铜尾矿砂制备装配式建筑用高强灌浆料的研究★

贺 晟，赵凯凯，范鹏飞

(1.山西省建筑科学研究院集团有限公司,山西 太原 030001; 2.山西舜王建筑工程有限公司,山西 运城 043700)

随着装配式建筑概念的逐渐深入人心,建筑行业对高性能建材的需求也越来越迫切。装配式建筑的构件连接方式主要采用套筒灌浆连接。传统的灌浆材料往往采用高品质的石英砂,配合胶凝材料和各种助剂,生产成本较高,研发一种基于工业固废材料的高强度无收缩混凝土灌浆料,以适应装配式建筑的需要,具有重要的现实意义和深远的发展前景。本项目旨在将工业固废材料转化为高性能建材,在提高资源综合利用效率的同时,满足建筑行业对于性能优越的建材的需求。中条山铜尾矿砂采自地下百米的岩石,具有岩石母材强度高、无有害杂质的优点,通过在混凝土灌浆料中引入铜尾矿砂,不仅可以有效减少固废的堆放,还可以降低原材料成本,提高环境友好性。同时,优化灌浆料的性能,使其满足装配式建筑的施工需求,有助于提升建筑结构的稳定性、耐久性和安全性,为装配式建筑行业的可持续发展提供有力支持。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥1:42.5级普通硅酸盐水泥(金隅冀东水泥),其化学性能和物理性能见表1,表2。

表1 普通硅酸盐水泥的化学成分 %

表2 普通硅酸盐水泥的物理力学性能

水泥2:42.5级快硬硫铝酸盐水泥(山西金源工程材料有限公司),其化学性能和物理性能见表3,表4。

表3 快硬硫铝酸盐水泥的化学成分 %

表4 快硬硫铝酸盐水泥的物理力学性能

石英砂:细度模数1.5,堆积密度1 570 kg/m3,吸水率1.1%。铜尾矿砂(中条山有色金属集团公司):表观密度2 710,石粉含量(质量分数)12.5%,细度模数0.8,其化学成分见表5。减水剂:粉状聚羧酸高性能减水剂(山西万荣),掺量为水泥质量的0.2%。消泡剂:有机硅消泡剂(山西万荣),掺量为水泥质量的0.01%。

表5 铜尾矿砂的化学成分 %

1.2 试验方法

灌浆料的各项性能按照JG/T 408—2019钢筋连接用套筒灌浆料进行试验。试件成型实验室的环境温度控制在(20±2)℃,相对湿度大于60%,养护室的温度控制在(20±1)℃,相对湿度大于90%。流动度试验搅拌机应符合JC/T 681的要求,抗压强度的试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,试验按GB/T 17671中的相关要求执行,竖向膨胀率试验采用接触式测量法,将灌浆料装入专用试模后,采用千分表测量变形。

2 试验研究结果及分析

2.1 铜尾矿砂代替传统石英石对灌浆料各项性能的影响

通过试验,分别研究铜尾矿砂按不同比例代替石英砂时,对灌浆料性能的影响幅度和物理力学性能的变化,替代率选择0%,10%,30%,50%,70%,90%,100%七个数值。检测试验结果列于表6。

表6 铜尾矿砂替代率对灌浆料物理性能的影响

根据表6的试验数据分析,试验过程中保持相同的水灰比,铜尾矿砂对石英砂的替代率从0%提高到100%,灌浆料的流动度从385 mm降到255 mm,30 min流动度保留值也从360 mm下降到200 mm。当铜尾矿砂的替代率为90%和100%时,初始流动度低于300 mm,已经不能满足装配式建筑用JG/T 408—2019钢筋连接用套筒灌浆料的技术要求。究其原因,主要有以下三点:1)受开采工艺的局限,铜尾矿需要磨细后才能进行铜的提取,虽然铜尾矿砂已经是筛析出的粗颗粒,但与传统的石英砂相比,还是粒度要细很多。较细的铜尾矿砂需要更多的水泥浆来包裹。2)铜尾矿砂经机械破碎后,颗粒的微观形态还是不规则形状的,颗粒之间的摩擦效应增大,不利于灌浆料浆液的流淌。3)铜尾矿砂虽然没有泥土等有害杂质,但还存在一定数量的石粉含量,经多次抽查,如果筛分过程控制得当,石粉含量(质量分数)能控制在8%～12%之间。不可全部分离的石粉吸附了部分聚羧酸减水剂,导致减水和保坍效果降低[1]。

