铁尾矿对水泥基灌浆料性能影响的试验研究

张会芳 颜政伟* 龚琳洋 陈汇鋆 石 帅 胥昊宇 刘 冰 韩树雪

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000)

0 引 言

我国拥有丰富的铁矿石储量，种类繁多，但受采矿、选矿、冶炼工艺的制约，存在着大量的贫矿.铁尾矿是工业固体废弃物中的一种重要成分，是工业废弃物经过破碎、粉碎和提取出有用成分后的残留物[1]，大多数的铁尾矿被存放在尾矿库中，其综合利用效率不高.据不完全统计，我国铁尾矿的综合利用率只有18.7%[2]左右，导致尾矿出现堆存现象.尾矿渣的堆存不但占用了大量的土地，而且对周围的环境也产生了严重的污染，近年来铁尾矿的综合回收和利用的问题得到广泛的关注[3].

随着我国建筑行业的高速发展，直接导致市场对建筑材料的需求量迅猛增长.随着建筑数量的增长，工程所使用的河砂数量巨大，河砂的过度开采会破坏河流的平衡状态，破坏河床或河堤，导致水位下降，造成生态环境的破坏.

近年来，很多学者将铁尾矿代替天然材料作为研究的突破口[4]，不仅解决了天然河砂的不足，还提高了铁尾矿的综合利用效率.程云虹[5]等人研究了高硅型铁尾矿对混凝土碳化及抗硫酸盐腐蚀性能的影响，试验表明某高硅型铁尾矿作为胶凝材料部分取代水泥，就抗碳化性能及抗硫酸盐腐蚀性能而言是可行的.徐永泽[6]对高掺量铁尾矿砂混凝土的力学性能进行研究，结果表明铁尾矿取代部分细骨料制备混凝土，在一定情况下可应用于实际工程.Umara Shettima Ali[7]等人对铁尾矿代替河砂配制混凝土的强度进行研究，结果表明使用表面粗糙的铁尾矿砂制备混凝土能够提高混凝土强度.另外国内外的学者还将铁尾砂应用于制砖、水泥、道路建材和混凝土等其他方面[8]..B N Skanda Kumar[9]将铁尾矿应用于混凝土路面中并取得良好效果.李泽华[10]等人对铁尾矿制备开孔发泡陶瓷进行研究.在科学技术的发展和对材料的不断研究下，铁尾矿砂混凝土的工艺及基本力学性能均有了较大的提高[11],铁尾矿作为细骨料[12]已广泛应用于混凝土中.

本研究通过大掺量铁尾矿砂制备水泥基灌浆料，提高了铁尾矿的利用率，并为后续研究提供了基础.

1 试验基本原料

1.1 水泥

试验使用张家口金隅水泥有限公司生产的P·O 42.5型硅酸盐水泥，基本物理学性能见表1.

表1 P·O 42.5水泥的基本物理性能

1.2 细骨料

试验采用张家口宣化铁矿厂堆积排放的铁尾矿，其化合物成分及含量，见表2.

表2 铁尾矿的化合物成分含量表

1.3 粉煤灰

试验所采用的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，属于低钙灰.

1.4 外加剂

本试验使用的外加剂有减水剂、消泡剂和膨胀剂，具体的材料种类，见表3.

表3 外加剂

2 试验设计及试验方法

2.1 试验设计

为研究使用铁尾矿代替河砂、粉煤灰和尾矿粉取代部分水泥这种方法对水泥基灌浆料强度所产生的影响，选取水胶比、胶砂比、尾矿粉掺量、粉煤灰掺量四个因素，每个因素各取四个水平，各因素及水平的表示方式及具体数值，见表4.

表4 正交因素及水平

选用L16(44)正交表进行16次正交试验，正交试验的配合比设计，见表5.

