不同激发方式下锂渣基水泥砂浆的力学性能研究.pdf

33：2023年4月试验与研究江西建材不同激发方式下锂渣基水泥砂浆的力学性能研究王愉清万年县恒泰商品混凝土有限公司，江西万年335500摘要：为研究不同激发方式对江西所产的锂云母锂渣力学性能的影响，文中分别探究了在磨细及碱激发剂作用下锂渣基水泥胶凝材料的抗压强度，测试锂渣粉掺量为2 0%，碱激发剂掺量为0、1.0%、2.0%、3.0%及研磨时间为0、30 min、6 0 m i n 时锂渣基水泥胶凝材料的抗压强度，结果表明：（1）研磨锂渣有利于提高锂渣基水泥砂浆的抗压强度，且抗压强度随着研磨时间的增加呈线性增加；同一研磨时间时，抗压强度增长幅度在前期龄期较大，后期有所降低；（2）Na,SiO，可激发锂渣粉的火山灰活性，促进锂渣基水泥砂浆抗压强度的发展。关键词：锂云母锂渣；研磨；碱激发；抗压强度中图分类号：TU525文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 90（2 0 2 3）0 4-0 0 33-0 3Mechanical Properties of Lithium Slag Based Cement Mortar UnderDifferent Excitation ModesWang YuqingWannian Hengtai Commercial Concrete Co.Ltd.,Wannian,Jiangxi 335500Abstract:In order to study the influence of different excitation methods on the mechanical properties of Li-mica lithium slag produced inJiangxi,the compressive strength of Li-slag-based cementitious material under the action of grinding and alkali activator was investigatedrespectively.The compressive strength of lithium slag-based cement was tested when the content of lithium slag powder was 20%,the contentof alkali activator was 0,1.0%,2.0%,3.0%,and the grinding time was 0,30min,60min.The results showed that:(1)lapping lithium slagwas beneficial to improve the compressive strength of lithium slag-based cement mortar,and the compressive strength increased linearly withthe increase of grinding time.At the same grinding time,the increase of compressive strength is larger in the early stage,but decreases in thelate stage.(2)NaSiO,can stimulate the pozzolanic activity of lithium slag powder and promote the development of compressive strength oflithium slag based cement mortar.Key words:Lepidolite lithium slag;Grinding;Alkali excitation;Compressive strength0引言锂电池的生产常以硫酸法或食盐法对锂矿石进行提锂，该过程会产生大量锂渣11,因此，锂渣产量也逐年增加。急剧增加的的锂渣不仅占用土地资源，还会对土地、水等资源造成污染，既加大企业生产成本，又不利于生态环保 2 。目前，我国已对锂渣的综合利用进行了研究，以在建材制造等相关领域的应用为主，如锂渣作为活性混合材应用于水泥、水泥砂浆、混凝土、陶瓷和建筑陶粒等建筑材料的制备 3。