拜耳法赤泥干混砂浆性能影响因素研究
2023-11-10
拜耳法赤泥干混砂浆性能影响因素研究
及生产应用技术要求
许国伟，胡江
（云南省建筑科学研究院，云南 昆明 650223）
摘 要：利用拜耳法赤泥制备干混砂浆，确定拜耳法赤泥干混砂浆的减水剂、早强剂和保水增稠材料的种类和掺量，并测试了用水量偏差、放置时间及磷渣粉对拜耳法赤泥干混砂浆性能的影响。试验结果表明：拜耳法赤泥干混砂浆中木质磺酸钙减水剂最佳掺量为0.30%，早强剂元明粉和氯化钙掺量为3.0%时早强效果最佳；保水增稠材料NSB、PVA、甲基纤维素醚和可再分散胶粉可有效改善拜耳法赤泥干混砂浆的保水性能；为了保证砂浆质量，采用防水密封储藏小于3个月，用水量偏差控制在0~±2.0%范围内。用于生产干混砂浆的原材料应满足其相关标准规范规定的要求，现场施工应符合其应用技术要求。
关键词：拜耳法赤泥；干混砂浆；外加；磷渣粉
0 前言
据中国环境状况公报显示，2004年全国工业固体废弃物生产量为12亿吨，而且每年以20%的速度增长。这么庞大的工业固体废弃物和工业尾矿又是生产干混砂浆的最好资源，如果能对此综合利用，将工业固体废弃物(粉煤灰、煤矸石、钢渣等)制成机制砂，代替天然砂生产干混砂浆，就能减少对天然砂采掘，不仅保护河道与土地，还将会对环境与资源保护作出巨大贡献。所以大力推广和使用干混砂浆，可以有效地缓解经济高速发展带来的资源、能源和环境危机。
目前由于对拜耳法赤泥的利用技术不成熟、产品质量不稳定，或者现有成熟技术的产品赤泥配加量很低造成的拜耳法赤泥实际利用率不高、利用量与产量相比远远不够、很难解决堆积如山的拜耳法赤泥所造成的社会及环境问题，进行了利用拜耳法赤泥制备干混砂浆进行了研究；其中由于施工过程中砂浆拌和物保水性能、粘聚性能和触变性能的优劣决定了工程的质量好坏，因此干混砂浆必须通过添加化学外加剂来保证施工工艺的需求。
1 试验用主要原材料
（1）水泥：贵州水泥厂生产的“乌江”P.O 42.5水泥。
（2）拜耳法赤泥：贵州铝厂湿排渣，其主要化学成分见表1。
表1 拜耳法赤泥的化学组成 (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：贵阳中建建筑科研设计院生产的人工机制砂，最大粒径通过5mm筛孔。
（4）水：自来水。
2 试验结果与分析
试验选取生产中最常用的M7.5的砌筑砂浆和M10的抹灰砂浆作为试验用砂浆强度等级，参照JGJ70-90《建筑砂浆基本性能试验方法》经过试验试配确定拜耳法赤泥干混砂浆的及基准砂浆的配合比如表2所示。
表2 拜耳法赤泥干混砂浆配合比 (kg/m3)
试验编号 | 水泥 | 拜耳法赤泥 | 砂 | 水 |
M-DB（砌筑砂浆） | 170 | 200 | 1500 | 360 |
M-PB（抹灰砂浆） | 200 | 170 | 1500 | 360 |
2.1 减水剂、早强剂试验
采用上表2中M-DB组配比，木质磺酸钙减水剂掺量为0.10~0.35%、早强剂元明粉和氯化钙掺量为1.0~4.0%，试验结果见表3和图1~图2。
表3 减水剂、早强剂对拜耳法赤泥干混砂浆物理性能的影响
试验编号 | 木钙(%) | 元明粉(%) | 氯化钙(%) | W/C | 稠度(mm) | 分层度(mm) | 泌水率(%) |
基准 | 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 | —— | —— |
减水剂掺量为0.30%时拜耳法赤泥干混砂浆的性能最佳，与基准砂浆相比，水灰比从2.12降低至1.89，分层度从21mm降低至17mm，其中泌水率从3.7%降低至2.9%，各龄期抗压强度平均提高了20.5%、抗折强度提高了31.2%；当掺量超过0.30%时，由于木质磺酸钙减水剂有引气作用，对拌合物和易性和硬化砂浆力学性能的发展不利。
