石墨尾礦水泥砂漿配合比的優化分析

劉洪波, 段厚瑞, 焦亞東, 王鐘銳,2

(1.黑龍江大學 建筑工程學院, 哈爾濱 150080； 2.黑龍江大學 審計處, 哈爾濱 150080)

0 引 言

我國建筑行業不斷發展，對砂石等原材料的需求也日益增加，為了減少天然砂資源的消耗，亟需尋找天然砂的替代品。我國的石墨開采量位于世界前列，黑龍江省天然石墨儲備量占全國天然石墨儲備量的43%左右[1-2]。石墨礦開采后會產生大量的石墨尾礦，由于石墨尾礦顆粒小并攜帶化學試劑，所以其堆積必然會對大氣、土體以及河流造成嚴重的污染和破壞[3]。用石墨尾礦替代砂子制備水泥基材料,既能減緩石墨尾礦對生態環境的破壞、減少建筑用砂量，又能節約建筑用砂的成本[4-5]。石墨尾礦相比砂子具有表觀密度大、粒徑小和礦物含量復雜等特點，必然會對水泥基材料的抗折強度、抗壓強度以及材料的孔隙分布和孔隙率造成不同程度的影響。

本文通過改變砂漿的水灰比和砂膠比，對試件進行宏觀抗壓抗折實驗，結合壓汞實驗對孔結構進行微觀分析，研究石墨尾礦對砂漿基本力學性能的影響，從而達到優化石墨尾礦水泥砂漿配合比的目的。

1 試驗方案

1.1 原材料

1.1.1水泥

試驗采用天鵝牌42.5普通硅酸鹽水泥，其主要化學成分如表1所示。

表1 水泥的主要化學成分

1.1.2骨料

試驗用砂為黑龍江省雙城區河砂，細度模數為2.5，表觀密度為2 620 kg·m-3。

石墨尾礦采自黑龍江省雞西市，表觀密度為2 855 kg·m-3，主要礦物成分如表2所示，主要化學成分如表3所示，骨料的主要物理性能如表4所示。

表3 石墨尾礦化學成分

表4 骨料的主要物理性能

1.1.3水

試驗采用黑龍江大學建筑工程學院材料試驗室自來水，符合試驗用水要求。

1.2 試驗配合比

試驗配合比如表5所示。

1.3 測試方法

試驗采用HYE-300b水泥膠砂恒應力試驗機，抗折強度試驗最大量程為10 kN，加載速度為(50±10)N·s-1，抗壓強度試驗最大量程為300 kN，加載速度為(2 400±200) N·s-1。采用Auto Pore IV 9500自動壓汞孔測定儀對試件的孔隙率和孔徑分布進行測試。

表5 1 m3石墨尾礦水泥砂漿配合比

2 試驗現象和結果

2.1 不同水灰比對石墨尾礦水泥砂漿基本力學強度的影響

圖1和圖2為不同水灰比的石墨尾礦砂漿在養護7和28 d后的抗折強度和抗壓強度，由圖可知，水灰比越大，砂漿的抗折強度和抗壓強度越小，水灰比越小，砂漿的抗折強度和抗壓強度越大。

圖1 不同水灰比石墨尾礦砂漿的抗折強度

圖2 不同水灰比石墨尾礦砂漿的抗壓強度

在配制水灰比為0.3的砂漿時，砂漿的抗折強度和抗壓強度隨石墨尾礦摻量的增加先升高后降低。在試件養護7和28 d時，當石墨尾礦摻量為20%，砂漿的強度提升最明顯，抗折強度分別提升12.7%和27.0%，抗壓強度分別提升9.6%和7.2%。水灰比為0.5的砂漿養護7 d后，石墨尾礦的摻入對砂漿的抗折強度幾乎無影響，但是降低了砂漿的抗壓強度，當石墨尾礦摻量為30%時，砂漿的抗壓強度降低8.2%；在試件養護28 d時，砂漿的抗折強度隨石墨尾礦摻量的增加先升高后降低，石墨尾礦摻量為20%時，砂漿的抗折強度提升13.2%，而石墨尾礦對砂漿的抗壓強度幾乎沒有影響。