HeZH等 4 研究表明，混凝土中锂渣掺量小于2 0%时，可以起到提高混凝土后期强度、细化混凝土孔结构、提高混凝土弹性模量、降低混凝土的渗透性等作用。吴福飞等 5 1通过研究锂渣掺量对水化产物及砂浆力学性能的影响，得出以2 0%30%锂渣等质量替代水泥后可改善水泥、混凝土的性能。除了基本性能研究，王雪等 6 对锂渣资源化利用进行了归纳，发现产地不同的锂渣其特性也有较大差别，我国锂渣主要分为锂辉石提锂渣和锂云母提锂渣，其中采用锂辉石酸法制备得到的锂辉石提锂渣由四川、新疆等地所产，而采用食盐作者简介：王愉清（198 5-），男，江西万年人，大专，主要研究方向为混凝土。压煮法制备得到的锂云母提锂渣由江西所产。李保亮等 7 研究发现，采用锂辉石酸法制备的锂渣，其最主要物相为锂辉石（HA I Si 2 0。），质量分数为6 5%7 0%。而采用食盐压煮法制备的锂渣，其主要晶相是方沸石 6 。江西省锂云母矿产丰富，提高锂渣的综合利用率具有重要意义。但是，锂渣的活性远不及水泥，导致锂渣基水泥胶凝材料的早期力学强度下降明显，一定程度上限制了锂渣的应用 8 。史才军(9】和阎培渝等10 1发现，采用化学激发、磨细或高温蒸养等方式激发矿物掺合料，均能提高其活性。因此，本文用不同激发方式激发江西所产的锂云母提锂渣，研究磨细及碱激发剂对锂渣基水泥胶凝材料的激发效果，以期为提高锂云母锂渣的活性及锂渣基水泥胶凝材料的性能改善提供有效的方案。1原材料与实验方法1.1原材料水泥采用江西某公司生产的42.5 级普通硅酸盐水泥，其3d、2 8 d 的抗压强度分别为35.9MPa、5 8.2 M P a。锂渣粉采用江西赣锋锂业股份有限公司的锂云母锂渣，外观为淡黄色的粉末，比表面积为346 m/kg。水泥及锂渣粉的化学成分见表1。碱激发剂采用Na2SiO3，为市售的分析纯试剂，掺人质量分数分别为1%、2%、3%。342023年4月试验与研究江西建材表1水泥及锂渣粉的化学成分%材料CaoA1,03Fe,O;SiO,MgOSO,K,0Na,0LOI水泥56.876.594.0521.742.762.130.760.34.8锂3.022.60.849.60.320.33.511.78.18渣粉1.2水泥胶砂的制备锂渣基水泥胶砂的制备分两组：第一组是分别以研磨时间为30 min、6 0 m i n 时的锂渣粉等质量代替水泥，其中锂渣粉掺量为2 0%，然后用锂渣粉和水泥组成的胶凝材料，再配以标准砂和自来水制备锂渣基水泥胶砂试块；第二组用掺量为2 0%的锂渣粉、8 0%的水泥组成的胶凝材料，分别外掺质量分数为1%、2%、3%的NazSi03，再配以标准砂和自来水制备锂渣基水泥胶砂试块。1.3试验方法锂渣研磨时采用行星式球磨机，分别球磨30 min、6 0 m i n。成型时，按照试验配比称量相应材料，然后用水泥胶砂搅拌机搅拌，制备立方体胶砂试块。立方体试块成型2 4h后拆模，后在标准养护条件下分别养护0、3d、7 d、2 8 d、6 0 d、90 d，并参照GB/T17671一2 0 2 1水泥胶砂强度检验方法（ISO法），测试锂渣基水泥胶砂试块的抗压强度。2结果与分析2.1锂渣粉研磨时间对水泥砂浆抗压强度的影响分别将研磨时间为30 min、6 0 m i n 的锂渣粉，以2 0%质量比取代水泥，并将其养护至设定龄期后，测试其抗压强度，试验结果如图1所示。565452504846444240-3d387d36:28d34-60d32.90d302826242203060研磨时间/min图1锂渣粉研磨时间对水泥砂浆抗压强度的影响由图1可知，在锂渣粉取代率均为2 0%时，养护3d、7 d、28d、6 0 d、90 d 的锂渣基水泥砂浆的抗压强度均随着研磨时间的增加而增加，且表现为线性增加。可能是随着研磨时间的增加，使得锂渣的平均粒径降低，因而可以得到直径较小、比表面积较大的锂渣微粉。又当水泥颗粒中掺入直径细小的锂渣颗粒后，可将较大颗粒间的孔隙填满，并使得颗粒与颗粒间的网状结构逐渐形成，进一步使得砂浆内部结构更加紧密，最终表现为锂渣基水泥砂浆的抗压强度提高 11。通过比较养护3d、7 d、28d、6 0 d、90 d 的增长曲线可知，3d龄期时，锂渣基水泥砂浆的抗压强度随研磨时间的增长幅度最大，其中研磨30 min时，与未研磨相比，抗压强度增加了14.8%。研磨6 0 min时，与研磨30 min相比，抗压强度增加了17.6%。而在7 d、2 8 d、6 0 d、90 d龄期时，研磨时间0 30 min与研磨时间30 6 0 min这两个阶段，锂渣基水泥砂浆的抗压强度增长幅度很接近。