铁尾矿粉对干粉砂浆性能的影响及机理分析

周磊 翁金红 李凯雯 王金行 刘娟红

（1.安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司；2.北京科技大学土木与资源工程学院）

作为铁矿石加工后的固体矿物废料，大量铁尾矿粉没有得到及时有效的处理，尾矿中的有毒物质不仅给社会环境带来严重污染，还会产生安全问题［1-3］。目前，我国对铁尾矿资源化技术已经颁布的标准共29 项，寻找低污染、高附加值、具有市场竞争力的铁尾矿综合利用手段，成为我国解决铁尾矿滞存问题的重要方向［4-5］。

随着我国建筑行业的蓬勃发展，对砂浆的需求量日益增加，而砂子对普通干粉砂浆配制和性能有巨大影响［6-8］。近年来，机制砂迅速发展，成为建筑用砂的主要来源。干混砂浆中集料比例占一半，铁尾矿粉物理性质与天然砂类似［6-7］，若能应用于干粉砂浆中，可以解决部分安全和环境问题。郑金妹［8］研究铁尾矿砂掺入普通砂浆中发现，铁尾矿砂掺量在10%～15%时，砂浆流动性最好，砂浆的抗压强度、抗折强度随着铁尾矿砂增加呈现先降后升的趋势。李晓光等［9］用铁尾矿砂部分替代机制砂制备普通砂浆，发现流动性降低，抗压强度和弹性模量增加。林松［10］通过铁尾矿砂替代天然砂，发现随着铁尾矿砂的增加，普通砂浆的表观密度、用水量增加，砂浆的抗折和抗压强度降低。Giri等［11］研究铁尾矿砂替代天然砂和石灰，发现铁尾矿砂的掺入会使砂浆的含气量降低，但砂浆的表面密度和用水量增加。Argane等［12-13］发现，尾矿替代30%的天然砂可在砌筑砂浆中应用，随着砂浆中尾矿砂中细粉的增加，砂浆的抗压强度逐渐降低，孔隙率增大。

目前，使用铁尾矿粉制备干粉砂浆的研究文献很少，因此，本文采用不同比例铁尾矿粉替代机制砂和水泥，对含铁尾矿粉干粉砂浆的和易性、力学性能和微观机理进行研究。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

铁尾矿粉取自白象山尾矿，其化学组成和性能指标见表1、表2，矿物成分分析见图1。选用冀东P.O.42.5 普通硅酸盐水泥，28 d 抗压强度53.45 MPa；选用Ⅰ级粉煤灰和S95级磨细矿渣粉；选用细度模数2.70 的机制砂；使用聚羧酸减水剂、葡萄糖酸钠和纤维素醚作为外加剂；拌合水使用自来水。

1.2 砂浆试块制备

为了研究铁尾矿粉替代机制砂和水泥对干粉砂浆和易性和力学性能的影响，根据基础配比设置对照组，用以观察使用基础干粉砂浆的各种状态。以A1为基础组，用铁尾矿粉按照机制砂5%，10%，15%，20%，25%，30%的比例逐步替代，保持机制砂和铁尾矿粉总量不变；在A1 的基础上用铁尾矿粉按照5%，8%，10%，13%，15%，18%，20%的比例逐步替代水泥和机制砂（为B组）。随着铁尾矿粉替代率的增加，逐渐提高水的用量。砂浆试样按表3 配合比搅拌完成后，装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 模具中，拆膜后将试验试件在标准条件下（（20±2）℃，湿度90%以上）养护至相应龄期。

1.3 试验方案

按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T 70—2009）进行试件制作与养护，测定砂浆的稠度及稠度损失率、抗压强度、拉伸黏结强度；通过X射线衍射和热重试验，对砂浆净浆粉末样品物相组成分别进行定性和定量分析；采用FEI Quanta250 环境扫描电镜对砂浆净浆试件进行SEM 分析，观测试件微观结构特征变化。

