铁尾矿对水泥基灌浆料性能影响试验研究

张会芳 颜政伟 龚琳洋 陈汇鋆

摘 要：為提高铁尾矿的利用率，降低灌浆料的成本，选用铁尾矿砂全替代河砂、粉煤灰和经活化激发后的铁尾矿粉部分替代水泥的方式进行试验。采用正交试验方法，对水胶比、胶砂比、尾矿粉和粉煤灰掺量等因素进行研究。研究表明，4种因素对灌浆料强度的影响由大到小排序为水胶比、尾矿粉、粉煤灰、胶砂比。通过极差分析，确定28 d的最优因子水平组合是水胶比为0.36、胶砂比为1∶0.6、尾矿粉含量为10%、粉煤灰含量为6%。通过对照试验，明确尾矿砂全替代河砂、粉煤灰，以及经活化激发后的铁尾矿粉部分替代水泥的可行性。通过X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）和扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）分析发现，在该试验条件下，灌浆料在水化硬化过程中产生硅酸三钙、钙矾石等水化产物使灌浆料的性能得到提高，裂缝及水化反应不完全会降低灌浆料的强度。

关键词：水泥基灌浆料；正交试验；极差分析；X射线衍射；扫描电子显微镜

中图分类号：S772    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2023）04-0191-08

Experimental Study on the Effect of Iron Tailings on the Performance

of Cement Based Grouting

ZHANG Huifang1，2，3，YAN Zhengwei1，2， GONG Linyang1，2， CHEN Huijun1，2

（1.School of Civil Engineering， Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China;2.Hebei Key

Laboratory of Diagnosis， Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering， Zhangjiakou 075000， China;

3.Hebei Colleges Applied Technology Research Center of Green Building Materials and Building

Reconstruction， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract：In order to improve the utilization rate of iron tailings and reduce the cost of grouting materials， the method of replacing river sand and fly ash with iron tailings sand and partially replacing cement with activated iron tailings powder was selected for the test. Using orthogonal test method， factors such as water cement ratio， cement sand ratio， tailings powder， and fly ash content were studied. Research showed that the influence of four factors on the strength of grouting materials was ranked in descending order： water cement ratio， tailings powder， fly ash， and cement sand ratio. Through range analysis， the optimal factor level combination for 28 days was determined to be a water cement ratio of 0.36， a cement sand ratio of 1∶0.6， a tailings powder content of 10%， and a fly ash content of 6%. Through contrast tests， the feasibility of completely replacing river sand and fly ash with iron tailings sand and partially replacing cement with activated iron tailings powder was clarified. Through X-ray diffraction （XRD） and scanning electron microscope （SEM） analysis， it was found that under the test conditions， the performance of grouting materials was improved by the production of tricalcium silicate， ettringite and other hydration products during the hydration and hardening process of grouting materials. Incomplete crack and hydration reaction would reduce the strength of grouting material.

Keywords：Cement based grouting material; orthogonal test; range analysis; X-ray diffraction; scanning electron microscope

收稿日期：2022-10-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51878242）；河北省高等学校科学技术研究项目（ZC2023136）；张家口市科技计划财政资助项目（1911024D-3）；张家口市重点研发计划“科技冬奥专项”资助项目（20110015D）；河北建筑工程學院硕士研究生创新基金项目（XY2023062）

第一作者简介：张会芳，硕士，副教授。研究方向为材料科学、绿色建材与节能建筑新体系、工农业废弃物综合利用技术。E-mail： 42228449@qq.com

引文格式：张会芳，颜政伟，龚琳洋，等. 铁尾矿对水泥基灌浆料性能影响试验研究[J].森林工程，2023，39（4）：191-198.

ZHANG H F， YAN Z W， GONG L Y， et al. Experimental study on the effect of iron tailings on the performance of cement based grouting[J]. Forest Engineering， 2023， 39（4）：191-198.

0 引言

铁尾矿是铁矿石经过选矿后产生的固体废弃物，是矿山废弃物的主要组成部分。随着我国基础建设和城镇化进程的推进，铁矿石的消耗量逐年增加，铁尾矿储量随着铁矿石的消耗逐年增长。根据《中国资源综合利用年度报告》，2021年度我国尾矿累计堆存量高达146亿t，工业固体废弃物利用量为20.59亿t，利用率达62.3%，但尾矿的综合利用率只有18.9%[1]。尾矿堆积不但会占用大量用地，还会对周边的水质、土壤和空气造成污染[2]。尾矿堆积量大、利用率低的现状导致解决尾矿堆积、提高尾矿利用率成为当前的研究热点[3]。