由以上試驗現象可以得到，石墨尾礦更適于摻入水灰比低的砂漿中，此時自由水含量少，利于小粒徑的石墨尾礦與大粒徑的砂子和更小粒徑的水泥顆粒形成更為合理、緊密的顆粒級配。石墨尾礦表面粗糙，在合理的顆粒級配中與砂子和水泥水化生成C—S—H凝膠，產生更大的摩擦力和化學膠著力，試件內部更加致密，斷裂破壞所需要的能量也就更多[6]，所以砂漿抗折強度和抗壓強度得到明顯提升。將石墨尾礦摻入到水灰比較高的砂漿中，抗折強度提升緩慢，砂漿養護到28 d時，石墨尾礦對其強度的提升才顯現出來；而石墨尾礦對砂漿抗壓強度的影響具有滯后性，砂漿養護7 d時，石墨尾礦的摻入降低了砂漿的抗壓強度，砂漿養護28 d時，石墨尾礦砂漿的抗壓強度與未摻石墨尾礦的砂漿幾乎一致。

2.2 不同砂膠比對石墨尾礦水泥砂漿基本力學強度的影響

圖3和圖4分別為不同砂膠比的石墨尾礦砂漿在養護7和28 d后的抗折強度和抗壓強度，由圖可知，隨著砂膠比的增大，砂漿的抗折強度和抗壓強度均降低。對于未摻石墨尾礦的砂漿試件，砂膠比從1.5提升到2.25時，抗折強度和抗壓強度分別降低14.4%和15.4%；砂膠比從2.25提升到3時，抗折強度和抗壓強度幾乎沒有變化，僅分別降低2.1%和4.6%。

圖3 不同砂膠比石墨尾礦砂漿的抗折強度

圖4 不同砂膠比石墨尾礦砂漿的抗壓強度

當砂膠比為1.5和2.25且試件養護到7 d時，石墨尾礦的摻入對砂漿抗折強度和抗壓強度的影響不明顯，即摻有石墨尾礦的砂漿與未摻石墨尾礦砂漿的抗折強度和抗壓強度幾乎一致；當砂膠比為2.25且試件養護到28 d時，石墨尾礦的摻入對砂漿抗折強度的影響不明顯，但是隨著石墨尾礦摻量的增加，砂漿的抗壓強度下降，石墨尾礦摻量為30%時，抗壓強度下降最明顯，下降14.3%。當砂膠比為3時，隨著石墨尾礦摻量的增加，砂漿的抗折強度和抗壓強度一直下降，且石墨尾礦摻量為30%時，下降最明顯。在試件養護7和28 d時，砂漿的抗折強度最大分別下降6.5%和9.7%，抗壓強度最大分別下降20.6%和12.4%。

由以上試驗現象可知，隨著砂膠比的增大，石墨尾礦摻量的增加，砂漿的抗折強度和抗壓強度均下降。砂漿試件中，細骨料的比例提高，細骨料中石墨尾礦的比例提高，增大了細骨料整體的比表面積，吸附大量的自由水，致使砂漿近似于干硬性砂漿，砂漿振搗成模后，其內部仍有因流動性不足而導致的空隙，并且砂漿中水泥水化所需要的水一部分來自于養護室的水蒸氣，導致砂漿內外水化不均勻，砂漿的外表面水化充分且密實，從而阻止水向未水化的砂漿內部遷移，砂漿內部的孔隙沒有因水化反應生成的C—S—H凝膠和鈣礬石填充而造成砂漿強度降低。

2.3 壓汞試驗

對于石墨尾礦摻量為0和20%、養護28 d的兩個砂漿試件(SJ410和SJ412)，其壓汞試驗結果分別如表6和圖5所示。

表6 SJ410和SJ412砂漿試件的孔徑分布

圖5 石墨尾礦砂漿孔徑分布Fig.5 Pore size distribution of graphite tailings mortar

吳中偉院士將水泥基材料的孔徑分為四級：無害孔(<20 nm) 、少害孔( 2～100 nm) 、有害孔(100～200 nm) 和多害孔(>200 nm)[7]。A20試件的孔隙率略微低于A00試件，且A20的孔徑分布優于A00，即A20試件大于200 nm的孔低于A00，A20試件小于20 nm的孔多于A00。以上壓汞試驗現象表明，摻有石墨尾礦砂漿試件的孔隙結構略優于未摻石墨尾礦的砂漿試件。這與本課題組前期的研究結果[8]一致。

