不同铁尾矿砂掺量对砂浆性能的影响.pdf

广东建材2023年第8期0 引言天然砂是制备砂浆和混凝土的重要原材料，然而天然砂的短缺难以满足我国基础建设的需要，此外为了保护环境，各地开始逐步颁布禁止开采天然砂的政策，这也使天然砂的价格攀高。因此亟需寻求天然砂的替代物，以取代河砂作为混凝土中的细骨料。天然砂是制备砂浆和混凝土的重要原材料，天然砂的短缺难以满足我国基础建设的需要，同时，各地为了保护环境开始颁布禁止开采天然砂，也使天然砂的价格攀高。因此亟需寻求天然砂的替代物，以取代河砂作为混凝土中的细骨料。在细骨料取代材料中，尾砂受到了学者们的广泛关注，很多研究者将尾砂代替天然砂来制作混凝土。在2021年发表了一篇综述文章1，带来了大量关于尾矿及其应用的信息。在这些应用中，我们可以重点介绍民用建筑、陶瓷工业和碱性活性材料领域，以及其他更多的技术应用，如合成沸石、介孔二氧化硅、碳纳米管、吸附、催化和电池。在铁矿石选矿过程中，会产生两种类型的尾矿：脱泥过程产生的富含铁的泥浆，以及尾矿浮选过程产生的砂质尾矿，一种富含石英的沙子。对于富含石英的砂质尾矿，一些应用实例是在生产中代替沙子混凝土和砂浆的生产、陶瓷的生产、硅酸盐的合成和地质聚合物的生产。铁矿石尾矿是铁矿石选矿后产生的工业固体废物，它是一种快速积累的废物2。由于全球对钢铁和相关行业的需求不断增加。对铁的高需求导致了铁含量较低的铁矿石的开采，导致尾矿的产生越来越多。以可用矿石为基础的全球铁矿石产量约为25亿吨，2019年估计铁含量为15亿吨，世界可用铁矿石产量以澳大利亚、巴西、中国和印度为首3。随着中国钢铁行业在过去三十年中的快速发展，截至2015年，中国已累计物联网50亿吨，年排放物联网超过6亿吨4。根据 中国矿业报 报道的数据5，2018年我国尾矿综合利用率已达27.69%。此外关于铁尾矿砂的研究，李等人6利用熟料、矿渣、铁尾矿粉和石膏制备了胶凝材料，发现其抗压强度可达42.5强度等级。Cheng等人7发现，铁尾矿在机械化学活化后具有反应性，并且铁尾矿粉末的最大置换率随着w/b比的降低而增加。熊等人8报道称，铁尾矿粉的加入降低了水泥浆早期的抗压强度，但后期的抗压强度与普通水泥浆相似；铁尾矿粉还提高了浆料的抗硫酸盐性。Han等人9揭示了细铁尾矿粉显著促进了粘结剂的水化反应速率。添加适量的铁尾矿粉有利于混凝土性能的发展。段等人10指出，铁尾矿粉降低了碱的流动性，延长了碱的凝结时间-活性粉煤灰浆体和20%铁尾矿粉体的加入降低了碱活性粉煤灰膏体的孔隙率和微裂纹。铁尾矿粉也用于生产蒸压加气混凝土11。一些 研 究 调 查 了 使 用 铁 尾 矿 作 为 细 骨 料 的 混 凝 土性能12-13。不同铁尾矿砂掺量对砂浆性能的影响王艳艳1朱剑波2朱月雷3丁 益3*陈 瑛1魏予乐1吴子龙3(1 安徽建工检测科技集团有限公司)(2 马鞍山马钢嘉华商品混凝土有限公司)(3 安徽建筑大学 材料与化学工程学院)【摘要】本研究首先测试了铁尾矿砂的颗粒级配、需水量等性能，再用铁尾矿砂和河砂复掺配制了砂浆试样。按照复掺砂浆试样的力学性能、抗冻性能和收缩性能，分析了铁尾矿砂对砂浆各性能的影响。试验控制砂浆稠度在（855）mm，结果显示，随着铁尾矿砂取代量的增大，砂浆需水量逐渐变大，表观密度降低，砂浆的抗折和抗压强度不断减小，干燥收缩率逐渐增大。【关键词】铁尾矿砂；砂浆；物理性能；收缩性能基金项目安徽省住房城乡建设科学技术计划项目“固体废弃物综合利用关键技术研究”（2021-YF28）；安徽建工集团2021年度科研项目（2021-20JF）；安徽省建筑科学研究设计院2021年度科研项目（2021JKY-1-06）.材料研究与应用-6广东建材2023年第8期本实验中采用了选取马鞍山地区的铁尾矿砂作为实验掺合料，而后测试了铁尾矿砂的密度、颗粒级配、细度模数、化学组成和矿物组成等基本性能，并用其取代不同量的天然砂，研究了铁尾矿砂对砂浆工作性能、力学性能、抗冻能能及收缩性能等的影响，探讨了铁尾矿砂制备水泥砂浆、混凝土的可行性。1 试验材料和方法1.1原材料水泥：产地为安徽铜陵，生产公司为海螺水泥有限公司，水泥型号为P O42.5水泥。其物理性能见表1。