铜渣粉的制备及其在超高性能混凝土中的应用研究

庄正勇

（中交第三航务工程局有限公司，广东 广州 518100）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）具有超高的强度、韧性和耐久性等。但是，UHPC原材料成本高、制备难度大等问题限制了其广泛应用。发展低成本UHPC对该材料的推广具有重要意义，国内外科研人员从辅助胶凝材料、骨料、纤维、设计理论等进行了研究。辅助胶凝材料研究方面，采用粉煤灰[1-3]、矿渣[4-5]部分取代水泥降低UHPC成本的方法已是国内外常用做法。Sharifeh等[6]研究了采用矿渣、粉煤灰，以及采用逐步法工艺制备了实用的、绿色低成本UHPC，基于粉体材料的最大密实度法实现UHPC力学性能最大化。Ahmed等[7]用粉煤灰、矿渣部分取代硅酸盐水泥制备UHPC，并研究了UHPC抗氯离子渗透和硫酸盐侵蚀性能。骨料研究方面，采用普通河砂、粗骨料部分或全部取代石英砂用于制备UHPC[8-9]，力学性能满足相关标准规定。目前，多种纤维也被用于取代镀铜钢纤维制备UHPC[10-11]，显著降低了UHPC的成本。

铜渣是炼铜过程产生的废渣，既有研究表明其具有一定的水化活性[12]，但坚硬难磨。本文研究利用振动磨粉磨得到铜渣粉，并与铜渣颗粒一起用于制备UHPC，为铜渣的资源化利用提供技术支持。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5水泥，泰州海螺水泥有限责任公司；石英砂：40～70目和70～140目按质量比1∶1混合后使用，安徽胜利石英砂有限公司；矿渣：S95级，扬州恒润钢厂；硅灰：SiO2含量95%，上海胜阔建筑材料有限公司；聚羧酸减水剂：固含量51.7%，江苏苏博特新材料股份有限公司；镀铜钢纤维：长13 mm，直径0.22 mm，端钩型，上海真强纤维有限公司；铜渣：粒径2 mm，天津市红桥区飞跃石料加工厂；六偏磷酸钠：分析纯，天津市鼎盛鑫化工有限公司；氢氧化钠：天津市鑫铂特化工有限公司；三乙醇胺：分析纯，上海苏懿化学试剂有限公司。

1.2 试验方法

铜渣粉磨与测试过程为：首先将助磨剂与铜渣颗粒按一定比例混合后放入料钵，并固定在振动磨机（型号GJ-1）上，粉磨完成后取部分试样用激光粒度仪（型号Bettersize2000S）测试粉体性质。UHPC制备：先将干材料倒入混凝土搅拌机干混1 min，注入1/2的拌合水和减水剂的混合液，搅拌1 min至干材料完全润湿，注入剩余的拌合水和减水剂的混合液，搅拌10 min。UHPC成型、养护（包括蒸汽养护和标准养护，除特别说明外本文均采用蒸汽养护）与测试：按T/CECS 10107—2020《超高性能混凝土（UHPC）技术要求》进行，按标准要求，UHPC蒸养后7 d抗折、抗压强度分别大于14.0、120.0 MPa。

2 试验结果与分析

2.1 铜渣粉的制备研究

分别掺加不同掺量的六偏磷酸钠、氢氧化钠和三乙醇胺振动粉磨60 min得到铜渣粉，分别测试铜渣粉比表面积、D10、D50、D90值，结果见表1。

由表1可见，随着助磨剂掺量增加，铜渣粉的比表面积增大，D10、D50、D90均有不同程度的降低，其中六偏磷酸钠的助磨效果优于氢氧化钠和三乙醇胺，各助磨剂掺量超过3%后助磨效果趋缓。由试验结果确定后续试验选用六偏磷酸钠作为助磨剂，掺量为3%。

2.2 铜渣粉对UHPC强度的影响

本部分测试硅灰掺量分别为5%、10%和15%时，铜渣粉掺量为5%～15%的UHPC的抗折、抗压强度。UHPC配合比如表2所示，试验结果如图1所示。

由图1可知，UHPC抗折、抗压强度随着铜渣粉掺量的增加而降低。对于硅灰掺量为5%的UHPC，铜渣粉在试验掺量范围内UHPC强度均未达到T/CECS 10107—2020的要求，铜渣粉掺量为5%时UHPC抗折、抗压强度最高；当硅灰掺量为10%、15%，铜渣粉掺量分别为5.0%～7.5%、5.0%～12.5%时，UHPC抗折、抗压强度均符合T/CECS 10107—2020的要求。基于性能和降低成本考虑，分别将硅灰5.0%与铜渣粉5.0%、硅灰10.0%与铜渣粉7.5%、硅灰15.0%与铜渣粉12.5%三组配合比作为后续试验的基本配合比。

表2 铜渣粉不同掺量的UHPC配合比 kg

2.3 铜渣细骨料对UHPC强度的影响

本部分采用未经粉磨的铜渣细骨料按0～100%等质量取代石英砂，测试铜渣细骨料对UHPC力学性能的影响，试验配合比如表3所示，结果如图2所示。

表3 铜渣细骨料不同掺量的UHPC配合比 kg

由图2可知，随铜渣细骨料掺量增加、石英砂掺量的减少，3种硅灰掺量的UHPC抗折、抗压强度略有提高，铜渣作为细骨料的UHPC强度优于石英砂。硅灰掺量为5%、铜渣细骨料不同掺量的各组UHPC抗折、抗压强度均不符合T/CECS 10107—2020的要求；硅灰掺量超过10.0%的各组UHPC强度符合T/CECS 10107—2020的要求。

2.4 养护方式对UHPC强度的影响

研究标准养护[温度（20±2）℃、相对湿度大于95%]28 d和蒸汽养护[温度（90±1）℃、恒温48 h]对UHPC强度的影响，试验结果如表4所示。

表4 养护方式对UHPC抗折、抗压强度的影响

由表4可知，各试验组的蒸汽养护抗折、抗压强度均高于标准养护强度，且蒸汽养护对UHPC抗压强度的提高程度高于抗折强度。这说明高温更有利于铜渣水化活性的激发。

3 结论

（1）六偏磷酸钠、氢氧化钠和三乙醇胺对铜渣均有助磨作用，振动磨粉磨60 min、3种助磨剂掺量超过3.0%以后助磨效果趋缓，其中六偏磷酸钠助磨效果较优。

（2）铜渣作为细骨料的UHPC强度优于石英砂，硅灰掺量在10%以上时，一定掺量铜渣粉作为辅助胶凝材料、原状铜渣作细骨料的UHPC强度可符合T/CECS 10107—2020的要求。