国内外众多学者将提高铁尾矿的利用率作为突破口[4]，取得了显著成就。侯云芬等[5]针对铁尾矿粉对水泥砂浆性能的影响和机理等内容进行了分析，研究表明铁尾矿粉能产生稀释作用和一定程度的填充作用。许丽等[6]对铁尾矿粉水泥基材料的性能进行试验研究，研究表明铁尾矿粉使水泥颗粒充分接触自由水，促进但不参与水化反应进行，起到填充作用使材料更密实。程和平等[7]对改良铁尾矿砂混凝土的力学和耐腐蚀性能进行研究，研究表明铁尾矿砂掺量越大，混凝土渗透系数越大。翁金红等[8]研究了铁尾矿微粉对灌浆料性能的影响，研究表明铁尾矿微粉掺量越大，流动度和力学性能越差。陈杏婕等[9]选用铁尾矿砂全替代天然砂制备高强混凝土，其抗压强度达到75 MPa，耐久性能良好。与此同时，国外学者研究了不同条件下铁尾矿在混凝土中的应用，取得了良好效果[10-13]。在国内外众多学者的研究下，铁尾矿现已被应用于混凝土、水泥、道路建材等多个方面[14]。其中铁尾矿砂作为细骨料替代河砂[15]，不仅解决了河砂供应不足的问题，还提高了铁尾矿的利用率，进而大大提高铁尾矿的经济效益。

本试验选用铁尾矿砂全替代河砂，粉煤灰以及经物理激发（机械粉磨）、化学激发（经体积分数为2%的盐酸浸泡）后的铁尾矿粉部分替代水泥的方式对水泥基灌浆料的力学性能进行试验研究，降低了水泥基灌浆料的成本，为提高铁尾矿的利用率提供了新的思路。

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。

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。

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。

2 试验设计及试验方法

2.1 试验设计

为研究使用铁尾矿砂全替代河砂、粉煤灰以及经活化激发后的铁尾矿粉部分替代水泥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、尾矿粉掺量和粉煤灰掺量4个因素，每个因素各取4个水平，各因素及水平的表示方式及具体数值，见表4。

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。

2.2 试验方法

本试验根据《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）[16]的要求，制备40 mm×40 mm×160 mm的试块，试件在常规养护条件下养护24 h后进行脱模，然后进行抗折抗压试验。试验结果达到《水泥基灌浆材料》（JC/T 986—2018）[17]中对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 正交试验结果

根据表5中数据进行试验，得到灌浆料的正交试验结果，见表6。图1为正交试验流动度的试验数据图，从图1可以看出，灌浆料的流动度均可以达到260 mm以上，满足普通灌浆料的基本要求；按总体趋势可以看出，水胶比越大，流动度越大。图2为正交试验抗压强度试验数据图，由图2可以看出，编号为1、2、3、4、5、8、9、10的8组试验，3 d和28 d的抗压强度均满足水泥基灌浆材料抗压强度的要求，即3 d抗压强度大于等于30 MPa，28 d抗压强度大于等于50 MPa。

3.2 极差分析

3.2.1 3 d抗压强度分析

水泥基灌浆料正交试验的3 d抗压强度极差分析，见表7。

结合表4、表5和表7的试验数据得出，3 d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%。

图3为3 d抗压强度极差分析图。由图3可以看出，水胶比对灌浆料的抗压强度影响幅度最大，抗压强度随着水胶比的增大逐渐降低；胶砂比对抗压强度影响幅度最小，强度随着胶砂比的增大先减小后增大；尾矿粉掺量对强度的影响程度相对较高，随着尾矿粉掺量的增加，强度先减小后增大；强度随粉煤灰掺量的增加呈现先降低后升高再降低的趋势。根据图3中各因素的峰位确定，3 d抗压强度的最佳因素水平组合为A1B1C4D1。

3.2.2 28 d抗压强度分析

水泥基灌浆料28 d抗压强度正交试验的极差分析，见表8。

结合表4、表5和表8的试验数据得出，28 d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%。

图4为28 d抗压强度极差分析图。从图4可以看出，该组试验数据中对强度影响程度最大的是水胶比，与3 d抗压强度试验结果一致，抗压强度随水胶比的增大逐渐降低；胶砂比对强度影响程度最小，强度随胶砂比的增大先降低后升高；尾矿粉掺量对强度的影响比粉煤灰掺量对强度的影响程度略大，强度随尾矿粉掺量的增加先降低后升高再降低；强度随粉煤灰掺量的增加呈先降低后升高的趋势。由图4中各因素的峰值可以看出， 28 d抗压强度的最佳因素水平组合为A1B1C3D1。

