尾礦渣代砂對水泥砂漿的影響

李喜喜，楊傳馨，鄭洪樓，劉鳳玲，張倫馨，薛玉鑫，崔玉理

（臨沂大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 臨沂 276005）

礦渣綜合利用問題已經(jīng)成為礦業(yè)乃至國際綠色環(huán)保的重要課題，對經(jīng)濟(jì)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展有直接的影響。但礦渣長期以來并沒有得到很好的再利用，造成了空氣污染、水污染等嚴(yán)重問題。而且，低品位的礦渣一直是困擾鋼鐵企業(yè)的問題之一[1]。在國內(nèi)，除了一些利用石屑和鋼渣代替砂的研究[2-4]，尚未有關(guān)尾礦渣替代砂的相關(guān)研究。礦渣的粒度與天然砂相近，而且高爐礦渣具有表面粗糙、孔隙率大和堆積密度小等特點(diǎn)，對砂漿的流動性和強(qiáng)度有較大的影響[5-6]。若將其替代天然砂作為細(xì)骨料應(yīng)用于水泥中，不僅能夠有效減少天然砂資源的消耗，還能進(jìn)一步提高和拓寬低品位礦渣的利用率[7]。

石東升等人[8]研究發(fā)現(xiàn)，從強(qiáng)度方面看，粒化高爐礦渣可以代替石英砂作為高性能水泥基材料的細(xì)骨料。李彥鑫等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，選用爐渣、鍺渣等礦渣替代混凝土中的砂子時，粉煤灰混凝土具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能。梁秋爽等人[10]研究了摻入纖維后堿礦渣水泥砂漿的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)摻入纖維能一定程度上改善砂漿的力學(xué)性能。

本文主要研究高爐尾礦渣作為細(xì)骨料的本征特征及其對水泥膠砂強(qiáng)度的影響，從而為粒狀高爐有效開發(fā)利用提供必要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 尾礦渣與砂的特性差異

1.1 化學(xué)活性分析

尾礦渣的化學(xué)成分與硅酸鹽水泥熟料相近，主要是SiO2、CaO、A12O3和MgO等氧化物。此外，尾礦渣中玻璃體含量越多，尾礦渣活性越高。而砂子的主要成分是SiO2，礦物組成為石英。而且尾礦渣除了具有一定的火山灰活性，還具有一定的膠凝性。

1.2 篩分析

在確定了尾礦渣化學(xué)成分以及尾礦渣的屬性后，對尾礦渣進(jìn)行烘干處理。本實(shí)驗(yàn)在恒溫箱105℃的條件下，將尾礦渣進(jìn)行持續(xù)48 h的烘干處理，在尾礦渣干燥后，分別對尾礦渣和標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如下。

尾礦渣和標(biāo)準(zhǔn)砂的分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由篩分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算出尾礦渣的細(xì)度模數(shù)為2.39，砂子的細(xì)度模數(shù)為2.65，兩者均符合II級中砂。由圖1可知，標(biāo)準(zhǔn)砂的篩分曲線較為平緩，各粒級之間分配較合理；尾礦渣的圖線曲線變化較為明顯，增長幅度較大。

圖1 級配曲線

2 尾礦渣代砂的水泥膠砂性能測試及實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

為研究摻入不同粒徑的砂和摻入尾礦渣代替標(biāo)準(zhǔn)砂對水泥砂漿的影響。將實(shí)驗(yàn)分為4組：第1組用50～80目的石英砂來替代相同粒徑的標(biāo)準(zhǔn)砂；第2組用80～120目的石英砂來替代相同粒徑的標(biāo)準(zhǔn)砂；第3組用尾礦渣來替代標(biāo)準(zhǔn)砂中的細(xì)粒徑；第4組用標(biāo)準(zhǔn)砂作為空白對照實(shí)驗(yàn)。

為研究尾礦渣摻量對水泥砂漿的影響，將實(shí)驗(yàn)分為5組，水泥∶標(biāo)準(zhǔn)砂∶水=1∶3∶0.5，其中尾礦渣為450 g，尾礦渣代砂率分別為0、25%、50%、75%、100%。