细骨料：铁尾矿砂，安徽省马鞍山某铁尾矿堆放厂产，细度模数1.40，无级配区，表观密度2780kg/m3，堆积密度1210kg/m3，筛分试验数据见表2，需水量比试验数据如表3；河砂：产地：鄱阳湖，细度模数2.9，区，筛分试 验 数 据 见 表 4，表 观 密 度 2620kg/m3，堆 积 密 度1450kg/m3；粉煤灰：F 类级粉煤灰，细度 19.8%，需水量比87%，烧失量3.2%，皖能合肥发电有限公司粉煤灰分公司。项目指标体积安定性合格凝结时间/min初凝207终凝259抗压强度/MPa3d28.728d46.5抗折强度/MPa3d5.828d8.0表1 PO 42.5级水泥物理性质细砂特细砂累计筛余/%级配区4.75mm100002.36mm15015001.18mm2502002600um401625010300um8555552047150um9475903080表2 铁尾矿砂筛分析1.2试验方法砂浆物理性能试验。实验方案为分别以 0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的替代率，将铁尾矿砂替代天然砂作为细骨料，此外不加任何外加剂及掺和料。测试性能有表观密度、保水性、抗折和抗压强度试验，据此分析不同铁尾矿砂掺量对砂浆物理性能的影响，所拌砂浆量为8L，稠度控制在80mm90mm范围内。1.2.1砂浆的稠度、表观密度、收缩试验参照 建筑砂浆基本性能试验方法标准（JGJ/T70-2009）14。1.2.2砂浆保水性试验参照 建筑砂浆基本性能试验方法标准(JGJ/T70-2009)14进行保水率测试,期间测定记录砂浆含水率15-16。1.2.3砂浆的抗压、抗折强度试验参照 水泥胶砂检验方法（ISO法）（GB/T 17671-2021）17进行测试。对比胶砂流动度/mm232.5试验胶砂流动度/mm231.0试验胶砂加水量/ml365铁尾矿砂需水量比/%162表3 铁尾矿砂需水量比试验数据区区区累计筛余/%级配区4.75mm10010010042.36mm355250150171.18mm6535501025033600um85717041401655300um95809270855593150um97859480947599表4 天然砂的筛分析材料研究与应用-7广东建材2023年第8期1.2.4砂浆收缩试验参照 建筑砂浆基本性能试验方法标准 JGJ/T 70-2009标准14中收缩试验方法，采用40mm40mm160mm棱柱体试模，以水泥和细骨料质量比为1:3配制成型砂浆收缩试件。在试验室环境温度1822，相对湿度为 50%60%时分别测试和比较龄期为 7d、14d、21d、28d、56d、90d时试件长度的变化18。1.2.5砂浆抗冻试验参照 建筑砂浆基本性能试验方法标准 JGJ/T 70-2009 标 准 中 抗 冻 性 能 试 验 方 法14，制 备 70.7mm70.7mm70.7mm的立方体试件，每种掺量配比的砂浆制备两组，每组3块，分别作为抗冻和与抗冻试件同龄期的对比抗压强度检验试件。试件制作完后，先标准养护26d，然后在1520的水中浸泡2d，水面高出试件顶面20mm，根据规范要求，每次冻融试件为4h，融化时间不应小于4h，在冻融循环作用后，检测时间的质量和抗压强度。计算冻融循环后试件的质量损失率和强度损失率。仪器采用TDR型非金属材料全自动冻融试验机，厂家：宁夏机械研究院股份有限公司19。2 试验结果和分析2.1试验配合比铁尾矿砂代替天然河砂，代替比例分别为 0100%，控制砂浆稠度在（855）mm。砂浆配合比见表5。2.2试验结果砂浆物理性能试验结果见表6。随着铁尾矿砂掺加量的增加，砂浆的7d和28d抗折强度逐渐降低，其中河砂砂浆28d抗折强度为7.2MPa，尾矿砂掺量100%时的28d抗折强度降到了5.3MPa。