元明粉和氯化钙掺量为1%时并无早强作用，掺量为3.0%时早强效果最佳，与基准砂浆相比，掺元明粉砂浆和掺氯化钙砂浆各龄期抗压强度平均提高了11.9%和15.4%，抗折强度平均提高了40.5%和27.2%，其中在3d龄期时元明粉和氯化钙对砂浆抗压强度和抗折强度的早强效果最显著；元明粉和氯化钙的掺量超过3.0%时会损害砂浆力学性能的发展。
2.2 保水增稠材料的优选试验
采用上表2中M-PB组配比，无机保水增稠材料采用NSB(掺量为0~12%)，有机保水增稠材料采用PVA(掺量为0~0.5%)、甲基纤维素醚(MC)(掺量为0~0.3%)和Novena28可再分散胶粉(掺量为0~0.3%)，试验结果见表4和图7~图12。
表4 保水增稠材料对砂浆物理性能的影响
试验 编号 | NSB(%) | PVA(%) | N28(%) | MC(%) | W/C | 稠度(mm) | 分层度(mm) | 泌水率(%) |
基准 | 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 |
随着NSB掺量的增加，砂浆拌和物的水灰比逐渐增大，稠度、分层度、泌水率逐渐下降，这主要是因为NSB颗粒极细，比表面积较大，具有一定的黏滞性、触变性和良好的膨胀性和吸附性，从而增加了拌和物的需水量，降低了砂浆的密实度；与基准砂浆相比，砂浆的抗压强度和抗折强度随着NSB掺量的增加而逐渐降低， 在NSB掺量为12%时，砂浆各龄期的抗压强度和抗折强度平均下降了17.4%和13.4%。
在保持砂浆用水量不变时，随着PVA、甲基纤维素醚MC和Novena28可再分散胶粉掺量的增加，砂浆的稠度、分层度和泌水率逐渐下降。砂浆的稠度、分层度在PVA掺量为0.5%时分别从86mm、21mm和5.1%降低为83mm、18mm，在N28掺量为0.3%时降低降低为82mm、13mm，在MC掺量为0.3%时降低降低为84mm、12mm；在PVA、N28和MC掺量为0.2%时砂浆基本上不泌水，保水性能良好。
与基准砂浆相比，随着PVA、甲基纤维素醚MC和Novena28可再分散胶粉掺量的增加，砂浆各个龄期的抗压强度和抗折强度逐渐下降。砂浆的各龄期抗压强度和抗折强度在PVA掺量为0.5%时平均下降了8.5%和9.6%，在N28掺量为0.3%时平均下降了14.1%和13.6%，在MC掺量为0.3%时平均下降了21.4%和13.0%；这是由于PVA、N28和MC聚合物材料掺入砂浆后引入了一定量的气体，在砂浆拌和物体系中形成了孔径结构，导致了砂浆力学性能的降低。
2.3 用水量偏差、放置时间对拜耳法赤泥干混砂浆性能的影响
通过化学外加剂试验对拜耳法赤泥干混砂浆的配合比进行调整，确定拜耳法赤泥干混砌筑砂浆的配比如表5所示。由于干混砂浆在现场成型时可能受到计量设备的限制或各种人为因素的影响造成用水量的偏差，使得干混砂浆的水灰比及其质量难以得到保证，为了确定拜耳法赤泥干混砂浆用水量偏差进行试验（用水量偏差范围取0~±3.0%），试验结果见表6；为了确定拜耳法赤泥干混砂浆生产后库存堆放储藏时间及干混砂浆生产线的生产能力，对水泥出厂后放置的时间和拜耳法赤泥吸附空气中的水蒸气、二氧化碳能力对拜耳法赤泥干混砂浆性能的影响进行了试验，试验结果见表7。
表5 拜耳法赤泥干混砌筑砂浆的配合比 (kg/m3)
水泥 | 拜耳法赤泥 | 砂 | 减水剂CL (%) | 保水增稠剂PVA (%) | 水 |
170 | 200 | 1500 | 0.30 | 0.25 | 320 |
表6 用水量偏差对拜耳法赤泥干混砂浆性能的影响
用水量偏差 (%) | W/C | 稠度 (mm) | 7d强度(MPa) | 14d强度(MPa) | 28d强度(MPa) | |||
抗压 | 抗折 | 抗压 | 抗折 | 抗压 | 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 放置时间对拜耳法赤泥干混砂浆性能的影响