2 试验结果与分析

2.1 铁尾矿粉对干粉砂浆和易性的影响

通过研究砂浆稠度和稠度损失率来评价砂浆和易性。水泥砂浆稠度表示砂浆的流动性，而稠度损失率大小影响砂浆的工作性能。各组砂浆测得的稠度及稠度损失率见表4。

由表4 可知，随着铁尾矿粉替代率的增加，砂浆A 组和B 组2 个组别的砂浆稠度损失率逐渐增加，但均能达到规范标准要求（砂浆稠度损失率小于30%）。影响砂浆稠度和稠度损失率的因素很多，其中最重要的是骨料和掺合料的性质［14］，从矿物掺和料的角度分析，粉煤灰粒径小，能填补砂浆内部空隙［15-17］。粉煤灰内部存在紧密均质的玻璃微珠，可以增加砂浆的塑性，粉煤灰具有“滚珠效应”，可以减少水的用量，因此掺入适量粉煤灰能够使砂浆的和易性增加。铁尾矿粉需水量比为113%，较水泥和机制砂大，随着铁尾矿粉掺量的增加，水的用量增加，说明矿粉具有吸水效应，因此水泥砂浆表面能吸附的水减少，稠度损失率逐渐增加。

2.2 铁尾矿粉对干粉砂浆抗压强度的影响

砂浆的立方体抗压强度是工程中评价砂浆力学性能最重要的指标之一。该试验测定了各组别砂浆不同龄期的立方体抗压强度，铁尾矿粉对砂浆强度的影响规律见表5。

由表5可知，以不同比例铁尾矿粉对机制砂水泥替代的情况下，A1 组3 d 和B1 组28 d 抗压强度均能达到20 MPa。为最大限度利用铁尾矿粉，在A3 组以10%替代机制砂的情况下，砂浆28 d抗压强度能达到22.78 MPa，实际工程中要求干粉砂浆强度最大为M20标准，满足实际工程条件。随着铁尾矿粉替代机制砂和水泥含量的增加，砂浆强度逐渐降低，从配合比来看，这是因为随着铁尾矿粉的增加，干粉砂浆水胶比增加，使砂浆的抗压强度逐渐降低。铁尾矿粉粒径极小，具有显著的填充效应，填充于砂浆孔隙［18］，铁尾矿粉能够填充水泥的孔隙，密实砂浆内部结构；同时还有微晶核效应［19］，能够对水泥水化程度起加速作用，水泥水化产物增加，对干粉砂浆早期的抗压强度起到了很大的作用。另一方面，铁尾矿粉活性较水泥低，随着铁尾矿粉掺量的增加，水泥掺量降低，水化产物减少，使得水泥石的连续结构被打破，干粉砂浆抗压强度降低。

2.3 铁尾矿粉对干粉砂浆拉伸黏结强度的影响

砂浆拉伸黏结强度是砂浆与基体之间黏结是否牢固的体现，在实际工程应用中有重大意义。不同比例尾矿砂和尾矿细粉替代机制砂和水泥对干粉砂浆拉伸黏结强度影响见表6。

由表6可知，随着干粉砂浆中铁尾矿粉替代率的增加，砂浆14 d 拉伸黏结强度呈先增加后下降趋势，在A3 和B4 处分别得到各组曲线最高点，为0.3 MPa和0.28 MPa，满足标准规范要求（砂浆拉伸黏结强度大于0.2 MPa）；这说明在铁尾矿粉含量低于15%时，起主要作用的是铁尾矿粉的填充效应，铁尾矿粉能够填充砂浆中的孔隙，进一步提高砂浆的密实性；当铁尾矿粉掺量继续增加时，胶凝材料难以对铁尾矿粉继续进行包裹，使得水泥与铁尾矿粉之间增加结构缺陷，从而降低干粉砂浆的拉伸黏结强度。

2.4 铁尾矿粉对干粉砂浆微观机理的影响

2.4.1 X射线衍射分析

根据X衍射分析试验结果，对干粉砂浆净浆中的矿物成分进行分析，这是目前测试晶体结构最有效、最重要的手段。未掺铁尾矿粉基础组A1和铁尾矿粉以10%比例替代机制砂时A3 砂浆净浆XRD 图谱见图2。

由图2可见，样品中主要衍射峰为Ca（OH）2、SiO2、斜钙沸石、CaAl4O7及少量CaCO3；在养护28 d条件下，掺入10%比例铁尾矿粉的净浆（A3 组）中Ca（OH）2的衍射峰高于基础组净浆（A1 组），这说明A3 组中的Ca（OH）2量高于A1 组，铁尾矿粉的掺入能够加速水泥的水化，生成更多的Ca（OH）2；A3 组中可以看到斜钙沸石和CaAl4O 的衍射峰，说明A3 组中还产生了铝酸盐和硅酸盐，这是因为铁尾矿粉中硅氧断键和铝氧断键在Ca（OH）2的反应下发生重聚反应，生成了以硅酸钙、硅铝酸钙为主要成分的复盐矿物；A3组净浆中SiO2生成物衍射峰高于A1组，主要是因为A3组中掺入了铁尾矿粉，而铁尾矿粉中的主要化学组成为SiO2。

