周磊 翁金紅 李凱雯 王金行 劉娟紅

（1.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團姑山礦業(yè)有限公司；2.北京科技大學土木與資源工程學院）

作為鐵礦石加工后的固體礦物廢料，大量鐵尾礦粉沒有得到及時有效的處理，尾礦中的有毒物質(zhì)不僅給社會環(huán)境帶來嚴重污染，還會產(chǎn)生安全問題［1-3］。目前，我國對鐵尾礦資源化技術已經(jīng)頒布的標準共29 項，尋找低污染、高附加值、具有市場競爭力的鐵尾礦綜合利用手段，成為我國解決鐵尾礦滯存問題的重要方向［4-5］。

隨著我國建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對砂漿的需求量日益增加，而砂子對普通干粉砂漿配制和性能有巨大影響［6-8］。近年來，機制砂迅速發(fā)展，成為建筑用砂的主要來源。干混砂漿中集料比例占一半，鐵尾礦粉物理性質(zhì)與天然砂類似［6-7］，若能應用于干粉砂漿中，可以解決部分安全和環(huán)境問題。鄭金妹［8］研究鐵尾礦砂摻入普通砂漿中發(fā)現(xiàn)，鐵尾礦砂摻量在10%～15%時，砂漿流動性最好，砂漿的抗壓強度、抗折強度隨著鐵尾礦砂增加呈現(xiàn)先降后升的趨勢。李曉光等［9］用鐵尾礦砂部分替代機制砂制備普通砂漿，發(fā)現(xiàn)流動性降低，抗壓強度和彈性模量增加。林松［10］通過鐵尾礦砂替代天然砂，發(fā)現(xiàn)隨著鐵尾礦砂的增加，普通砂漿的表觀密度、用水量增加，砂漿的抗折和抗壓強度降低。Giri等［11］研究鐵尾礦砂替代天然砂和石灰，發(fā)現(xiàn)鐵尾礦砂的摻入會使砂漿的含氣量降低，但砂漿的表面密度和用水量增加。Argane等［12-13］發(fā)現(xiàn)，尾礦替代30%的天然砂可在砌筑砂漿中應用，隨著砂漿中尾礦砂中細粉的增加，砂漿的抗壓強度逐漸降低，孔隙率增大。

目前，使用鐵尾礦粉制備干粉砂漿的研究文獻很少，因此，本文采用不同比例鐵尾礦粉替代機制砂和水泥，對含鐵尾礦粉干粉砂漿的和易性、力學性能和微觀機理進行研究。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

鐵尾礦粉取自白象山尾礦，其化學組成和性能指標見表1、表2，礦物成分分析見圖1。選用冀東P.O.42.5 普通硅酸鹽水泥，28 d 抗壓強度53.45 MPa；選用Ⅰ級粉煤灰和S95級磨細礦渣粉；選用細度模數(shù)2.70 的機制砂；使用聚羧酸減水劑、葡萄糖酸鈉和纖維素醚作為外加劑；拌合水使用自來水。

1.2 砂漿試塊制備

為了研究鐵尾礦粉替代機制砂和水泥對干粉砂漿和易性和力學性能的影響，根據(jù)基礎配比設置對照組，用以觀察使用基礎干粉砂漿的各種狀態(tài)。以A1為基礎組，用鐵尾礦粉按照機制砂5%，10%，15%，20%，25%，30%的比例逐步替代，保持機制砂和鐵尾礦粉總量不變；在A1 的基礎上用鐵尾礦粉按照5%，8%，10%，13%，15%，18%，20%的比例逐步替代水泥和機制砂（為B組）。隨著鐵尾礦粉替代率的增加，逐漸提高水的用量。砂漿試樣按表3 配合比攪拌完成后，裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 模具中，拆膜后將試驗試件在標準條件下（（20±2）℃，濕度90%以上）養(yǎng)護至相應齡期。

1.3 試驗方案

按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T 70—2009）進行試件制作與養(yǎng)護，測定砂漿的稠度及稠度損失率、抗壓強度、拉伸黏結強度；通過X射線衍射和熱重試驗，對砂漿凈漿粉末樣品物相組成分別進行定性和定量分析；采用FEI Quanta250 環(huán)境掃描電鏡對砂漿凈漿試件進行SEM 分析，觀測試件微觀結構特征變化。

