鐵尾礦砂砂漿力學(xué)特性及再生利用研究

許爾培，胡曉軍，馬夢云

(合肥學(xué)院 生物食品與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230601)

1 引言

采礦行業(yè)的快速發(fā)展，為社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但是在采礦過程中，也產(chǎn)生了大量的尾礦。長期以來，大部分的尾礦未經(jīng)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(tài)環(huán)境有很大的負(fù)面影響，而且造成了資源浪費(fèi)[1]。因此從社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益綜合考慮，對鐵尾礦的后續(xù)處理，資源重復(fù)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(nèi)浸潤線也相應(yīng)抬升[2，3]，壩體也越來越不安全。對尾礦壩的穩(wěn)定研究，對鐵尾礦基本性質(zhì)的研究也越來越多[4]。針對尾礦，國內(nèi)外學(xué)者對不同顆粒直徑的鐵尾礦砂應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行研究，分析力學(xué)性能等。通過閱讀文獻(xiàn)，了解了鐵尾礦的利用情況，比如鐵尾礦壩的穩(wěn)定性分析結(jié)果主要取決與鐵尾礦的物理力學(xué)參數(shù)，而不同的產(chǎn)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(shí)驗(yàn)的方式獲取鐵尾礦砂的參數(shù)，并進(jìn)行分析，對于鐵尾礦砂能否取代天然砂進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行破碎，破碎成不同粒徑的顆粒物，將含鐵顆粒進(jìn)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(jìn)行測試，其細(xì)度模數(shù)為3.1，堆積密度為1475 m2/kg。天然砂的細(xì)度模數(shù)為3.1，松散堆積密度為1460 kg/m3[7]。其與天然砂化學(xué)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(xué)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(xué)性能

2.2 試驗(yàn)方法

顆粒級配和細(xì)度模數(shù)采用《建設(shè)用砂》GB/T14684-2011 規(guī)定的方法測試天然砂和鐵尾礦砂的顆粒級配和細(xì)度模數(shù)。抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》GB/T17671-1999 規(guī)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 70-2009 規(guī)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(yàn)方法》JC/T603-2004 規(guī)定的方法測試膠砂的干燥收縮[8]。

實(shí)驗(yàn)中采用的鐵尾礦砂和天然砂顆粒級配都在Ⅱ區(qū)，細(xì)度模數(shù)相同，屬于粗砂。本實(shí)驗(yàn)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(jié)果與討論

3.1 鐵尾礦砂砂漿力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

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(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度折線圖見圖3、4。

圖3 鐵尾礦砂取代量對砂漿抗壓強(qiáng)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(qiáng)度和、抗壓強(qiáng)度有不同的折線圖。首先抗壓強(qiáng)度的折線圖中可以清晰的看到，在取代率為25%時，三組的數(shù)據(jù)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(xiàn)象。如攪拌時未能充分混合，從而造成抗壓強(qiáng)度較低。在3 d，28 d的齡期時隨著取代率的上升抗壓強(qiáng)度并無太大變化，提示若在實(shí)際的使用鐵尾礦砂漿時，在抗壓強(qiáng)度范圍內(nèi)，可以加大鐵尾礦砂的比例。總體來說，齡期為28 d時抗壓強(qiáng)度的提升較為明顯。在完全取代天然砂的情況下，其抗壓強(qiáng)度比天然砂的抗壓強(qiáng)度還要高6.4 MPa。推測原因?yàn)橹饕校孩勹F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(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析品，加速水泥的水化[10]；③鐵尾礦砂中含有的細(xì)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(qiáng)，從而提高了漿體的抗壓強(qiáng)度。

圖4 鐵尾礦砂取代量對砂漿抗折強(qiáng)度的影響

對于不同取代量時的鐵尾礦砂砂漿抗折強(qiáng)度變化，由圖可知，相對于抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)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(qiáng)度都是有遞增的。在取代率為50%時，折線圖出現(xiàn)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(qiáng)度增加明顯，如在100%取代率時，其抗折強(qiáng)度達(dá)到了9.4 MPa，較天然組的8.0 MPa要高出17.5%的強(qiáng)度值。造成這一現(xiàn)象的原因主要有以下幾點(diǎn)：①鐵尾礦砂中含有石粉，與抗壓強(qiáng)度中一樣，石粉能充填砂漿中的空隙，使得水泥的固結(jié)作用得到了加強(qiáng)，在實(shí)際的反應(yīng)中可以和水泥中的物質(zhì)進(jìn)行微晶核效應(yīng)，加速成為整體，提高抗折，抗壓強(qiáng)度；②鐵尾礦砂的表面粗糙，水泥砂漿密實(shí)度也更好，加大了物質(zhì)之間的粘結(jié)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(xiàn)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(xiàn)上升的趨勢。在取代率為100%時，砂漿的干濕密度都達(dá)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(xiàn)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(xì)顆粒粉體，從而導(dǎo)致漿體的密度相對上升。因?yàn)殍F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(dǎo)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(xiàn)直線形狀。當(dāng)取代量為100%時，干濕密度都達(dá)到了最大值，相差375 kg/m3。可知此時含水率達(dá)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(nèi)部空隙較多，此時砂漿的密實(shí)度提高的正效應(yīng)小于鐵尾礦因?yàn)槠浔砻娲植诘男?yīng)。綜合以上，由此可以得出結(jié)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(jié)論

(1)鐵尾礦砂漿在不同取代率下，在不同齡期其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均高于天然砂漿，具有較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(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。