，其孔主要由硅藻土、炭黑和锂辉石等引起的[1]。多孔及层状结构的锂渣粉会吸附水泥浆中的自由水，使得水泥标准稠度需水量增加。由于层状锂辉石具有类沸石结构，可以认为焙烧过后的层状锂辉石可能具有沸石焙烧后的结构，沸石在高温焙烧后比表面积和吸附能力均有所提高[5]。因此也可以认为焙烧后锂渣粉比表面积增大，锂渣粉填充了水泥颗粒之间空隙，空隙中多余的水分被排出了，增加了浆体空间的自由水，使得浆体的流动性增加，故焙烧改性锂渣粉从5%增至15%时，水泥的标准稠度需水量降低；但由于焙烧改性锂渣粉有较大的比表面积，其颗粒表面会吸附一层水膜，当焙烧改性锂渣粉的掺量进一步提升时，其颗粒表面也将会吸附大量的水，从而导致用数量增加，因此加入的水量相同时其流动度会下降，故当改性锂渣粉掺量超过15%时，水泥标准稠度需水量增加
        3.结论
        当未焙烧改性锂渣粉掺量的增加，水泥标准稠度需水量逐渐增大；焙烧改性锂的渣粉掺量增加后，各焙烧温度下的锂渣粉水泥浆标准稠度需水量随其掺量增加呈现出先减小后增大的趋势。

        参考文献：
        [1]李保亮，尤南乔，曹瑞林，霍彬彬，陈春，张亚梅.锂渣粉的组成及在水泥浆体中的物理与化学反应特性[J].材料导报，2020，34（10）：10046-10051.
        [2]王奕仁，王栋民，赵计辉，翟梦怡.锂渣-CaO胶凝体系的火山灰反应性研究[J].硅酸盐通报，2020，39（08）：2501-2507.
        [3]何燕，刘数华，宁炅，张一帆，康佳，陈洁，梁辰.热活化锂渣-水泥胶砂力学强度及水化性能研究[J].非金属矿，2020，43（05）：99-102.
        [4]Tan H，Li X，He C，Ma B，Bai Y，Luo Z. Utilization of lithium slag as an admixture in blended cements：Physico-mechanical and hydration characteristics[J]. Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed.，2015，30（1）.
        [5]王萌，房春生，颜昌宙，魏群山，王灶生. 沸石的改性及其对氨氮吸附特征[J]. 环境科学研究，2012，25（09）：1024-1029.