鐵尾礦對水泥基灌漿料性能影響試驗研究

張會芳 顏政偉 龔琳洋 陳匯鋆

摘 要：為提高鐵尾礦的利用率，降低灌漿料的成本，選用鐵尾礦砂全替代河砂、粉煤灰和經活化激發后的鐵尾礦粉部分替代水泥的方式進行試驗。采用正交試驗方法，對水膠比、膠砂比、尾礦粉和粉煤灰摻量等因素進行研究。研究表明，4種因素對灌漿料強度的影響由大到小排序為水膠比、尾礦粉、粉煤灰、膠砂比。通過極差分析，確定28 d的最優因子水平組合是水膠比為0.36、膠砂比為1∶0.6、尾礦粉含量為10%、粉煤灰含量為6%。通過對照試驗，明確尾礦砂全替代河砂、粉煤灰，以及經活化激發后的鐵尾礦粉部分替代水泥的可行性。通過X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）分析發現，在該試驗條件下，灌漿料在水化硬化過程中產生硅酸三鈣、鈣礬石等水化產物使灌漿料的性能得到提高，裂縫及水化反應不完全會降低灌漿料的強度。

關鍵詞：水泥基灌漿料；正交試驗；極差分析；X射線衍射；掃描電子顯微鏡

中圖分類號：S772??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2023）04-0191-08

Experimental Study on the Effect of Iron Tailings on the Performance

of Cement Based Grouting

ZHANG Huifang1，2，3，YAN Zhengwei1，2， GONG Linyang1，2， CHEN Huijun1，2

（1.School of Civil Engineering， Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China;2.Hebei Key

Laboratory of Diagnosis， Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering， Zhangjiakou 075000， China;

3.Hebei Colleges Applied Technology Research Center of Green Building Materials and Building

Reconstruction， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract：In order to improve the utilization rate of iron tailings and reduce the cost of grouting materials， the method of replacing river sand and fly ash with iron tailings sand and partially replacing cement with activated iron tailings powder was selected for the test. Using orthogonal test method， factors such as water cement ratio， cement sand ratio， tailings powder， and fly ash content were studied. Research showed that the influence of four factors on the strength of grouting materials was ranked in descending order： water cement ratio， tailings powder， fly ash， and cement sand ratio. Through range analysis， the optimal factor level combination for 28 days was determined to be a water cement ratio of 0.36， a cement sand ratio of 1∶0.6， a tailings powder content of 10%， and a fly ash content of 6%. Through contrast tests， the feasibility of completely replacing river sand and fly ash with iron tailings sand and partially replacing cement with activated iron tailings powder was clarified. Through X-ray diffraction （XRD） and scanning electron microscope （SEM） analysis， it was found that under the test conditions， the performance of grouting materials was improved by the production of tricalcium silicate， ettringite and other hydration products during the hydration and hardening process of grouting materials. Incomplete crack and hydration reaction would reduce the strength of grouting material.

Keywords：Cement based grouting material; orthogonal test; range analysis; X-ray diffraction; scanning electron microscope

收稿日期：2022-10-25

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51878242）；河北省高等學?？茖W技術研究項目（ZC2023136）；張家口市科技計劃財政資助項目（1911024D-3）；張家口市重點研發計劃“科技冬奧專項”資助項目（20110015D）；河北建筑工程學院碩士研究生創新基金項目（XY2023062）

第一作者簡介：張會芳，碩士，副教授。研究方向為材料科學、綠色建材與節能建筑新體系、工農業廢棄物綜合利用技術。E-mail： 42228449@qq.com

引文格式：張會芳，顏政偉，龔琳洋，等. 鐵尾礦對水泥基灌漿料性能影響試驗研究[J].森林工程，2023，39（4）：191-198.

ZHANG H F， YAN Z W， GONG L Y， et al. Experimental study on the effect of iron tailings on the performance of cement based grouting[J]. Forest Engineering， 2023， 39（4）：191-198.