编号S1-0S1-1S1-2S1-3S1-4S1-5S1-6S1-7S1-8S1-9S1-10铁尾矿砂掺量010%20%30%40%50%60%70%80%90%100%表观密度/kg/m322422251224822382240223722342226221121872160稠度/mm9083848484869087868682保水率/%99.999.999.899.899.999.899.899.899.899.999.8抗折强度/MPa7d5.735.935.835.074.674.674.234.234.273.533.2328d7.26.46.36.86.86.35.95.85.85.45.3抗压强度/MPa7d27.231.125.824.123.420.718.219.517.915.814.628d40.142.835.633.832.232.527.529.426.224.421.1表6 砂浆物理实验性能编号S1-0S1-1S1-2S1-3S1-4S1-5S1-6S1-7S1-8S1-9S1-10水泥/kg/m3450450450450450450450450450450450总砂/kg/m313501350135013501350135013501350135013501350铁尾矿砂/kg/m30135270405540675810945108012151360天然砂/kg/m31350121510809458106755404052701350铁尾矿砂掺量/%0102030405060708090100水/kg/m3267.9270.0280.0290.0300.0313.5326.1330.8353.8371.7390.8表5 砂浆配合比材料研究与应用-8广东建材2023年第8期2.3试验结果分析2.3.1铁尾矿细砂掺量对砂浆表观密度分析铁尾矿砂掺量的增加导致的砂浆表观密度变化趋势如图1所示，可以观测到铁尾矿砂掺量增加导致表观密度下降。这是由于掺加铁尾矿砂后，砂浆料的需水量增加，因为铁尾矿砂的表面粗糙，表面棱角多也较河沙更多，这也导致铁尾矿砂中含有一定量的石粉，石粉的吸水十分显著，会导致用水量的增大。结果导致随着铁尾矿砂掺量的增加，砂浆的表观密度呈降低趋势。只有当砂浆的保水率均达到99.5%以上时，才可以说明砂浆的保水性能良好。2.3.2抗压强度、抗折强度试验图2为各组铁尾矿砂掺量测试的抗压与抗折对比图。结果显示，随着铁尾矿砂掺量的增加，铁尾矿砂浆的7d、28d抗压强度整体呈降低趋势。这是由于随着铁尾矿砂掺量的增加，砂浆的用水量也增加，用水量增加导致了砂浆的强度降低。另外，由于铁尾矿砂细度模数较小，同体积砂浆中铁尾矿砂颗粒较多，比表面积较大，这导致没有足量的胶凝材料能够包裹铁尾矿砂颗粒，进而导致砂浆整体粘结力较低19，从而也会使砂浆的强度降低。图2中抗折强度比较图显示，随着铁尾矿砂掺量的增加，砂浆的7d和28d抗折强度逐渐降低，其中河砂砂浆 28d的抗折强度为 7.2MPa。在尾矿砂掺量 100%时，28d抗折强度降到了5.3MPa，强度则下降了26%。总之随着铁尾矿砂掺量的增加，砂浆的7d和28d抗压强度逐渐降低，相比较河砂砂浆28d抗压强度为40.1MPa，而铁尾矿砂掺量为100%时，28d抗压强度仅21.1MPa，比河砂砂浆28d抗压强度降低了50%。2.3.3抗冻试验砂浆抗冻试块结果如图 3 所示，采用 70.7mm70.7mm70.7mm的立方体试块，并制作两组，每组3块，分别作为抗冻和抗冻试件同龄期的对比抗压强度检验试件。此部分试验分别对河砂、混合砂和铁尾矿砂砂浆进行抗冻试验，结果如图所示，抗冻融循环25次时，铁尾矿砂掺加量为60%时，强度损失率最大，为-20%；而当铁尾矿砂掺加量为40%时，强度基本未变化。抗冻融循环35次时，铁尾矿砂掺加量为50%时，强度损失率最大，为-23%；而当铁尾矿砂掺加量为90%时，强度损失率最小。抗冻融循环50次时，铁尾矿砂掺加量为40%时，强图1 表观密度图2 抗折与抗压强度图图3 各组冻融循环强度损失率与质量损失率图材料研究与应用-9广东建材2023年第8期度损失率最大，为-33%；而当铁尾矿砂掺加量为60%时，强度损失率最小。而关于质量损失方面，各组变化较小。50个循环时，有力值增加的现象，掺量30%的砂浆强度增加21%。所有冻融循环，质量损失率皆为零。质量损失率在25个循环的时候，掺量100%的砂浆损失率达到5%，其余各个循环的质量损失率大多为0。