鐵尾礦砂砂漿力學特性及再生利用研究

許爾培，胡曉軍，馬夢云

(合肥學院 生物食品與環境學院，安徽 合肥 230601)

1 引言

采礦行業的快速發展，為社會經濟的發展做出了巨大貢獻。但是在采礦過程中，也產生了大量的尾礦。長期以來，大部分的尾礦未經過利用，直接堆放在礦場附近，而鐵尾礦尤甚。鐵尾礦的大量堆存，并未有效利用，不僅對生態環境有很大的負面影響，而且造成了資源浪費[1]。因此從社會、經濟和環境效益綜合考慮，對鐵尾礦的后續處理，資源重復利用顯得尤為重要。目前的鐵尾礦主要的處理方式是建成尾礦壩，隨著尾礦壩堆筑高度不斷加大, 尾礦壩壩體內浸潤線也相應抬升[2，3]，壩體也越來越不安全。對尾礦壩的穩定研究，對鐵尾礦基本性質的研究也越來越多[4]。針對尾礦，國內外學者對不同顆粒直徑的鐵尾礦砂應用在實驗中，進行研究，分析力學性能等。通過閱讀文獻，了解了鐵尾礦的利用情況，比如鐵尾礦壩的穩定性分析結果主要取決與鐵尾礦的物理力學參數，而不同的產地對鐵尾礦砂也有影響。一般來說，天然砂表面較圓滑，棱角少，而鐵尾礦砂表面粗糙，棱角多[5，6]。因此采取土工實驗的方式獲取鐵尾礦砂的參數，并進行分析，對于鐵尾礦砂能否取代天然砂進行了研究。

2 實驗

2.1 原料

鐵尾礦砂是馬鞍山鐵尾礦提供的原狀尾礦石，在實驗室進行破碎，破碎成不同粒徑的顆粒物，將含鐵顆粒進行去除，篩分去除碎屑，得到鐵尾礦砂(圖1、2)。對該鐵尾礦砂進行測試，其細度模數為3.1，堆積密度為1475 m2/kg。天然砂的細度模數為3.1，松散堆積密度為1460 kg/m3[7]。其與天然砂化學成分如表1。

圖1 鐵尾礦砂表面

表1 馬鞍山鐵尾礦砂及天然砂主要化學成分 %

水泥采用的是海螺P·O 42.5水泥，主要性能如表2。

圖2 天然砂表面

表2 水泥物理及力學性能

2.2 試驗方法

顆粒級配和細度模數采用《建設用砂》GB/T14684-2011 規定的方法測試天然砂和鐵尾礦砂的顆粒級配和細度模數。抗折強度和抗壓強度按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》GB/T17671-1999 規定的方法測試。砂漿干、濕密度和吸水率按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》JGJ/T 70-2009 規定的方法測試砂漿的干、濕密度和吸水率。干燥收縮按照《水泥膠砂干縮試驗方法》JC/T603-2004 規定的方法測試膠砂的干燥收縮[8]。