由图1可知，相同研磨时间下，锂渣基水泥砂浆的抗压强度随着龄期增长而增加，但是增长幅度表现为先增后减，尤其是在龄期2 8 d时增长最明显。这主要是因为锂渣被研磨后其火山灰活性得以提高，被磨成细小颗粒的锂渣在养护初期就参与了水泥的水化反应，导致前期的水化反应比较充分，抗压强度得到提升，使得反应后期的提升空间有限11。总的来说，锂渣研磨后，使得锂渣的比表面积增大，一方面会使水泥反应产生的水化产物层变薄，可促进水化反应的进行 12 ；另一方面，比表面积越大，越有利于锂渣中的活性SiO2、A l,0，等与水泥水化产物Ca（O H）2 进行二次水化反应，在宏观上表现为提高抗压强度 132.2Na,SiO3量对水泥砂浆抗压强度的影响表2 为锂渣粉掺量为2 0%,Na2Si03掺量分别为0、1%、2%、3%时，纯水泥砂浆试样L0、掺2 0%锂渣粉的锂渣基水泥砂浆试样LNS-0、L NS-1、L NS-2 及LNS-3的抗压强度结果，其中编号LO、L NS-O 均为对照组。表2配合比及试验结果试样Na,Sio;抗压强度/MPa编号掺量/%3d7d28d60d90dLO023.727.840.945.747.4LNS-O020.322.444.649.149.9LNS-1124.529.448.254.255.0LNS-2223.430.246.451.050.8LNS-3321.627.043.848.347.1由表2 可知，相比于不掺Na2SiO的试样LNS-0，掺有Na2SiO,的试样LNS-1、L NS-2、L NS-3的抗压强度在各个龄期整体有所提高，且3d、7 d、2 8 d、6 0 d、90 d 的抗压强度均随着Na,SiO，掺量的增加呈先增后减的趋势。当NazSiO3掺量由0 增至1%时，试样LNS-1在各个龄期的抗压强度均超过纯水泥砂浆试样LO及不掺NazSiO，的试样LNS-O；随着NazSiO，掺量增至2%时，试样LNS-2在各个龄期的抗压强度低于试样LNS-1；随着NazSiO，掺量增至3%时，试样LNS-3在各个龄期的抗压强度依旧降低，且在2 8 d、6 0 d、90 d，试样LNS-3的抗压强度低于不掺Na2SiO,的试样LNS-O，仍高于或接近纯水泥砂浆试样LO的抗压强度，说明锂渣基水泥砂浆的后期强度发展较好，同时Na2SiO，对锂渣基水泥砂浆具有一定的激发作用。这是因为锂渣中的SiO4、A 1O 4四面体在碱性环境中会解聚生成H,SiO和H,Al02-,且生成的H,Si4和HAlO会与Ca2、Na反应生成沸石类的水化产物，这一过程使得锂渣中的Si-O键、A1-0键不断被破坏，促进了锂渣的二次水化反应 14。从表2 中还可知，在同样的外加剂掺量下，锂渣基水泥砂浆的抗压强度随着龄期发展整体呈上升的趋势，试样LNS-2及试样LNS-3在90 d龄期时除外。综上可得，外掺Na2SiO，对于锂渣基水泥砂浆各个龄期的抗压强度均有一定的增强作用，但NazSiO，对锂渣基水泥砂浆的激发效果存在最佳掺量。3结论（1）研磨锂渣可有效激发锂云母锂渣粉的火山灰活性，进而提高锂渣基水泥砂浆的抗压强度，且抗压强度随着研磨时间的增加呈线性增加。同一研磨时间下，锂渣基水泥砂浆的抗压强度随着龄期增长而增加，且在前期时增长幅度较大，2 8 d后增长幅度有所降低。（下转第40 页）40行业资讯上接第34页）2023年4月试验与研究江西建材裹集料，从而提升混凝土的强度；当混凝土的水灰比一致时，砂石骨料中石粉含量越多，水泥浆液的浓度越高，其粘聚性越好，也在一定程度上增加了混凝土的强度；石粉可以有效改善砂石骨料的表面粗糙、级配不良等缺陷，以此提升砂石骨料的堆积密度，这样配制出的水泥浆液的密实度更加优越，所以成型后的混凝土抗压强度较好；如果砂石骨料中石粉的细度和水泥一致时，石粉就会发生微集料效应，对水泥水化阶段有一定加速作用，侧面提升了混凝土抗压强度。在实际的建筑工程中，不能为了提升混凝土的抗压强度，随意增加砂石骨料中石粉含量，还需综合考虑石粉含量对水泥砂浆流动性以及混凝土收缩性能的影响。3结论综上所述，以机制砂为代表的砂石骨料中的石粉含量，会对混凝土的工作性能、力学性能以及耐久性产生直接影响。如果混凝土的收缩性与抗压强度未达标，将会导致混凝土的使用寿命显著缩减。