2.3.4收缩试验收缩实验结果如图4所示，实验方案为用铁尾矿砂代替天然河砂砂，代替比例梯度为 0100%，同时控制砂浆稠度在（855）mm。实验中，将天然砂、混合砂和铁尾矿砂砂浆按配比成型试件后，采用干燥收缩实验室进行养护，养护制度为温度(202)，相对湿度(605)%，研究收缩尺寸随龄期变化的情况。从试验砂浆干缩实验结果可以看出：随着养护龄期的增长，各组试件干燥收缩值均增加，其中试件收缩值在56d前快速增加，56d至90d试件收缩值增加速度较慢。其中掺量为100%的铁尾矿砂制备砂浆试样在28d时的干燥收缩最大，达到92510-6；在56d时，掺量90%的混合砂砂浆试件尺寸的变化值最大，收缩值为151010-6。此后随着养护龄期的增长，铁尾矿砂-天然砂混合砂砂浆的收缩值结果显示均大于天然砂组，且变化规律为：收缩值随着铁尾矿砂的取代量增加而增大。当铁尾矿砂取代量为90%时，90d收缩值最大达到1.61810-9。导致铁尾矿砂砂浆的干燥收缩率大的原因有两个：一是由于砂颗粒形貌对收缩值的影响比较大，天然砂表面较光滑，棱角较少，而铁尾矿砂表面粗糙且棱角多，在铁尾矿砂掺加进基体后，使基体均匀度变差，裂纹孔隙也随之增多，这导致了铁尾矿砂砂浆保水性能较差20；二是铁尾矿砂中含有少量的石粉，石粉的粒径很小，水泥在水化过程中，部分石粉可起到起晶核作用，作为水泥水化产物成核种子，加速水化硅酸钙或水化铝酸钙的形成，另一方面水泥水化产物中有大量自身Ca(OH)2、水化铝酸钙，石粉则可能会与他们发生反应，生成水化碳铝酸钙等，这个过程增大了浆体量，使干缩增大20-22。3 结论本文研究了用铁尾矿砂制备砂浆及其应用，结论如下：随着铁尾矿砂掺量的增加，用水量呈增加趋势，砂浆的表观密度呈降低趋势，砂浆的保水率均达到99.5%以上，保水性能良好。随着铁尾矿砂掺量的增加，砂浆的7d和28d抗折强度逐渐降低，河砂砂浆28d抗折强度7.2MPa，尾矿砂掺量 100%时的 28d抗折强度降到了 5.3MPa，强度下降了26%。随着铁尾矿砂掺量的增加，砂浆的7d、28d抗压强 度 整 体 呈 降 低 趋 势。河 砂 砂 浆 28d 抗 压 强 度40.1MPa，铁尾矿砂掺量为 100%时，28d 抗压强度达到21.1MPa，比河砂砂浆28d强度降了50%。抗冻融循环25次时，铁尾矿砂掺加量为60%时，强度损失率最大为-20%；而当铁尾矿砂掺加量为 40%时，强度基本未变化。抗冻融循环35次时，铁尾矿砂掺加量为50%时，强度损失率最大为-23%；抗冻融循环50次时，铁尾矿砂掺加量为 40%时，强度损失率最大为-33%；质量损失较小。随着龄期增长，各组试件干燥收缩值均增加，且在56d前，试件收缩值快速增加，56d至90d试件收缩值增加速度较慢。【参考文献】1 Bastos,L.A.D.Silva,G.C.Mendes,J.C.Peixoto,R.A.F.Using Iron Ore Tailings fromTailing Dams as Road MaterialJ.Journal of Materials in Civil Engineering,2021,28(10):0899-1561.图4 自然干燥收缩值与铁尾矿砂掺量的关系图材料研究与应用-10广东建材2023年第8期 2 G.Yang,Y.Deng,J.Wang,Non-hydrothermal synthesis and characterization of MCM-41 mesoporousmaterialsfromironoretailing,Ceram.Int.40(2014)：7401-7406.3 UnitedStatesGeologicalSurveyUSGS,MineralCommoditySummaries,IronOre,2020.https:/pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2020/mcs2020-iron-ore.pdf.4 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