2 試驗結果與分析

2.1 鐵尾礦粉對干粉砂漿和易性的影響

通過研究砂漿稠度和稠度損失率來評價砂漿和易性。水泥砂漿稠度表示砂漿的流動性，而稠度損失率大小影響砂漿的工作性能。各組砂漿測得的稠度及稠度損失率見表4。

由表4 可知，隨著鐵尾礦粉替代率的增加，砂漿A 組和B 組2 個組別的砂漿稠度損失率逐漸增加，但均能達到規(guī)范標準要求（砂漿稠度損失率小于30%）。影響砂漿稠度和稠度損失率的因素很多，其中最重要的是骨料和摻合料的性質(zhì)［14］，從礦物摻和料的角度分析，粉煤灰粒徑小，能填補砂漿內(nèi)部空隙［15-17］。粉煤灰內(nèi)部存在緊密均質(zhì)的玻璃微珠，可以增加砂漿的塑性，粉煤灰具有“滾珠效應”，可以減少水的用量，因此摻入適量粉煤灰能夠使砂漿的和易性增加。鐵尾礦粉需水量比為113%，較水泥和機制砂大，隨著鐵尾礦粉摻量的增加，水的用量增加，說明礦粉具有吸水效應，因此水泥砂漿表面能吸附的水減少，稠度損失率逐漸增加。

2.2 鐵尾礦粉對干粉砂漿抗壓強度的影響

砂漿的立方體抗壓強度是工程中評價砂漿力學性能最重要的指標之一。該試驗測定了各組別砂漿不同齡期的立方體抗壓強度，鐵尾礦粉對砂漿強度的影響規(guī)律見表5。

由表5可知，以不同比例鐵尾礦粉對機制砂水泥替代的情況下，A1 組3 d 和B1 組28 d 抗壓強度均能達到20 MPa。為最大限度利用鐵尾礦粉，在A3 組以10%替代機制砂的情況下，砂漿28 d抗壓強度能達到22.78 MPa，實際工程中要求干粉砂漿強度最大為M20標準，滿足實際工程條件。隨著鐵尾礦粉替代機制砂和水泥含量的增加，砂漿強度逐漸降低，從配合比來看，這是因為隨著鐵尾礦粉的增加，干粉砂漿水膠比增加，使砂漿的抗壓強度逐漸降低。鐵尾礦粉粒徑極小，具有顯著的填充效應，填充于砂漿孔隙［18］，鐵尾礦粉能夠填充水泥的孔隙，密實砂漿內(nèi)部結構；同時還有微晶核效應［19］，能夠?qū)λ嗨潭绕鸺铀僮饔?，水泥水化產(chǎn)物增加，對干粉砂漿早期的抗壓強度起到了很大的作用。另一方面，鐵尾礦粉活性較水泥低，隨著鐵尾礦粉摻量的增加，水泥摻量降低，水化產(chǎn)物減少，使得水泥石的連續(xù)結構被打破，干粉砂漿抗壓強度降低。

2.3 鐵尾礦粉對干粉砂漿拉伸黏結強度的影響

砂漿拉伸黏結強度是砂漿與基體之間黏結是否牢固的體現(xiàn)，在實際工程應用中有重大意義。不同比例尾礦砂和尾礦細粉替代機制砂和水泥對干粉砂漿拉伸黏結強度影響見表6。

由表6可知，隨著干粉砂漿中鐵尾礦粉替代率的增加，砂漿14 d 拉伸黏結強度呈先增加后下降趨勢，在A3 和B4 處分別得到各組曲線最高點，為0.3 MPa和0.28 MPa，滿足標準規(guī)范要求（砂漿拉伸黏結強度大于0.2 MPa）；這說明在鐵尾礦粉含量低于15%時，起主要作用的是鐵尾礦粉的填充效應，鐵尾礦粉能夠填充砂漿中的孔隙，進一步提高砂漿的密實性；當鐵尾礦粉摻量繼續(xù)增加時，膠凝材料難以對鐵尾礦粉繼續(xù)進行包裹，使得水泥與鐵尾礦粉之間增加結構缺陷，從而降低干粉砂漿的拉伸黏結強度。

2.4 鐵尾礦粉對干粉砂漿微觀機理的影響

2.4.1 X射線衍射分析

根據(jù)X衍射分析試驗結果，對干粉砂漿凈漿中的礦物成分進行分析，這是目前測試晶體結構最有效、最重要的手段。未摻鐵尾礦粉基礎組A1和鐵尾礦粉以10%比例替代機制砂時A3 砂漿凈漿XRD 圖譜見圖2。

由圖2可見，樣品中主要衍射峰為Ca（OH）2、SiO2、斜鈣沸石、CaAl4O7及少量CaCO3；在養(yǎng)護28 d條件下，摻入10%比例鐵尾礦粉的凈漿（A3 組）中Ca（OH）2的衍射峰高于基礎組凈漿（A1 組），這說明A3 組中的Ca（OH）2量高于A1 組，鐵尾礦粉的摻入能夠加速水泥的水化，生成更多的Ca（OH）2；A3 組中可以看到斜鈣沸石和CaAl4O 的衍射峰，說明A3 組中還產(chǎn)生了鋁酸鹽和硅酸鹽，這是因為鐵尾礦粉中硅氧斷鍵和鋁氧斷鍵在Ca（OH）2的反應下發(fā)生重聚反應，生成了以硅酸鈣、硅鋁酸鈣為主要成分的復鹽礦物；A3組凈漿中SiO2生成物衍射峰高于A1組，主要是因為A3組中摻入了鐵尾礦粉，而鐵尾礦粉中的主要化學組成為SiO2。