表5 配合比设计

2.2 试验方法

采用《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》[13](GB/T17671-1999)，对40mm×40mm×160mm的棱柱试件进行了水泥抗压强度试验.将试块与模具一起，在常规养护条件下进行24小时的养护，并将其脱模，并在水中养护至龄期.测试之前15分钟，把试件从水里取出，把十块表面的沉淀物、碎屑等擦干净，再用湿布覆盖，直到测试开始.通过使用水泥胶砂电动抗折试验机，测定试块的抗折强度，将折断后的两个半截试体进行抗压强度试验.

28d试验结果应符合标准《水泥基灌浆材料》[14](JC/T 986-2018)对于水泥基灌浆材料抗压强度部分A50的要求.

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

根据上述数据进行试验，灌浆料的正交试验结果，见表6.根据图1可以清晰的看出，试验1、2、3、4、5、8、9、10，3d和28d的抗压强度均满足水泥基灌浆材料抗压强度的要求.

表6 正交试验结果

图1 正交试验数据

3.2 极差分析

3.2.1 3d抗压强度分析

水泥基灌浆料正交试验的3d抗压强度极差分析，见表7.

表7 3d抗压强度极差分析表

由表7数据可以看出，各因素对灌浆料抗压强度指标影响的主次顺序，影响程度从大到小依次为水胶比、尾矿粉掺量、粉煤灰掺量、胶砂比.水胶比对抗压强度的影响最大，胶砂比的影响最小.根据表7的试验数据得出，3d的抗压强度最优搭配方案为A1B1C4D1，即最优水胶比为0.36，最优胶砂比为1:0.6，尾矿粉掺量为12%，粉煤灰掺量为6%.

从图2中可以看出，随着水胶比的增大，抗压强度逐渐降低.水胶比越大，所使用的水的比重越大，水泥的用量随之降低，水泥无法填充细骨料之间的孔隙，导致灌浆料的密度降低，直接造成抗压强度的降低.灌浆料的抗压强度随胶砂比的增大抗压呈现出先下降后上升的趋势；随尾砂粉掺量的增加呈现出先下降后上升的趋势；随粉煤灰掺入量的增加呈现出先降后升的趋势.从3d抗压强度极差分析图上可以选出最佳因素水平组合为A1B1C4D1.

图2 3d抗压强度极差分析图

3.2.2 28d抗压强度分析

水泥基灌浆料28d抗压强度正交试验的极差分析，见表8.

表8 28d抗压强度极差分析表

由表8数据可以看出，各因素对灌浆料抗压强度指标影响的主次顺序，从大到小为水胶比、尾矿粉掺量、粉煤灰掺量、胶砂比.水胶比对抗压强度的影响最大，胶砂比的影响最小.根据表8的试验数据得出，28d的抗压强度最优搭配方案为A1B1C3D1，即最优水胶比为0.36，胶砂比为1:0.6，尾矿粉掺量为10%，粉煤灰掺量为6%.

28d抗压强度极差分析图3中可以看出最优因素水平组合为A1B1C3D1，抗压强度随水胶比例的增加而减小；水泥基灌浆料在胶砂比例为1:0.6下的抗压强度最大，1:1.0时降至最低点，后随胶砂比的升高逐渐升高；尾矿粉的掺量在6%-8%之间时，抗压强度降低，强度从掺量为8%逐渐提高，掺量为10%开始下降；随着粉煤灰掺量的提高，抗压强度先降低再升高.

图3 28d抗压强度极差分析图

综上所述，由于试验应以28d抗压强度为依据，养护28d的试块进行抗压试验得到的数据为有效数据，28d抗压强度的最佳因素水平组合为A1B1C3D1.

4 结 论

本文通过正交试验，分析了水泥基灌浆料3d和28d的抗压强度并结合微观试验，得到以下结论：

(1)在所研究的四种因素下，对抗压强度的影响程度大小为水胶比>尾矿粉掺量>粉煤灰掺量>胶砂比.

(2)经极差分析，28天内最佳因子水平组合均为A1B1C3D1，也就是水胶比为0.36、胶砂比例为1:0.6、尾矿粉和粉煤灰含量分别为10%和6%.