2.4.2 热重分析

热重分析（TG）是定量分析样品成分的重要手段，可以通过非晶体物质的失水行为和失碳行为来分析水泥材料成分。基础组A1 和铁尾矿粉10%替代机制砂组A3样品的TG-DTA曲线见图3。

由图3 可见，2 组试样主要发生3 次明显的失重行为，钙矾石和Ca（OH）2的失水温度分别约为100 ℃和450 ℃，碳酸钙的失碳温度大约为650 ℃；A1 组3次明显失重量分别为2.78%，0.26%和1.34%，可得出基础组样品化学结合水失重量为3.04%；A3组3 次明显失重量分别为3.12%、0.37%和1.59%，可得出掺入铁尾矿粉组样品化学结合水失重量为3.49%。由此可知，掺入铁尾矿粉组别结合水失重较基础组更多，这说明样品水化程度加深，生成了更多水泥水化产物，说明铁尾矿粉的掺入能够促进水泥水化，这也印证了上述XRD试验的分析结果。

2.4.3 扫描电镜分析

SEM 图像可以观察到净浆的微观形貌，图4为不含铁尾矿粉基础组A1 净浆和掺量10%铁尾矿粉A3组净浆养护28 d后SEM微观图。

由图4 可见，A1 组水泥试样养护28 d 时，水泥水化程度较高，基础组净浆中主要有针棒状钙矾石晶体和絮凝状的C-S-H 凝胶，以及少部分片状水化硅酸钙凝胶和板状氢氧化钙存在［20-21］，水泥砂浆的孔隙被水泥水化产物填充，整个试件结构较为密实，孔隙较少，因此砂浆整体强度较高；在掺入10%铁尾矿粉时，从整体来看砂浆结构较为松散，这是因为随着铁尾矿粉含量的增加，需水量增加，水泥的水化产物不足以填充整个孔隙，对砂浆整体结构影响较大，从而导致砂浆强度降低；综合来看，铁尾矿粉的掺入对砂浆孔隙有较为显著的影响，前期能够促进水泥的分化，使得水化产物水化硅酸钙含量增加对孔隙进行填充，并且铁尾矿粉细度大颗粒分布均匀，也能进一步降低砂浆孔隙率；而随着铁尾矿粉掺量的增加，水泥水化产物不足以对砂浆孔隙进行填充密实，最终导致砂浆强度降低。

3 结论

（1）铁尾矿粉能够以不同比例替代水泥和机制砂，在铁尾矿粉对机制砂替代率为10%时，能满足M20干粉砂浆和易性和力学性能的标准规范要求，且性能最优。

（2）在不同比例铁尾矿粉替代机制砂和粉煤灰的情况下，A3 组抗压强度为22.78 MPa。铁尾矿粉粒径极小，具有显著的填充效应，填充于砂浆孔隙，砂浆内部结构更加密实，加速水泥水化，对干粉砂浆早期的抗压强度起到了很大的作用；另一方面，铁尾矿粉活性较水泥低，随着铁尾矿粉掺量的增加，砂浆中提高抗压强度的有效水化产物减少，干粉砂浆抗压强度降低。

（3）铁尾矿粉含量低于15%时，铁尾矿粉的填充效应起了很大的作用，在砂浆形成的空隙中填充，进一步提高砂浆的密实性；当铁尾矿粉掺量继续增加时，胶凝材料难以对铁尾矿粉继续进行包裹，使得水泥与铁尾矿粉之间增加结构缺陷，从而降低干粉砂浆的拉伸黏结强度。

（4）早期铁尾矿粉的掺入能够加速水泥的水化，样品水化程度提高，生成更多的Ca（OH）2。掺入铁尾矿粉组中还产生了铝酸盐和硅酸盐，这是因为铁尾矿粉中的硅氧断键和铝氧断键在Ca（OH）2的反应下发生重聚反应，生成以硅酸钙、硅铝酸钙为主要成分的复盐矿物，并对砂浆孔隙有较为显著的影响，净浆中水化产物对孔隙进行填充，能降低砂浆孔隙率；而随着铁尾矿粉掺量的增加，水泥水化产物不足以对砂浆孔隙进行填充密实，最终导致砂浆强度降低。