2.2 實(shí)驗(yàn)工藝流程

按配方分別稱取適量物料后搗實(shí)放入模具。將模具置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（溫度21℃、濕度95%）中恒溫養(yǎng)護(hù)24 h，養(yǎng)護(hù)完畢后進(jìn)行試件脫模，分別進(jìn)行蒸養(yǎng)3、7、28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 和易性

在水灰比為0.5的條件下不同代砂率水泥砂漿流動性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著代砂率的增加，相同水灰比條件下水泥砂漿的流動性逐漸降低。這是由于尾礦渣顆粒結(jié)構(gòu)較為疏松，其吸水性大于標(biāo)準(zhǔn)砂，而且尾礦渣的顆粒級配也要比砂子差，因而隨著尾礦渣代砂率的不斷增大，水泥砂漿的流動性逐漸降低。

圖2 尾礦渣代砂率水泥砂漿流動性

3.2 不同粒徑和尾礦渣對水泥砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度的影響

為研究不同粒徑和尾礦渣對水泥砂漿強(qiáng)度的影響，對強(qiáng)度進(jìn)行分析，其結(jié)果如下。

如圖3、圖4所示，在水泥用量一定的條件下，7 d和28 d的抗折、抗壓強(qiáng)度均隨著粒徑的增加而增大，而摻入尾礦渣配制地水泥砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度比不同粒徑3種砂所配制水泥砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度都有所提高。這主要是因?yàn)樯皾{的強(qiáng)度主要體現(xiàn)為砂顆粒間的黏結(jié)力，在水泥用量相同的條件下，砂粒越大，比表面積越小，顆粒部位接觸的水泥較多，黏結(jié)力越大，從而造成粗顆粒砂漿的強(qiáng)度較大。而細(xì)粒徑的尾礦渣提高了骨料的堆積密度，降低了骨料的空隙率，提高了基體的密實(shí)性，在水泥用量相同時，尾礦渣能夠提高砂漿的力學(xué)性能。

圖3 抗折強(qiáng)度

圖4 抗壓強(qiáng)度

3.3 不同尾礦渣摻量對水泥砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度的影響

為研究不同尾礦渣摻量對水泥膠砂強(qiáng)度的影響，對強(qiáng)度進(jìn)行分析，其結(jié)果如下。

如圖5、圖6所示，尾礦渣摻量在20%時，3 d和7 d的抗折強(qiáng)度有所提高；當(dāng)尾礦渣摻量大于20%時，3 d和7 d的抗折強(qiáng)度均小于基準(zhǔn)水泥砂漿的強(qiáng)度。其原因可能是，礦渣顆粒的級配和強(qiáng)度劣于砂子，導(dǎo)致早期的水泥砂漿的抗折強(qiáng)度略小于純水泥砂漿的抗折強(qiáng)度。尾礦渣水泥砂漿的28 d抗折強(qiáng)度隨尾礦渣摻量的變化大，在尾礦渣摻量為25%～50%時，28 d抗折強(qiáng)度略有增加。尾礦渣水泥砂漿的3 d和7 d抗壓強(qiáng)度隨尾礦渣摻量的增加而減少，原因可能是：水泥砂漿的抗壓性主要受其內(nèi)部起骨架的砂子和尾礦渣自身強(qiáng)度的影響，由于礦渣顆粒的強(qiáng)度低于砂子，導(dǎo)致其化學(xué)活性的優(yōu)勢彌補(bǔ)不了物理性能的缺陷，使得其抗壓強(qiáng)度有所降低。28 d的抗壓強(qiáng)度隨尾礦渣摻量的增加先降低后升高，在尾礦渣摻量大于50%時，其抗壓強(qiáng)度有所提高。

圖5 尾礦渣摻量對砂漿抗折強(qiáng)度的影響

圖6 尾礦渣摻量對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

4 結(jié)論

（1）隨著代砂率的增加，相同水灰比條件下，水泥砂漿的流動性逐漸降低。

（2）在水泥用量相同的條件下，7 d和28 d水泥砂漿的抗折、抗壓強(qiáng)度隨著粒徑的增加而增大；而尾礦渣水泥砂漿的力學(xué)性能比純水泥砂漿的力學(xué)性能較好。

（3）隨著尾礦渣摻量的增大，3 d和7 d的抗折、抗壓強(qiáng)度減小；28 d的抗折強(qiáng)度變化幅度不大，而28 d的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢。