铜尾矿砂粘结砂浆的制备及其性能研究

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铜尾矿作为我国排放量第二大的尾矿,日渐堆积已经接近30亿吨。大量堆积的铜尾矿给生态环境、经济效益、人民生命财产安全等方面带来了一系列问题,亟需解决。天然砂在砂浆混凝土中用量极大,我国天然砂资源逐渐匮乏。同时,为了实现“绿色环保可持续发展”,外墙保温系统逐渐普及。粘结砂浆作为保温系统核心材料之一,对粘结强度、柔韧性、抗裂性、耐久性等性能要求严格。因此,将铜尾矿制备粘结砂浆,不仅可以减小对环境的污染,还能一定程度上缓解天然砂资源的压力。本文首先研究了铜尾矿砂的基本性能,然后通过取代部分特细砂制备粘结砂浆,研究了铜尾矿取代量、粉煤灰、聚丙烯纤维、可再分散胶粉、HPMC掺量、灰砂比对砂浆工作性、力学性能和柔韧性的影响,同时对砂浆粘结性能、收缩抗裂性、抗冻性等综合性能进行了研究。最后通过SEM、XRD分析砂浆微观结构,主要结论如下:(1)铜尾矿取代特细砂的量增大,砂浆的大部分性能呈下降趋势。随着取代量增大,砂浆稠度降低,60%时稠度下降31%;铜尾矿取代量小于40%对砂浆力学性能有增强效果,大于40%后力学性能下降,60%时28d抗压强度和抗折强度分别下降5.9%、2.4%;粘结强度略微下降,干燥收缩和开裂性显著增大,90d干燥收缩值比对照组增大了17.2%,开裂指数是对照组的2.7倍,且裂缝宽度变大;抗冻性能下降,45个冻融循环后强度损失超过25%。在60%取代量时对砂浆改性后能满足性能要求。(2)随着纤维掺量增大,砂浆稠度和抗压强度下降;纤维对砂浆7d抗折强度提高较明显,但对28d抗折强度提升作用不明显;纤维的掺入有效降低了砂浆压折比,提高了砂浆韧性;砂浆干燥收缩以及开裂减小,抗冻性能提高。0.3%掺量时,90d干燥收缩较对照组降低21.3%;砂浆抗裂性能显著提高,未发现裂缝;45个冻融循环后,较对照组质量损失减少0.7%,强度损失减少7.1%。(3)随着可再分散胶粉和HPMC掺量增大,砂浆工作性提高,砂浆抗压强度和抗折强度降低;砂浆的压折比降低,显著提高了柔韧性;砂浆粘结强度、抗冻性均提升;胶粉掺量3%以及HPMC掺量0.3%时,砂浆干燥收缩较对照组虽然分别增大9.9%,12.2%,但并未引起开裂,由于其柔韧性高增强了砂浆的抗裂性。(4)在SEM下观察到铜尾矿砂和特细砂相比,含有较多针状、片状颗粒,表面更加粗糙,棱角分明,宏观性能表现为砂浆工作性下降;取代20%特细砂时铜尾矿砂的填充效应使砂浆密实度提高,宏观性能表现为砂浆抗压强度和抗折强度提高;40%、60%取代量时砂浆内部出现较大孔洞,界面过渡薄弱区域增多,砂浆强度下降;由于引气作用,掺入可再分散胶粉和HPMC的砂浆表面孔隙增多,宏观性能表现为砂浆抗压强度和抗折强度降低,干燥收缩增大;砂浆内部可以看到形成的聚合物膜将絮状凝胶体和氢氧化钙包裹起来,穿插各组分之间形成了三维空间网状结构,这些聚合物网状结构填充了孔隙以及裂缝,并将水化产物和集料紧密连接起来,界面过渡区更密实,砂浆的粘结强度、抗裂性、抗冻性得到改善。聚丙烯纤维有效阻碍了裂缝的产生以及扩展,但纤维表面光滑附着水化产物很少,与浆体界面粘结性差,周围出现较多间隙,导致砂浆抗折强度提升并不明显。(5)铜尾矿砂粘结砂浆最佳配合比为:铜尾矿取代量60%,粉煤灰掺量30%,6mm聚丙烯纤维掺量0.3%,可再分散胶粉掺量3%,HPMC掺量0.3%,灰砂比1:4。28d压折比2.97,与水泥砂浆原粘结强度0.68MPa,耐水粘结强度0.50MPa,与水泥发泡保温板原粘结强度0.14MPa。
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