3.3 对照分析

根据上述试验得出的较为合理的因素水平，设计了2组对照试验，细骨料分别为全铁尾矿砂和全河砂。2组对照试验数据见表9。

图5为对照试验数据，从图5可以看出，细骨料采用纯铁尾矿砂试验组的抗压强度相较于采用全河砂的试验组的抗压强度，3 d和28 d的抗压强度都有不同程度的提高，证实了选用铁尾矿砂全替代河砂、粉煤灰和经活化激发后的铁尾矿粉部分替代水泥的方式具备可行性。

3.4 微观分析

3.4.1 XRD分析

本试验采用X射线衍射（X-ray diffraction，XRD），通过利用X射线在材料中的衍射现象获得衍射强度，通过查询各衍射角对应的物质，可得到材料中水化反应产生的主要成分。为研究灌浆料28 d内部物质反应情况，进行了X射线衍射试验，扫面起始角度为5°，终止角度为85°，每步间隔0.02°，每步停留0.5 s[18]。图6—图9中的XRD衍射是根据XRD测试所得衍射角数据所绘制。

图6为试验1—4组28 d水化产物XRD衍射图，是将1—4组养护28 d后取样进行XRD检测所得。从图6中可以看出，4組灌浆料中硅酸二钙的含量最高；对比前4组的抗压强度数据发现，灌浆料中硅酸二钙含量越高，抗压强度越高。

图7为试验5—8组28 d水化产物XRD衍射图，是将5—8组养护28 d后取样进行XRD检测所得。从图7可以看出，4组灌浆料中石英的含量最高，除石英外，第5组钙矾石含量最高，6—8组均是氢氧化钙含量最高。石英对灌浆料的抗压强度的影响不大；氢氧化钙会一定程度地影响灌浆料的抗压强度，钙矾石会提高抗压强度。对比抗压强度数据，第5组抗压强度比其余3组高。

图8为试验9—12组28 d水化产物XRD衍射图，是将9—12组养护28 d后取样进行XRD检测所得。从图8可以看出，4组灌浆料中硅酸三钙的含量最高，其次含量最高的为氢氧化钙。钙矾石、硅酸二钙、硅酸三钙都能使灌浆料的强度提升，第9组的钙矾石含量比第10组高，导致第9组比第10组灌浆料的强度高。氢氧化钙能一定程度影响灌浆料强度，从图8中可以看出，第11、12组的氢氧化钙的含量比9、10组高，所以11、12组的强度较9、10组偏低。

图，是将13—16组养护28 d后取样进行XRD检测所得。从图9可以看出，第13组中石英的含量最高，其次是氢氧化钙，氢氧化钙导致该组的抗压强度偏低；其他3组钙矾石的相对含量最高，其余成分相差不大，导致这3组抗压强度相差无几。

XRD衍射结果表明，注浆材料中的主要矿物为硅酸二钙、硅酸三钙、钙矾石、硫铝酸钙、氢氧化钙和石英等。水化后，普通硅酸盐水泥会形成氢氧化钙、CSH凝胶、钙矾石和硫铝酸钙等，而氢氧化钙则会对水泥基水泥的强度造成负面影响，而SiO2与氢氧化钙发生反应，形成CSH凝胶，能提高灌浆料的黏合性、耐久性和力学性能。

3.4.2 SEM

灌浆料强度的主要来源是水泥中的硅酸根离子和钙离子通过水化反应生成CSH凝胶，该凝胶主要作用是填充孔隙，改善结构的致密程度和强度。为了更直观地了解灌浆料的水化反应程度及内部结构，进行了扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）。图10为不同水胶比、相同胶砂比的4组试验的SEM图。

从图10（a）可以看出，该组的结构密实，生成大量絮状水化产物，无明显裂缝，水化反应进行比较完全，强度高；从图10（b）可以看出，该组的结构较为密实，但存在裂缝，对整体强度有一定程度的影响，水化反应进行不完全；从图10（c）可以看出，该组在水化反应过程中产生絮状物和片状物，但未形成密实结构和支撑骨架，导致试件强度低；从图10（d）可以看出，该组存在较大孔隙，水化反应不完全，但已反应生成大量钙矾石等物质起到一定的支撑作用，试件强度偏低。

4 结论

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

1）在所研究的4种因素下，对抗压强度的影响程度由大到小排序为水胶比、尾矿粉掺量、粉煤灰掺量和胶砂比。

2）经极差分析，28 d内最佳因素水平组合均为：水胶比为0.36、胶砂比例为1∶0.6、尾矿粉掺量为10%、粉煤灰的掺量为6%时性能达到最佳。

【参 考 文 献】

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