装配式建筑用灌浆料的钢筋握裹力和抗压强度一般认为是正相关的,JG/T 408—2019要求28 d抗压强度达85 MPa以上,实际生产控制中也是希望灌浆料的抗压强度越高越好。根据表6数据分析,尾矿砂的使用量提高后,灌浆料的强度明显降低,当尾矿砂的替代率达到90%时,灌浆料的性能已经不满足JG/T 408—2019钢筋连接用套筒灌浆料的规定。为了降低装配式建筑用灌浆料的生产成本,并综合考虑灌浆料的物理力学性能,选取铜尾矿砂替代传统石英砂的比例为70%。

2.2 水灰比对灌浆料性能的影响

由于采用了聚羧酸减水剂的粉状减水剂,在低掺量的情况下就能实现高性能的减水效果,经过一系列的研究试配,并参考其他学术论文的研究数据[2],在基本配比维持稳定的前提下,适当改变灌浆料的水灰比,研究不同水灰比对灌浆料各龄期抗压强度的影响程度,测试结果列于表7,图1。

表7 水灰比对铜尾矿水泥基灌浆料工作性和力学性能影响的实验结果

表7所列的试验数据选择了5个典型的水灰比试验结果,不同水灰比的试验结果差距明显。对于普通的混凝土配比,水灰比越高、强度越低,规律性明显。但从表7数据和图1的强度变化分析判断,灌浆料的水灰质量比与抗压强度的变化规律并不是单纯的线性关系。按0.27的水灰质量比成型的试件强度反而低于0.28的水灰质量比试件,28 d抗压强度在不同水灰比下的变化曲线明显产生一个峰值。分析其原因,应该是灌浆料浆液体系与普通混凝土存在差异,由于骨料颗粒较细,太低的水灰比导致水泥浆流动性降低,骨料与水泥浆体之间黏结程度下降,从而抗压强度降低。增加用水量,当水胶质量比达到0.30或0.31以后,拌合物搅拌过程中流动性增大,但停止搅拌后,很快出现离析泌水现象,拌合物分层离析,均匀性较差,流动度损失很多,抗压强度也随之降低[3]。综合考虑各因素,在满足抗压强度指标的前提下,将铜尾矿砂水泥基灌浆料的水灰质量比确定为0.29。

2.3 灰砂比对灌浆料性能的影响

灰砂比是指灌浆料中胶凝材料与骨料的质量比,是灌浆料配制和生产的一个重要参数。确定了各种组成材料的实际用量,才能扬长避短,尽量降低灌浆料的生产成本,实现节约原则。铜尾矿砂替代率为70%,水灰质量比为0．29,不同灰砂比的试配结果列于表8。

表8 灰砂比对铜尾矿水泥基灌浆料工作性和力学性能的影响

根据表8数据分析判断,灰砂质量比从1.1下降到0.8,铜尾矿砂灌浆料流动度从325 mm下降到290 mm,30 min流动度保留值也出 现降低趋势。当灰砂质量比为0.8时,流动度初始值低于300 mm,30 min后流动度变为265 mm,已经不满足JG/T 408—2019钢筋连接用套筒灌浆料标准要求。骨料经过多次级配,形成颗粒粒径连续均匀的分布布局,粗颗粒搭设骨架,细颗粒进行填充,粉末颗粒及水泥颗粒进一步填充,提高硬化浆体整体的密实度,各组分共同作用,对强度的提高形成合力。灰砂比的降低虽然可以降低灌浆料的生产成本,但也直接导致了水泥浆液越来越少,一方面微小孔洞不能有效填充,不利于整体骨架的形成,另一方面,浆液在整个拌合物体系中的包裹和润滑作用大幅减弱,使得灌浆料流动性下降,这也是工业固废材料经常出现的共性问题[4]。如果工程现场为了保证流动度,被迫加入额外的水,更会导致各龄期抗压强度的急剧降低,甚至发生工程事故。综合上述考虑各方面因素,将灌浆料的灰砂质量比确定为0.9。

3 结论

1)铜尾矿砂的岩石母材强度高、无有害杂质,尾矿砂部分替代传统石英砂,用于生产装配式建筑用混凝土灌浆料,具有技术可行性和经济价值。2)水灰质量比0.29,灰砂质量比0.9,铜尾矿砂代替率70%时,添加适当的化学助剂,铜尾矿砂灌浆料的流动度、强度、膨胀率等均满足JG/T 408—2019的各项性能要求。