尾矿渣代砂对水泥砂浆的影响

2022-03-29李喜喜杨传馨郑洪楼刘凤玲张伦馨薛玉鑫崔玉理

科技创新与应用 2022年7期

李喜喜，杨传馨，郑洪楼，刘凤玲，张伦馨，薛玉鑫，崔玉理

（临沂大学土木工程与建筑学院，山东临沂 276005）

矿渣综合利用问题已经成为矿业乃至国际绿色环保的重要课题，对经济建设的可持续发展有直接的影响。但矿渣长期以来并没有得到很好的再利用，造成了空气污染、水污染等严重问题。而且，低品位的矿渣一直是困扰钢铁企业的问题之一[1]。在国内，除了一些利用石屑和钢渣代替砂的研究[2-4]，尚未有关尾矿渣替代砂的相关研究。矿渣的粒度与天然砂相近，而且高炉矿渣具有表面粗糙、孔隙率大和堆积密度小等特点，对砂浆的流动性和强度有较大的影响[5-6]。若将其替代天然砂作为细骨料应用于水泥中，不仅能够有效减少天然砂资源的消耗，还能进一步提高和拓宽低品位矿渣的利用率[7]。

石东升等人[8]研究发现，从强度方面看，粒化高炉矿渣可以代替石英砂作为高性能水泥基材料的细骨料。李彦鑫等人[9]研究发现，选用炉渣、锗渣等矿渣替代混凝土中的砂子时，粉煤灰混凝土具有较强的抗压强度和抗冻性能。梁秋爽等人[10]研究了掺入纤维后碱矿渣水泥砂浆的力学性能，发现适当掺入纤维能一定程度上改善砂浆的力学性能。

本文主要研究高炉尾矿渣作为细骨料的本征特征及其对水泥胶砂强度的影响，从而为粒状高炉有效开发利用提供必要的科学依据和技术参数。

1 尾矿渣与砂的特性差异

1.1 化学活性分析

尾矿渣的化学成分与硅酸盐水泥熟料相近，主要是SiO2、CaO、A12O3和MgO等氧化物。此外，尾矿渣中玻璃体含量越多，尾矿渣活性越高。而砂子的主要成分是SiO2，矿物组成为石英。而且尾矿渣除了具有一定的火山灰活性，还具有一定的胶凝性。

1.2 筛分析

在确定了尾矿渣化学成分以及尾矿渣的属性后，对尾矿渣进行烘干处理。本实验在恒温箱105℃的条件下，将尾矿渣进行持续48 h的烘干处理，在尾矿渣干燥后，分别对尾矿渣和标准砂进行筛分实验，其结果如下。

尾矿渣和标准砂的分析实验结果如图1所示。由筛分析实验结果可计算出尾矿渣的细度模数为2.39，砂子的细度模数为2.65，两者均符合II级中砂。由图1可知，标准砂的筛分曲线较为平缓，各粒级之间分配较合理；尾矿渣的图线曲线变化较为明显，增长幅度较大。

图1 级配曲线

2 尾矿渣代砂的水泥胶砂性能测试及实验

2.1 实验方案

为研究掺入不同粒径的砂和掺入尾矿渣代替标准砂对水泥砂浆的影响。将实验分为4组：第1组用50～80目的石英砂来替代相同粒径的标准砂；第2组用80～120目的石英砂来替代相同粒径的标准砂；第3组用尾矿渣来替代标准砂中的细粒径；第4组用标准砂作为空白对照实验。

为研究尾矿渣掺量对水泥砂浆的影响，将实验分为5组，水泥∶标准砂∶水=1∶3∶0.5，其中尾矿渣为450 g，尾矿渣代砂率分别为0、25%、50%、75%、100%。

2.2 实验工艺流程

按配方分别称取适量物料后捣实放入模具。将模具置于标准养护箱（温度21℃、湿度95%）中恒温养护24 h，养护完毕后进行试件脱模，分别进行蒸养3、7、28 d标准养护。

3 实验结果分析

3.1 和易性

在水灰比为0.5的条件下不同代砂率水泥砂浆流动性的实验结果如图2所示。由图2可知，随着代砂率的增加，相同水灰比条件下水泥砂浆的流动性逐渐降低。这是由于尾矿渣颗粒结构较为疏松，其吸水性大于标准砂，而且尾矿渣的颗粒级配也要比砂子差，因而随着尾矿渣代砂率的不断增大，水泥砂浆的流动性逐渐降低。

图2 尾矿渣代砂率水泥砂浆流动性

3.2 不同粒径和尾矿渣对水泥砂浆的抗折、抗压强度的影响

为研究不同粒径和尾矿渣对水泥砂浆强度的影响，对强度进行分析，其结果如下。

如图3、图4所示，在水泥用量一定的条件下，7 d和28 d的抗折、抗压强度均随着粒径的增加而增大，而掺入尾矿渣配制地水泥砂浆的抗折、抗压强度比不同粒径3种砂所配制水泥砂浆的抗折、抗压强度都有所提高。这主要是因为砂浆的强度主要体现为砂颗粒间的黏结力，在水泥用量相同的条件下，砂粒越大，比表面积越小，颗粒部位接触的水泥较多，黏结力越大，从而造成粗颗粒砂浆的强度较大。而细粒径的尾矿渣提高了骨料的堆积密度，降低了骨料的空隙率，提高了基体的密实性，在水泥用量相同时，尾矿渣能够提高砂浆的力学性能。

图3 抗折强度

图4 抗压强度

3.3 不同尾矿渣掺量对水泥砂浆的抗折、抗压强度的影响

为研究不同尾矿渣掺量对水泥胶砂强度的影响，对强度进行分析，其结果如下。

如图5、图6所示，尾矿渣掺量在20%时，3 d和7 d的抗折强度有所提高；当尾矿渣掺量大于20%时，3 d和7 d的抗折强度均小于基准水泥砂浆的强度。其原因可能是，矿渣颗粒的级配和强度劣于砂子，导致早期的水泥砂浆的抗折强度略小于纯水泥砂浆的抗折强度。尾矿渣水泥砂浆的28 d抗折强度随尾矿渣掺量的变化大，在尾矿渣掺量为25%～50%时，28 d抗折强度略有增加。尾矿渣水泥砂浆的3 d和7 d抗压强度随尾矿渣掺量的增加而减少，原因可能是：水泥砂浆的抗压性主要受其内部起骨架的砂子和尾矿渣自身强度的影响，由于矿渣颗粒的强度低于砂子，导致其化学活性的优势弥补不了物理性能的缺陷，使得其抗压强度有所降低。28 d的抗压强度随尾矿渣掺量的增加先降低后升高，在尾矿渣掺量大于50%时，其抗压强度有所提高。