實驗中采用的鐵尾礦砂和天然砂顆粒級配都在Ⅱ區，細度模數相同，屬于粗砂。本實驗制備水泥砂漿采用的水∶膠∶砂=1∶0.485∶3鐵尾礦砂的用量如表3所示。

表3 水泥膠砂配合比

3 結果與討論

3.1 鐵尾礦砂砂漿力學性能實驗

由不同取代率的鐵尾礦砂配制的砂漿在3d、7d和28d齡期條件下，抗折強度和抗壓強度折線圖見圖3、4。

圖3 鐵尾礦砂取代量對砂漿抗壓強度的影響

由圖3、4可以看出，不同取代量的鐵尾礦砂制成的砂漿，在抗折強度和、抗壓強度有不同的折線圖。首先抗壓強度的折線圖中可以清晰的看到，在取代率為25%時，三組的數據相對于天然砂漿組都偏低。具體是3 d比天然組低2.1 MPa，7 d比天然組低2.5 MPa，28 d有0.5 MPa的差距。推測原因可能是相對于天然組，25%的取代率時鐵尾礦砂和天然砂的因素造成這一現象。如攪拌時未能充分混合，從而造成抗壓強度較低。在3 d，28 d的齡期時隨著取代率的上升抗壓強度并無太大變化，提示若在實際的使用鐵尾礦砂漿時，在抗壓強度范圍內，可以加大鐵尾礦砂的比例。總體來說，齡期為28 d時抗壓強度的提升較為明顯。在完全取代天然砂的情況下，其抗壓強度比天然砂的抗壓強度還要高6.4 MPa。推測原因為主要有：①鐵尾礦砂相對于天然砂其外表面粗糙，在砂漿中外表面有更多的漿體包裹，相對而言增大摩檫力[9]；②鐵尾礦砂含有適量的石粉，石粉起到了晶核的作用誘導水泥的水化產物析品，加速水泥的水化[10]；③鐵尾礦砂中含有的細小顆粒可充填到砂漿的間隙中，使得漿體更加緊密，包裹性更強，從而提高了漿體的抗壓強度。

圖4 鐵尾礦砂取代量對砂漿抗折強度的影響

對于不同取代量時的鐵尾礦砂砂漿抗折強度變化，由圖可知，相對于抗壓強度，抗折強度的值是較小的。在7d和28 d條件下隨著齡期的增加大體上其抗折強度都是有遞增的。在取代率為50%時，折線圖出現了明顯的下降趨勢。7 d時低0.1 MPa，28 d低0.4 MPa，都是相對與25%取代率時。28 d的增長幅度較大，抗折的強度增加明顯，如在100%取代率時，其抗折強度達到了9.4 MPa，較天然組的8.0 MPa要高出17.5%的強度值。造成這一現象的原因主要有以下幾點：①鐵尾礦砂中含有石粉，與抗壓強度中一樣，石粉能充填砂漿中的空隙，使得水泥的固結作用得到了加強，在實際的反應中可以和水泥中的物質進行微晶核效應，加速成為整體，提高抗折，抗壓強度；②鐵尾礦砂的表面粗糙，水泥砂漿密實度也更好，加大了物質之間的粘結力。

3.2 鐵尾礦砂取代率對砂漿密度和吸水率的影響

如圖5所示，在折線圖上呈現的是隨著鐵尾礦砂取代率的提高，砂漿的干密度和濕密度都增大，呈現上升的趨勢。在取代率為100%時，砂漿的干濕密度都達到最大值。砂漿的干密度為2400 kg/m3，同時，砂漿的濕密度為2475 kg/m3。相比天然砂漿分別提高了7.4%和10%。圖中可以看出，天然砂漿的含水率較小，同天然組相比不同取代率條件下含水率稍高，但不明顯。在取代率為25%時，吸水率其干濕密度的差值較大。造成這種現象的原因推測是由于在天然砂為主體的情況下，加入的鐵尾礦砂增加了較小的細顆粒粉體，從而導致漿體的密度相對上升。因為鐵尾礦砂的加入尾礦砂的表面積大，且粗糙，提高了空隙從而導致含水率較高。在取代率為50%和75%時，通過曲線可知，含水率的變化并不明顯，兩條折線幾乎呈現直線形狀。當取代量為100%時，干濕密度都達到了最大值，相差375 kg/m3。可知此時含水率達到了最大值。推測原因是由于鐵尾礦砂完全替代天然砂的情況下，此時的漿體內部空隙較多，此時砂漿的密實度提高的正效應小于鐵尾礦因為其表面粗糙的效應。綜合以上，由此可以得出結論，天然砂漿的吸水率較低，而任一鐵尾礦砂取代率條件下吸水率都較大。可知鐵尾礦砂砂漿的吸水率比天然砂漿要大。

圖5 鐵尾礦砂取代率對砂漿密度和吸水率的影響

4 結論

(1)鐵尾礦砂漿在不同取代率下，在不同齡期其抗壓強度和抗折強度均高于天然砂漿，具有較好的實驗數據。

(2)在不同鐵尾礦砂取代率下，砂漿的濕密度和干密度較天然砂漿都大，隨著鐵尾礦砂取代率的增大而增大。

(3)在不同鐵尾礦砂取代率下，鐵尾礦砂漿含水率比天然砂漿高。但是其流動性不如天然砂漿，其表觀密度更大。