铁尾矿砂砂浆力学特性及再生利用研究

2021-09-09许尔培胡晓军马梦云

绿色科技 2021年16期

许尔培，胡晓军，马梦云

(合肥学院生物食品与环境学院，安徽合肥 230601)

1 引言

采矿行业的快速发展，为社会经济的发展做出了巨大贡献。但是在采矿过程中，也产生了大量的尾矿。长期以来，大部分的尾矿未经过利用，直接堆放在矿场附近，而铁尾矿尤甚。铁尾矿的大量堆存，并未有效利用，不仅对生态环境有很大的负面影响，而且造成了资源浪费[1]。因此从社会、经济和环境效益综合考虑，对铁尾矿的后续处理，资源重复利用显得尤为重要。目前的铁尾矿主要的处理方式是建成尾矿坝，随着尾矿坝堆筑高度不断加大, 尾矿坝坝体内浸润线也相应抬升[2，3]，坝体也越来越不安全。对尾矿坝的稳定研究，对铁尾矿基本性质的研究也越来越多[4]。针对尾矿，国内外学者对不同颗粒直径的铁尾矿砂应用在实验中，进行研究，分析力学性能等。通过阅读文献，了解了铁尾矿的利用情况，比如铁尾矿坝的稳定性分析结果主要取决与铁尾矿的物理力学参数，而不同的产地对铁尾矿砂也有影响。一般来说，天然砂表面较圆滑，棱角少，而铁尾矿砂表面粗糙，棱角多[5，6]。因此采取土工实验的方式获取铁尾矿砂的参数，并进行分析，对于铁尾矿砂能否取代天然砂进行了研究。

2 实验

2.1 原料

铁尾矿砂是马鞍山铁尾矿提供的原状尾矿石，在实验室进行破碎，破碎成不同粒径的颗粒物，将含铁颗粒进行去除，筛分去除碎屑，得到铁尾矿砂(图1、2)。对该铁尾矿砂进行测试，其细度模数为3.1，堆积密度为1475 m2/kg。天然砂的细度模数为3.1，松散堆积密度为1460 kg/m3[7]。其与天然砂化学成分如表1。

图1 铁尾矿砂表面

表1 马鞍山铁尾矿砂及天然砂主要化学成分 %

水泥采用的是海螺P·O 42.5水泥，主要性能如表2。

图2 天然砂表面

表2 水泥物理及力学性能

2.2 试验方法

颗粒级配和细度模数采用《建设用砂》GB/T14684-2011 规定的方法测试天然砂和铁尾矿砂的颗粒级配和细度模数。抗折强度和抗压强度按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T17671-1999 规定的方法测试。砂浆干、湿密度和吸水率按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T 70-2009 规定的方法测试砂浆的干、湿密度和吸水率。干燥收缩按照《水泥胶砂干缩试验方法》JC/T603-2004 规定的方法测试胶砂的干燥收缩[8]。

实验中采用的铁尾矿砂和天然砂颗粒级配都在Ⅱ区，细度模数相同，属于粗砂。本实验制备水泥砂浆采用的水∶胶∶砂=1∶0.485∶3铁尾矿砂的用量如表3所示。

表3 水泥胶砂配合比

3 结果与讨论

3.1 铁尾矿砂砂浆力学性能实验

由不同取代率的铁尾矿砂配制的砂浆在3d、7d和28d龄期条件下，抗折强度和抗压强度折线图见图3、4。

图3 铁尾矿砂取代量对砂浆抗压强度的影响

由图3、4可以看出，不同取代量的铁尾矿砂制成的砂浆，在抗折强度和、抗压强度有不同的折线图。首先抗压强度的折线图中可以清晰的看到，在取代率为25%时，三组的数据相对于天然砂浆组都偏低。具体是3 d比天然组低2.1 MPa，7 d比天然组低2.5 MPa，28 d有0.5 MPa的差距。推测原因可能是相对于天然组，25%的取代率时铁尾矿砂和天然砂的因素造成这一现象。如搅拌时未能充分混合，从而造成抗压强度较低。在3 d，28 d的龄期时随着取代率的上升抗压强度并无太大变化，提示若在实际的使用铁尾矿砂浆时，在抗压强度范围内，可以加大铁尾矿砂的比例。总体来说，龄期为28 d时抗压强度的提升较为明显。在完全取代天然砂的情况下，其抗压强度比天然砂的抗压强度还要高6.4 MPa。推测原因为主要有：①铁尾矿砂相对于天然砂其外表面粗糙，在砂浆中外表面有更多的浆体包裹，相对而言增大摩檫力[9]；②铁尾矿砂含有适量的石粉，石粉起到了晶核的作用诱导水泥的水化产物析品，加速水泥的水化[10]；③铁尾矿砂中含有的细小颗粒可充填到砂浆的间隙中，使得浆体更加紧密，包裹性更强，从而提高了浆体的抗压强度。

图4 铁尾矿砂取代量对砂浆抗折强度的影响

对于不同取代量时的铁尾矿砂砂浆抗折强度变化，由图可知，相对于抗压强度，抗折强度的值是较小的。在7d和28 d条件下随着龄期的增加大体上其抗折强度都是有递增的。在取代率为50%时，折线图出现了明显的下降趋势。7 d时低0.1 MPa，28 d低0.4 MPa，都是相对与25%取代率时。28 d的增长幅度较大，抗折的强度增加明显，如在100%取代率时，其抗折强度达到了9.4 MPa，较天然组的8.0 MPa要高出17.5%的强度值。造成这一现象的原因主要有以下几点：①铁尾矿砂中含有石粉，与抗压强度中一样，石粉能充填砂浆中的空隙，使得水泥的固结作用得到了加强，在实际的反应中可以和水泥中的物质进行微晶核效应，加速成为整体，提高抗折，抗压强度；②铁尾矿砂的表面粗糙，水泥砂浆密实度也更好，加大了物质之间的粘结力。

3.2 铁尾矿砂取代率对砂浆密度和吸水率的影响

如图5所示，在折线图上呈现的是随着铁尾矿砂取代率的提高，砂浆的干密度和湿密度都增大，呈现上升的趋势。在取代率为100%时，砂浆的干湿密度都达到最大值。砂浆的干密度为2400 kg/m3，同时，砂浆的湿密度为2475 kg/m3。相比天然砂浆分别提高了7.4%和10%。图中可以看出，天然砂浆的含水率较小，同天然组相比不同取代率条件下含水率稍高，但不明显。在取代率为25%时，吸水率其干湿密度的差值较大。造成这种现象的原因推测是由于在天然砂为主体的情况下，加入的铁尾矿砂增加了较小的细颗粒粉体，从而导致浆体的密度相对上升。因为铁尾矿砂的加入尾矿砂的表面积大，且粗糙，提高了空隙从而导致含水率较高。在取代率为50%和75%时，通过曲线可知，含水率的变化并不明显，两条折线几乎呈现直线形状。当取代量为100%时，干湿密度都达到了最大值，相差375 kg/m3。可知此时含水率达到了最大值。推测原因是由于铁尾矿砂完全替代天然砂的情况下，此时的浆体内部空隙较多，此时砂浆的密实度提高的正效应小于铁尾矿因为其表面粗糙的效应。综合以上，由此可以得出结论，天然砂浆的吸水率较低，而任一铁尾矿砂取代率条件下吸水率都较大。可知铁尾矿砂砂浆的吸水率比天然砂浆要大。