3 討論與分析

本研究將石墨尾礦部分替代砂漿中的砂子，制成的石墨尾礦水泥砂漿材料體系近似混凝土：砂漿中的粗、細骨料為砂子和石墨尾礦，混凝土中的粗、細骨料為石子和砂子，石墨尾礦的替代率近似于砂漿中混凝土的砂率。因此，將混凝土砂率有關的結論應用于石墨尾礦砂漿中較為合理。危加陽等的研究結果顯示，砂率不僅可以根據規范查找，還可以進行計算得出[9]。利用公式計算混凝土的砂率能夠間接考慮砂子的整體級配[6]，并且涉及的砂石性能參數不多，計算簡便，但是公式未考慮砂石的顆粒形狀、最大公稱粒徑以及混凝土的水灰比，撥開系數人為確定，誤差大。由于石墨尾礦和砂粒徑小，顆粒均為球狀，二者的最大公稱粒徑恒定(石墨尾礦粒徑不大于1.25 mm、砂子粒徑不大于2.50 mm)，將公式應用于石墨尾礦砂漿中較為合理。石墨尾礦砂漿中砂的孔隙率、堆積密度、表觀密度為公式中混凝土里石子的孔隙率、堆積密度和表觀密度，石墨尾礦的堆積密度為混凝土中砂的堆積密度，計算得到的βS為砂漿中石墨尾礦的替代率，石墨尾礦和砂的表觀密度與堆積密度如表4所示。計算砂漿中砂的孔隙率為37.8%，計算得到的βS為28.2%～33.3%。而石墨尾礦的二氧化硅含量為56.78%，河砂的二氧化硅至少為65%以上，所以石墨尾礦的強度低于河砂，計算得到的石墨尾礦替代率應適當折減，折減系數應小于56.78/65=0.87，即合理的石墨尾礦替代率βGT如式(1)和式(2)所示：

(1)

(2)

式中：P′為砂漿中的砂子的孔隙率；ρ′GT為砂漿中石墨尾礦的堆積密度；ρS為砂漿中砂子的表觀密度；ρ′S為砂漿中砂子的堆積密度；K′為砂漿中石墨尾礦的撥開系數，K′取值一般為1.1～1.4。

計算得到βGT取值區間為22.5%～26.6%，即理論上石墨尾礦最優替代率為22.5%～26.6%，而本實驗中石墨尾礦最優替代率為20%，接近理論最優值，實驗結果與理論值相吻合。

通過對本文石墨尾礦配合比(表5)進行分析，砂漿的砂膠比從1.5到3，砂漿單位體積中的水泥漿體質量減少了30.6%，同時骨料質量增加了38.7%，而石墨尾礦的摻量從0增長到30%，砂漿中單位體積石墨尾礦的含量會更多，且石墨尾礦比表面積過小，顆粒表面吸收水分的能力強，且含有較多的輕質顆粒[10]，極易被壓碎，導致砂漿工作性能急劇降低，砂漿近似于干硬性砂漿，使得砂膠比越大且石墨尾礦摻量越大，石墨尾礦水泥砂漿的強度越低。

4 結 論

對摻入不同水灰比和砂膠比砂漿的基本力學強度進行了分析，得到了優化石墨尾礦水泥砂漿配合比的規律：

(1) 在水灰比和砂膠比都低時，石墨尾礦能夠提升砂漿的抗折強度和抗壓強度；水灰比為0.3、砂膠比為1.5時，砂漿強度隨石墨尾礦摻量的增加先升高后降低，石墨尾礦最優摻量為20%，且砂漿抗折強度和抗壓強度分別提升27.0%和7.2%;

(2) 為合理利用石墨尾礦，配制石墨尾礦水泥砂漿時需綜合考慮水灰比、水泥漿體質量與骨料質量比值以及石墨尾礦的摻量。