铁尾矿砂在普通干混砌筑砂浆中的应用研究

房启涛，赛丰，巩政，李云超，张云飞

（1. 山东省建筑材料工业设计研究院，山东 济南 250022；2. 中国中铁四局集团安徽中铁工程材料科技有限公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

随着干混砂浆行业的不断发展，优质砂资源日益短缺，寻找可以取代干混砂浆中人工砂、河砂的资源是非常有意义的。普通干混砂浆生产中，砂和石是最重要、且用量最多的原材料，对砂浆配制和性能产生巨大影响。如果砂浆的生产区域位于天然砂比较短缺的地区，例如山东济南地区，就需要采用异地运输的方式获取天然砂，从而导致混凝土原材料成本不断地增加[1-4]。

尾矿是矿山开采的原矿石经选矿或其它工艺回收有用组分后废弃的固体物料，呈细粉状，粒径一般在0.15mm 以下，一般堆存在尾矿库中，是工业固体废弃物的主要组成部分。铁尾矿是一种材料性能与天然砂相近的细骨料[5-8]，具有表面粗糙、多棱角的特点。本文主要利用铁尾矿砂部分取代人工砂或河砂，组成混合骨料，一放面可以利用尾矿废弃物，保护环境，另一方面，铁尾矿砂与人工砂或河砂混合可以改善骨料颗粒级配，改善砂浆性能。

1 试验原材料、试验仪器、试验方法

1.1 试验原材料

山东济南山水 P·O42.5 水泥，其水泥物理性能见表1；粉煤灰为济南黄台电厂Ⅱ级，比表面积 320kg/m2，45µm 筛筛余为 8.1%，粉煤灰技术指标见表2；砌筑砂浆用人工砂、河砂及铁尾矿砂的细度模数及累计筛余如表3 所示；纤维素醚为山东某厂生产 10 万 MPa·s 羟丙基甲基纤维素醚；水为饮用自来水。

表1 水泥物理性能

表2 粉煤灰技术指标 %

1.2 试验仪器

砂浆搅拌机，压力试验机，振动台，稠度仪，数显砂浆凝结时间测定仪，电热鼓风干燥箱，AL204 电子天平和 DJ 系列电子天平（量程最大 5kg，最小分度0.1g），两套砂浆保水性试验仪器，表观密度测定容量筒等。

1.3 试验方法

砂浆强度、保水率、稠度、表观密度、凝结时间、试件制作与养护等试验测试按照 JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行。

表3 人工砂、河砂及铁尾矿砂累计筛余及细度模数

2 铁尾矿砂掺量对砌筑砂浆性能的影响

试验方案：分别以0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70% 的铁尾矿砂取代人工砂或河砂，调整砌筑砂浆用水量，控制砂浆稠度 70～80mm，分析铁尾矿砂对砌筑砂浆表观密度、保水率及强度的影响，试验结果见表4。

表4 铁尾矿砂取代人工砂、河砂砌筑砂浆配合比及试验结果

2.1 铁尾矿砂取代比例对砌筑砂浆表观密度的影响

铁尾矿砂取代比例对砌筑砂浆表观密度影响曲线如图1 所示。

图1 铁尾矿砂取代比例对砌筑砂浆表观密度影响

由表4 和图1 可以看出：铁尾矿砂与人工砂或河砂混合后配制的砌筑砂浆表观密度随着铁尾矿砂取代比例增加先增加后降低。铁尾矿砂表观密度相对较大，同时一定程度上可以改善砂的颗粒级配，使其堆积更为紧密，因此铁尾矿砂取代比例较低时，砂浆表观密度随取代比例增加而增加，但是铁尾矿砂中含有大量＜0.075mm 的粉料，较低掺量可以填充孔隙，增加砂浆密实性，但是过高掺量则会增加砂浆需水量而降低砂浆表观密度。由表4 和图1 还可以看出：以铁尾矿砂取代人工砂和河砂配制砌筑砂浆分别在 40% 和 50% 时达到最大值，分别为 2320kg/m3和 2240kg/m3。

2.2 铁尾矿砂取代比例对砌筑砂浆保水率的影响

铁尾矿砂取代比例对砌筑砂浆保水率影响曲线如图2 所示。

图2 铁尾矿砂取代比例对砌筑砂浆保水率影响

由表4 和图2 可以看出：用铁尾矿砂取代人工砂或河砂后配制砌筑砂浆保水率随着铁尾矿砂取代比例增加先增加后减小。铁尾矿砂细度模数相对较小，能够改善目前用砂级配不合理的问题，同时铁尾矿砂可提高砂浆粘聚性，提高砂浆保水率；铁尾矿砂取代人工砂和河砂分别在 20% 和 40% 时，其砂浆保水率达到最大；但是，过高比例铁尾矿砂会使砂浆中用砂的比表面积增大，使需水量大幅增加，保水率则会下降。

2.3 铁尾矿砂取代比例对砌筑砂浆抗压强度的影响

铁尾矿砂取代比例对砌筑砂浆抗压强度影响曲线如图3 所示。

图3 铁尾矿砂取代比例对砌筑砂浆抗压强度影响

由表4 和图3 可以看出：铁尾矿砂取代人工砂或河砂后配制砌筑砂浆 7d、28d 强度随铁尾矿砂取代比例增加有所变化，但是变化幅度较小；铁尾矿砂取代人工砂和河砂比例分别在 20% 和 40% 时，各龄期抗压强度达到最大值；但是铁尾矿砂取代比例过高时，砌筑砂浆强度则会大幅度降低。这主要是为保证砌筑砂浆工作性，过高掺量铁尾矿砂会增加砂浆需水量，导致砂浆强度严重降低。

3 掺铁尾矿砂砌筑砂浆 SEM 微观结构分析

用人工砂配制砌筑砂浆微观结构如图4 所示，人工砂、铁尾矿砂混合配制的砌筑砂浆微观结构如图5 所示，用河砂配制砌筑砂浆微观结构如图6 所示，用河砂、铁尾矿砂混合配制砌筑砂浆微观结构如图7 所示。

图4 人工砂砌筑砂浆SEM图

图5 人工砂、铁尾矿砂混合砂砌筑砂浆SEM图

由图4 与图5、图6 与图7 对比分析可以看出：利用铁尾矿砂部分取代人工砂或河砂配制混合骨料砌筑或抹灰砂浆较单纯人工砂或河砂骨料砌筑砂浆结构更为致密，孔隙率较低。由图4 和图6 可以发现大量的六方板状氢氧化钙和针棒状的 AFt；由图5 和图7 可知：含铁尾矿砂砂浆硬化体水化产物中氢氧化钙和 AFt 量较少，大部分被水化硅酸钙凝胶覆盖，氢氧化钙、AFt 与C-S-H 相互交织成网络状整体，使得砂浆硬化体结构更为致密。

图6 河砂砌筑砂浆SEM图

图7 河砂、铁尾矿砂混合砂砌筑砂浆SEM图

4 结论

（1）铁尾矿砂细度模数较小、颗粒偏细，不宜单独制备普通干混砌筑砂浆；可与人工砂或河砂进行复掺，以获得满足符合连续级配及细度模数的混合砂。

（2）不同比例铁尾矿砂取代人工砂或河砂配制砌筑砂浆保水率、强度等会有所改善，但是过高铁尾矿砂取代后则会严重降低砂浆性能。

（3）综合考虑铁尾矿砂取代比例对普通干混砌筑砂浆保水率、表观密度、抗压强度的影响，用铁尾矿砂取代人工砂配制砂浆最佳比例为 20%，取代河砂最优比例为 40%。