尾礦砂與機制砂在干混砂漿中的應用研究

張海峰，趙秋寧，宋瑞旭，孫逢新

（濟寧中聯混凝土有限公司，山東 濟寧 272000）

尾礦砂與機制砂在干混砂漿中的應用研究

張海峰，趙秋寧，宋瑞旭，孫逢新

（濟寧中聯混凝土有限公司，山東 濟寧 272000）

本文研究了尾礦砂與機制砂復配對干混砂漿工作性、力學性能的影響，并利用掃描電鏡對砂漿微觀結構進行了分析。結果表明：摻入尾礦砂不僅可以改善干混砂漿工作性，而且還可以提高力學性能，其適宜摻量為 30% 左右。

尾礦砂；機制砂；干混砂漿；工作性；力學性能

0 引言

尾礦砂是指礦山中開采出的礦石磨細后，經選礦廠選出有價值的精礦后產生的細砂一樣的廢渣。濟寧本地的尾礦砂主要為鐵尾礦，鐵尾礦主要是鐵礦在提純過程中留下的，絕大部分很細，組成和細度指標相對穩定。目前我國堆存的尾礦量近 50 億噸，年排出的尾礦量高達 5 億噸以上，其中鐵礦山年排放量達 1.5 億噸，占入選鐵礦石量的 60% 左右[1]， 需要建尾礦庫堆存，不僅占用大量土地，花費大量的人力物力進行維護，而且也污染環境。

干混砂漿是由水泥、干燥骨料或粉料、添加劑以及根據性能確定的其他組分，按一定比例，在專業生產廠經計量、混合而成的混合物，在使用地點按規定比例加水或配套組分拌合使用。相對于施工現場配制砂漿的傳統工藝來說，干混砂漿具有品種齊全、質量優異、品質穩定、施工性能良好、使用方便、施工工效高和環保等特點，因此得到了廣泛應用。2012 年我國普通干混砂漿產量突破 2300 萬噸，同比增加700 萬噸，增幅 43.8%。目前我國干混砂漿生產中主要使用天然河砂，在許多地方由于常年開采，許多河道砂源已枯竭，基本上無砂可采。由于河道采砂破壞自然環境等原因，國務院和許多地方政府已禁止河道取砂[2]，干混砂漿行業急需尋找天然河砂以外新的用砂途徑。如果將尾礦砂代替天然砂，應用于干混砂漿生產中，不僅可以緩解目前日益突出的天然砂緊缺問題，而且能實現固體廢棄物的資源合理利用，在降低生產成本的同時又保護了生態環境。

本試驗通過選取不同摻量的尾礦砂與機制砂復配代替天然砂作為砂漿的骨料，研究其對新拌砂漿工作性以及硬化砂漿物理力學性能的影響，并利用 SEM 等測試手段對尾礦砂砂漿微觀結構進行分析觀察。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥：山東某水泥廠生產的 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表 1。

表 1 水泥物理性能

（2）粉煤灰：山東某電廠 F 類 Ⅱ 級粉煤灰，細度15%，需水量比 98%，燒失量 6.0%。

（3）尾礦砂：萊蕪某鐵礦尾礦砂，細度模數 1.3，表觀密度 3100kg/ m3，其化學成分分析見表 2。

表 2 尾礦砂化學成分分析 %

（5）機制砂：山東某機制砂公司生產的機制砂，細度模數 3.2，表觀密度 2630kg/m3，石粉含量 3.4%，泥塊含量0.5%。

（6）添加劑：山東某公司生產的羥丙基甲基纖維素醚及木質纖維素。

1.2 試驗方法

選取干燥至恒重的尾礦砂，通過試驗研究尾礦砂摻量（從 0～80% 以 10% 體積分數遞增取代機制砂）對新拌砂漿工作性以及硬化砂漿物理力學性能的影響，同時利用 SEM 觀察尾礦砂及硬化砂漿微觀結構。

2 試驗結果與分析

2.1 尾礦砂摻量對砂漿工作性的影響

新拌砂漿的工作性是影響到砂漿施工性能的一個重要方面，工作性良好的砂漿容易在粗糙的磚石基面上鋪抹成均勻的薄層，而且能與基層緊密粘結，既有利于施工操作又能保證工程質量。本節研究尾礦砂不同摻量取代機制砂后對砂漿的用水量、濕表觀密度、稠度、保水性等方面的性能影響。

表 3 給出了試驗砂漿的配合比，并根據 JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行試驗。

表 3 尾礦砂不同摻量對砂漿性能影響結果

2.1.1 尾礦砂摻量對濕表觀密度的影響

圖 1 是砂漿濕表觀密度隨尾礦砂摻量變化曲線圖，由圖 1 可以看出，在膠凝材料用量不變的條件下，稠度基本相同時，隨著砂漿中尾礦砂摻量的增加，砂漿的密度呈增加趨勢。這是由于尾礦砂較天然砂粒徑小，其密度大于天然砂，所以尾礦細砂摻量越大，其砂漿密度越大。