所以在建筑工程中，要提升混凝土的安全性与稳定性，确保混凝土各项指标满足施工要求，必须重视砂石骨料的检测工作，明确石粉含量对混凝土造成的不利影响，以此（2）在锂渣基水泥砂浆中掺人Na2SiO,亦可激发锂渣粉的火山灰活性，当NazSiO，掺量1%时，掺碱激发剂的锂渣基水泥砂浆在各个龄期的抗压强度均优于纯水泥砂浆及不掺NazSiO，的锂渣基水泥砂浆的抗压强度，说明碱激发对于锂渣基水泥砂浆的强度发展具有积极意义。参考文献1段亚军，向丛阳，王银，等.锂渣作为水泥混合材的研究与应用J】.中国水泥，2 0 2 2（7）：6 9-7 1.2石齐，黄沙，梁建军，等，不同种类锂渣粉对混凝土性能的影响研究J】.江西建材，2 0 2 0（11）：31-33.3陈志友，苏小琼，杨志文，等.锂云母锂渣性质及利用研究现状J】.硅酸盐通报，2 0 2 1，40（3）：8 7 7-8 8 2.4He Z H,Li L Y,Du S G.Construction and Building Materials,2017(147):296.5吴福飞，侍克斌，董双快，等.掺合料和水胶比对水泥基材料水化产物和力学性能的影响J.农业工程学报，2 0 16（4）：119-126.科研人员开发出可降解的新型玻璃氨基酸和肽是内源性生物分子，长期以来被认为是环保和可生物循环再利用的。近日，中科院过程工程研究所研究员闫学海带领团队以氨基酸或肽衍生物为原料，开发出一种可生物降解、生物循环再利用的新型玻璃。这种生物分子玻璃，目前仍处于实验室研究阶段。玻璃在生活中无处不在，广泛应用于各个领域。然而，商用无机玻璃，以及聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）有机玻璃不可生保障工程质量。参考文献【1】郡然，廖记登，吴小勇，等.基于卷积神经网络的砂石骨料分类方法研究J】.激光与光电子学进展，2 0 2 1，5 8（2 0）：2 11-218.2孙道胜，李泽英，刘开伟，等.再生粗骨料的形态及缺陷对再生混凝土干燥收缩和力学性能的影响 J】.材料导报，2 0 2 1,35（11)：1102711033,11056.3张跃宏，刘松辉，王上，等.煤气化炉渣骨料对水泥砂浆力学性能的影响机理J】.功能材料，2 0 2 1，5 2（5）：5 0 91-5 0 96，5104.4胡进武，吴耀辉，李果，等.灰岩骨料中碳质薄膜对混凝土性能影响研究J.人民长江，2 0 2 1，5 2（10）：2 14-2 19.5朱兆坤，高旭，范小春，等.骨料包浆预处理对礁石混凝土性能的影响J.硅酸盐通报，2 0 2 2，41（10）：3436-3444.【6 吴跃文.砂石骨料对混凝土性能的影响与检测J】.砖瓦，2 0 2 2(7):39-41.6王雪，王恒，王强.我国锂渣资源化利用研究进展【J.材料导报，2022,36（2 4):5 9-6 9.7李保亮.水泥镍渣一锂渣二元及三元复合胶凝材料的水化机理及耐久性【D.南京：东南大学，2 0 19.【8 宁灵，康佳，张一帆，等.微波养护对锂渣水泥水化性能的影响J】.江西建材，2 0 2 1（10）：34-35.【9史才军碱激发水泥和混凝土【M.北京：化学工业出版社，2008.【10】阎培渝，王强.高温养护对钢渣复合胶凝材料早期水化性能的影响J】.清华大学学报（自然科学版），2 0 0 9，49（6）：7 90-793.【11 万军,朱安南.锂渣对水泥砂浆力学性能的影响研究J.混凝土，2022（7):130-133.12 Lawrence P,Cyr M,Ringot E.Cement and Concrete Research,2003,33(12):1939.【13翟莹，苗苗，肖立鲜.锂渣细度对掺减水剂的水泥浆体流变性能的影响J.材料导报，2 0 2 0，34（18）：18 0 5 6-18 0 5 9，18 0 8 0.【14】吴福飞，王欣，陈亮亮，等.碱锂渣混凝土的孔径分布与活性评价J】.水电能源科学，2 0 16，34（1）：119-12 2，110.物降解，长期存在于环境中，将带来环境污染。研究人员将氨基酸或肽衍生物在惰性氛围内进行“熔融-淬火”处理，通过对加热和冷却速率的精确控制，在达到它们的分解温度之前，熔化为过冷液体，最终通过淬火形成玻璃，并有效地防止了结晶。该生物分子玻璃具有优异的玻璃成型能力和光学特性，并且适用于3D打印增材制造和模具浇筑。此外，与目前广泛使用的商用玻璃和塑料材料相比，生物分子玻璃表现出较高的生物相容性、生物可降解性和生物循环再利用特性。实验证实，生物分子玻璃能够被堆肥中的微生物降解和再利用。同时，将其植入小鼠模型皮下，也能逐渐被降解吸收。来源：中国科学报