放置时间 (月) | W/C | 稠度 (mm) | 7d强度(MPa) | 14d强度(MPa) | 28d强度(MPa) | |||
抗压 | 抗折 | 抗压 | 抗折 | 抗压 | 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 |
从上表6可知，用水量偏差对拜耳法赤泥干混砂浆的力学性能影响较大；因此拜耳法赤泥干混砂浆在现场成型时，为了保证砂浆质量，调节砂浆拌和物和易性时用水量偏差控制在0~±2.0%范围内；从表7可以得出，采用防水密封袋储藏的拜耳法赤泥干混砂浆放置0~3个月后其强度并无多大变化，即储藏后的拜耳法赤泥干混砂浆活性并不降低、其质量不受影响。
2.4 干混砂浆生产和应用的技术要求
①水泥：宜选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥，其性能满足《通用硅酸盐水泥》GB175—2007的要求。
②细骨料：干混砂浆用砂应符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ52—2006)的规定，最大粒径应通过5mm筛孔，干燥后含水率应小于0.5%，宜选用中砂或者细砂。
③矿物掺合料
1) 粉煤灰：粉煤灰质量指标应符合上海《干粉砂浆生产与应用技术规程》DG/TJ08 -502-2006技术要求II级灰，其技术要求见表8。
表8 粉煤灰的技术要求
项目 | 细度(%) | 45μm(%) | 含水率(%) | 需水比(%) | f-CaO(%) | SO3(%) | 烧失量(%) |
质量要求 | ≤20 | ≤25 | ≤1 | ≤105 | ≤2.5 | ≤3 | ≤8 |
2) 磷渣粉：其性能满足《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》GB/T18046-2000和《磷渣粉》Q/GH01-2006检测规范要求。
④化学外加剂：干混砂浆用的化学外加剂应满足《混凝土用外加剂》GB8076-1997、《砂浆和混凝土防水剂》JC474-1999、《混凝土膨胀剂》JC476-2001等国家、行业标准的规定要求；保水增稠材料应满足《砌筑砂浆增塑剂》JG/T164-2004的规定要求。
⑤应用技术要求
1）在施工现场拌和干混砂浆时应采用机械加水拌和，拌和时间不少于5min，拌和多少使用多少，除水外不得再添加其他任何成份；稠度应满足现行施工规范的有关规定，在用水量偏差范围内根据稠度来调整砂浆用水量；凡符合国家标准的饮用水可直接用于干混砂浆的拌和，当采用其他来源水时，必须按《混凝土拌和用水标准》(JGJ63—1989)的有关规定进行检验，合格后方可用于拌制砂浆；
2）施工时应注意，施工温度不宜低于5℃，低于该温度时应采取保温措施；砂浆在施工后，硬化初期不得受冻；
3）散装、袋装干混砂浆在施工现场储存时应采取防雨、防潮措施，并按不同品种、编号分别堆放，严禁混堆混用；散装干混砂浆的筒仓应有明显的标记，严禁混堆混用。
3 结论
① 拜耳法赤泥干混砂浆中木质磺酸钙减水剂最佳掺量为0.30%，早强剂元明粉和氯化钙掺量为3.0%时早强效果最佳；保水增稠材料NSB、PVA、甲基纤维素醚和可再分散胶粉可有效改善拜耳法赤泥干混砂浆的保水性能。
② 为了保证砂浆质量，调节砂浆拌和物和易性时用水量偏差控制在0~±2.0%范围内；采用防水密封袋储藏的拜耳法赤泥干混砂浆放置0~3个月后活性并不降低、其质量不受影响。
③ 用于生产干混砂浆的原材料应满足其相关标准规范规定的要求，现场施工应符合其应用技术要求。
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基金项目：中国建筑工程总公司资金支持项目（CSCEC-2008-Z-14） 贵州省科技厅资金支持项目（黔科合0Z字[2009]2） |