圖 1 濕表觀密度隨尾礦砂摻量變化曲線

2.1.2 尾礦砂摻量對用水量的影響

圖 2 是砂漿用水量隨尾礦砂摻量變化曲線圖，由圖 4 可以看出，隨著尾礦砂摻量的增加，砂漿用水量呈增加趨勢，當摻量在 30%～50% 取代范圍內基本保持穩定。這是由于尾礦砂細度模數較小，比表面積較大，摻入尾礦砂后較原來需水量增加，摻量超過 50% 以后，砂漿需水量增加，隨著尾礦細砂摻量繼續大，其砂漿密度同時增大。

2.1.3 尾礦砂摻量對保水性的影響

各種需要砂漿進行施工的基層都具有一定的吸水性，基層吸收砂漿中的水份之后，會使砂漿的施工性變差，嚴重時會使砂漿中的膠凝材料不能充分水化，導致砂漿強度，特別是砂漿硬化體與基層之間的界面強度變低，造成砂漿開裂、脫落。如果砂漿具有適宜的保水性能，既可有效地改善砂漿的施工性，也可以使砂漿中的水份不易被基層吸走，保證水泥的充分水化。

圖 2 用水量隨尾礦砂摻量變化曲線

圖 3 是砂漿保水率隨尾礦砂摻量變化曲線圖，由圖 3 可以看出，在尾礦細砂摻量在 0～30% 時，隨著摻量的增加，砂漿保水性逐漸增強，在 30% 摻量時效果最好，隨著摻量進一步增加，砂漿保水性降低，這主要與骨料細度與顆粒級配有關。由于尾礦細砂粒徑小于機制砂，在 30% 摻量時，砂漿中顆粒級配均勻，尾礦細砂恰能填充機制砂中空隙，故其保水性最好，當尾礦細砂摻量超過 30% 時，砂漿中骨料比表面積逐漸增大，在同樣水泥用量的情況下沒有足夠的膠凝材料包裹骨料，使其保水性降低。

圖 3 保水率隨尾礦砂摻量變化曲線

2.2 尾礦砂摻量對砂漿抗壓強度的影響

圖 4 是摻入尾礦砂后砂漿 28d 抗壓強度隨尾礦砂摻量變化曲線圖，由圖 4 可以看出，隨著尾礦砂摻量的增加，砂漿的 28d 抗壓強度表現出“降-升-降”的趨勢。摻量從 10%到 20% 時強度逐漸降低并低于基準砂漿，30% 摻量時強度增加到達最高值然后又逐漸降低，在最高取代率時強度達到最低值。這是因為由于尾礦砂較細，比表面積大，摻入比例越多，需要的水和水泥量越大，在相同水泥用量時就會隨摻量增加導致界面粘結能力下降，強度降低。在摻量為 30% 時，尾礦砂填充效應較好，砂漿中骨架結構良好、體系密實，尾礦砂對結構的增強效應占主要方面，因此能提高砂漿力學性能。

圖 4 砂漿 28d 抗壓強度隨尾礦砂摻量變化曲線

2.3 微觀結構分析

圖 5 是尾礦砂的 SEM 照片，由圖 5 可以看出，尾礦砂外形棱角尖銳，表面粗糙而且凹凸不平。相比天然砂而言，尾礦砂與水泥等膠凝材料之間的結合好，密實度高，有助于強度的提高。

圖 6 是尾礦砂摻量為 30% 的 28d 硬化砂漿 SEM 照片，由圖 6 可以看出，在水化產物中生成了大量的針狀、棒狀的AFt 及 Ca(OH)2和凝膠物質，彼此相互交織在一起，填充于尾礦砂和機制砂等細骨料之間的空隙中，使得砂漿體系結構較為致密。

圖 5 尾礦砂 SEM 照片

圖 6 硬化砂漿 SEM 照片

3 結論

（1）尾礦砂取代機制砂制備干混砂漿后具有較好的工作性，其適宜摻量為 30% 左右。當摻量進一步增加時，將帶來如保水性變差、需水量增大、抗壓強度降低等不良影響。

（2）摻入尾礦砂后的硬化砂漿密實，骨架結構良好，尾礦砂起到了良好的填充效應，提高了體系力學性能。

（3）尾礦砂與機制砂復配生產干混砂漿，不僅可以緩解目前日益突出的天然砂緊缺問題，而且能實現固體廢棄物的資源合理利用，在降低生產成本的同時又保護了生態環境。

[1] 張錦瑞，王偉之，李富平，等．金屬礦山尾礦綜合利用與資源化[M]．北京：冶金工業出版社，2002．

[2] 蔡基偉．石粉對機制砂混凝土性能的影響及機理研究[D].武漢：武漢理工大學，2006．

［通訊地址］濟寧市高新區留行街道辦南營村駐地 濟寧中聯混凝土有限公司（272000）

Application research of tailing sand and manufactured-sand in dry-mixed mortar

Zhang Haifeng, Zhao Qiuning, Song Ruixu, Sun Fengxin
(China United Cement Jining Co., Ltd., Jining Shandong 272000, China)

The inf l uences of tailing sand and manufactured-sand on the workability and mechanical properties of dry-mixed mortar were studied. The microstructure was researched by SEM. Results showed that the introduction of tailing sand into dry-mixed mortar not only improveing the workability of dry-mixed mortar, but also increaseing the mechanical properties, the appropriate adding amount of tailing sand was about 30%.

tailing sand; manufactured-sand; dry-mixed mortar; workability; mechanical properties

張海峰（1978—），男，工程碩士，主要從事商品混凝土材料的研究與應用。