2.4.2 熱重分析

熱重分析（TG）是定量分析樣品成分的重要手段，可以通過非晶體物質(zhì)的失水行為和失碳行為來分析水泥材料成分?；A組A1 和鐵尾礦粉10%替代機制砂組A3樣品的TG-DTA曲線見圖3。

由圖3 可見，2 組試樣主要發(fā)生3 次明顯的失重行為，鈣礬石和Ca（OH）2的失水溫度分別約為100 ℃和450 ℃，碳酸鈣的失碳溫度大約為650 ℃；A1 組3次明顯失重量分別為2.78%，0.26%和1.34%，可得出基礎組樣品化學結合水失重量為3.04%；A3組3 次明顯失重量分別為3.12%、0.37%和1.59%，可得出摻入鐵尾礦粉組樣品化學結合水失重量為3.49%。由此可知，摻入鐵尾礦粉組別結合水失重較基礎組更多，這說明樣品水化程度加深，生成了更多水泥水化產(chǎn)物，說明鐵尾礦粉的摻入能夠促進水泥水化，這也印證了上述XRD試驗的分析結果。

2.4.3 掃描電鏡分析

SEM 圖像可以觀察到凈漿的微觀形貌，圖4為不含鐵尾礦粉基礎組A1 凈漿和摻量10%鐵尾礦粉A3組凈漿養(yǎng)護28 d后SEM微觀圖。

由圖4 可見，A1 組水泥試樣養(yǎng)護28 d 時，水泥水化程度較高，基礎組凈漿中主要有針棒狀鈣礬石晶體和絮凝狀的C-S-H 凝膠，以及少部分片狀水化硅酸鈣凝膠和板狀氫氧化鈣存在［20-21］，水泥砂漿的孔隙被水泥水化產(chǎn)物填充，整個試件結構較為密實，孔隙較少，因此砂漿整體強度較高；在摻入10%鐵尾礦粉時，從整體來看砂漿結構較為松散，這是因為隨著鐵尾礦粉含量的增加，需水量增加，水泥的水化產(chǎn)物不足以填充整個孔隙，對砂漿整體結構影響較大，從而導致砂漿強度降低；綜合來看，鐵尾礦粉的摻入對砂漿孔隙有較為顯著的影響，前期能夠促進水泥的分化，使得水化產(chǎn)物水化硅酸鈣含量增加對孔隙進行填充，并且鐵尾礦粉細度大顆粒分布均勻，也能進一步降低砂漿孔隙率；而隨著鐵尾礦粉摻量的增加，水泥水化產(chǎn)物不足以對砂漿孔隙進行填充密實，最終導致砂漿強度降低。

3 結論

（1）鐵尾礦粉能夠以不同比例替代水泥和機制砂，在鐵尾礦粉對機制砂替代率為10%時，能滿足M20干粉砂漿和易性和力學性能的標準規(guī)范要求，且性能最優(yōu)。

（2）在不同比例鐵尾礦粉替代機制砂和粉煤灰的情況下，A3 組抗壓強度為22.78 MPa。鐵尾礦粉粒徑極小，具有顯著的填充效應，填充于砂漿孔隙，砂漿內(nèi)部結構更加密實，加速水泥水化，對干粉砂漿早期的抗壓強度起到了很大的作用；另一方面，鐵尾礦粉活性較水泥低，隨著鐵尾礦粉摻量的增加，砂漿中提高抗壓強度的有效水化產(chǎn)物減少，干粉砂漿抗壓強度降低。

（3）鐵尾礦粉含量低于15%時，鐵尾礦粉的填充效應起了很大的作用，在砂漿形成的空隙中填充，進一步提高砂漿的密實性；當鐵尾礦粉摻量繼續(xù)增加時，膠凝材料難以對鐵尾礦粉繼續(xù)進行包裹，使得水泥與鐵尾礦粉之間增加結構缺陷，從而降低干粉砂漿的拉伸黏結強度。

（4）早期鐵尾礦粉的摻入能夠加速水泥的水化，樣品水化程度提高，生成更多的Ca（OH）2。摻入鐵尾礦粉組中還產(chǎn)生了鋁酸鹽和硅酸鹽，這是因為鐵尾礦粉中的硅氧斷鍵和鋁氧斷鍵在Ca（OH）2的反應下發(fā)生重聚反應，生成以硅酸鈣、硅鋁酸鈣為主要成分的復鹽礦物，并對砂漿孔隙有較為顯著的影響，凈漿中水化產(chǎn)物對孔隙進行填充，能降低砂漿孔隙率；而隨著鐵尾礦粉摻量的增加，水泥水化產(chǎn)物不足以對砂漿孔隙進行填充密實，最終導致砂漿強度降低。