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混凝土材料收缩开裂问题一直以来困扰着科研工作者及工程技术人员,无论是试验研究还是实际工程应用都展现出了MgO膨胀剂在补偿混凝土收缩,提高混凝土耐久性方面的优势,目前MgO膨胀剂已成功应用于多个水工大体积混凝土工程,取得了较好的经济和社会效益。菱镁矿是煅烧制备MgO膨胀剂时应用最为广泛的原材料,但因资源可持续化发展要求及环境问题的出现,政府加大了对菱镁矿开采的控制,菱镁矿的产量将维持现有水平或略有减少,与此同时,开矿过程产生的大量低品位菱镁矿以及废弃矿无法有效利用,给矿区造成严重的环境问题。因此,研究低品位废弃菱镁矿在制备MgO膨胀剂上的应用对矿产资源的有效利用及环境压力的缓解具有十分重要的现实意义。 本文采用菱镁矿尾渣、滑石毛料、海镁废弃矿、粉子山废渣和西源村废矿五种低品位菱镁矿制备MgO膨胀剂,研究其组成、微观结构、活性及膨胀特性,并与二级菱镁矿煅烧制备的MgO膨胀剂进行对比,探讨低品位菱镁矿制备MgO膨胀剂的可行性。得到如下主要结论: (1)菱镁矿中杂质组分方解石、白云石、滑石及绿泥石煅烧产物分别为CaO、方镁石和CaO、顽火辉石及镁橄榄石;煅烧菱镁矿尾渣膨胀剂因原料中铁元素的存在含有镁铁尖晶石;滑石毛料及海镁废弃矿与白云石混合煅烧制备的复合膨胀剂含f-CaO及固相反应产物C2S;菱镁矿杂质组分及其含量不同,煅烧所得MgO膨胀剂有效膨胀组分含量不同。 (2)以柠檬酸法检测膨胀剂水化活性时,根据方镁石及f-CaO含量,适当调整柠檬酸用量后检测所得的膨胀剂活性更为合理。 (3)菱镁矿中杂质组分及其含量不同,煅烧菱镁矿所得膨胀剂微观结构不同。总的来说,随着煅烧温度的升高,MgO晶粒尺寸增大。煅烧二级菱镁矿膨胀剂中MgO晶粒为球粒状;煅烧菱镁矿尾渣膨胀剂中MgO晶粒为条状颗粒,颗粒表面出现裂纹;煅烧滑石毛料膨胀剂颗粒表面存在不规则片状附着物,1050℃煅烧时较明显,MgO晶粒为条状,有序排列并彼此间相互平行,部分晶粒呈阶梯形层状分布;煅烧海镁废弃矿膨胀剂在850℃煅烧时晶粒形状与煅烧菱镁矿尾渣膨胀剂类似,950℃和1050℃煅烧时晶粒为独立的球粒状,相同条件下煅烧二级菱镁矿膨胀剂晶粒有菱面体的雏形,煅烧海镁废弃矿膨胀剂晶粒表面光滑;西源村废矿及粉子山废渣膨胀剂的形貌特点相同,MgO晶粒为不规则粒状,850℃下煅烧时晶粒独立存在,950℃煅烧时晶粒出现团聚现象,继而MgO膨胀剂颗粒出现多孔分布,1050℃煅烧时晶粒尺寸更大。 (4)煅烧二级菱镁矿膨胀剂因原矿品位最高,有效膨胀组分含量最高,膨胀率始终比相同条件下其他菱镁矿膨胀剂高;含f-CaO组分较高的煅烧海镁废弃矿膨胀剂及煅烧菱镁矿尾渣膨胀剂水化初期膨胀速率明显加快,而由于品位因素,相同条件下最终膨胀量始终比煅烧二级菱镁矿膨胀剂膨胀量低;含滑石、绿泥石的滑石毛料、粉子山废渣及西源村废矿膨胀速度及膨胀量低;掺加复合膨胀剂水泥浆体的膨胀量比相同条件下掺加同一菱镁矿单独煅烧所得膨胀剂的膨胀量略小;相同条件下,随煅烧温度升高及保温时间的延长,复合膨胀剂膨胀量呈增加趋势;复合膨胀剂能弥补水泥浆体的强度损失,掺加复合膨胀剂水泥浆体的抗压强度有时甚至比参比样大。 (5)粉煤灰的加入可以有效抑制掺MgO膨胀剂水泥浆体的早期膨胀,对掺低品位菱镁矿所制MgO膨胀剂浆体的抑制效果更为明显;一般情况下膨胀剂的掺加降低水泥浆体的抗压强度,膨胀量越大3d和28d龄期抗压强度损失越大,而在膨胀较小的条件下水泥浆体的抗压强度有所提高。 (6)粉料煅烧时,有效膨胀组分含量低的情况下,掺加4wt%、6wt%和8wt%量800℃煅烧及8wt%量850℃煅烧菱镁矿尾渣膨胀剂的水泥浆体的膨胀率比掺相同煅烧温度及掺量的煅烧二级菱镁矿膨胀剂水泥浆体膨胀率大,可见,在一定条件下低品位菱镁矿所制MgO膨胀剂膨胀性能较高品位菱镁矿所制MgO膨胀剂好,有利于低品位菱镁矿矿产资源的有效利用。