0 引言

鐵尾礦是鐵礦石經過選礦后產生的固體廢棄物，是礦山廢棄物的主要組成部分。隨著我國基礎建設和城鎮化進程的推進，鐵礦石的消耗量逐年增加，鐵尾礦儲量隨著鐵礦石的消耗逐年增長。根據《中國資源綜合利用年度報告》，2021年度我國尾礦累計堆存量高達146億t，工業固體廢棄物利用量為20.59億t，利用率達62.3%，但尾礦的綜合利用率只有18.9%[1]。尾礦堆積不但會占用大量用地，還會對周邊的水質、土壤和空氣造成污染[2]。尾礦堆積量大、利用率低的現狀導致解決尾礦堆積、提高尾礦利用率成為當前的研究熱點[3]。

國內外眾多學者將提高鐵尾礦的利用率作為突破口[4]，取得了顯著成就。侯云芬等[5]針對鐵尾礦粉對水泥砂漿性能的影響和機理等內容進行了分析，研究表明鐵尾礦粉能產生稀釋作用和一定程度的填充作用。許麗等[6]對鐵尾礦粉水泥基材料的性能進行試驗研究，研究表明鐵尾礦粉使水泥顆粒充分接觸自由水，促進但不參與水化反應進行，起到填充作用使材料更密實。程和平等[7]對改良鐵尾礦砂混凝土的力學和耐腐蝕性能進行研究，研究表明鐵尾礦砂摻量越大，混凝土滲透系數越大。翁金紅等[8]研究了鐵尾礦微粉對灌漿料性能的影響，研究表明鐵尾礦微粉摻量越大，流動度和力學性能越差。陳杏婕等[9]選用鐵尾礦砂全替代天然砂制備高強混凝土，其抗壓強度達到75 MPa，耐久性能良好。與此同時，國外學者研究了不同條件下鐵尾礦在混凝土中的應用，取得了良好效果[10-13]。在國內外眾多學者的研究下，鐵尾礦現已被應用于混凝土、水泥、道路建材等多個方面[14]。其中鐵尾礦砂作為細骨料替代河砂[15]，不僅解決了河砂供應不足的問題，還提高了鐵尾礦的利用率，進而大大提高鐵尾礦的經濟效益。

本試驗選用鐵尾礦砂全替代河砂，粉煤灰以及經物理激發（機械粉磨）、化學激發（經體積分數為2%的鹽酸浸泡）后的鐵尾礦粉部分替代水泥的方式對水泥基灌漿料的力學性能進行試驗研究，降低了水泥基灌漿料的成本，為提高鐵尾礦的利用率提供了新的思路。

1 試驗基本原料

1.1 水泥

試驗使用張家口金隅水泥有限公司生產的P·O 42.5型硅酸鹽水泥，基本物理學性能，見表1。

1.2 細骨料

試驗采用張家口宣化鐵礦廠堆積排放的鐵尾礦，其化合物成分及含量，見表2。

1.3 粉煤灰

試驗所采用的粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，屬于低鈣灰。

1.4 外加劑

本試驗使用的外加劑有減水劑、消泡劑和膨脹劑，具體的材料種類，見表3。

2 試驗設計及試驗方法

2.1 試驗設計

為研究使用鐵尾礦砂全替代河砂、粉煤灰以及經活化激發后的鐵尾礦粉部分替代水泥方法對水泥基灌漿料強度所產生的影響，選取水膠比、膠砂比、尾礦粉摻量和粉煤灰摻量4個因素，每個因素各取4個水平，各因素及水平的表示方式及具體數值，見表4。

選用L16（44）正交表進行16次正交試驗，正交試驗的配合比設計，見表5。

2.2 試驗方法

本試驗根據《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）[16]的要求，制備40 mm×40 mm×160 mm的試塊，試件在常規養護條件下養護24 h后進行脫模，然后進行抗折抗壓試驗。試驗結果達到《水泥基灌漿材料》（JC/T 986—2018）[17]中對水泥基灌漿材料抗壓強度部分A50的要求。

3 試驗結果及分析

3.1 正交試驗結果

根據表5中數據進行試驗，得到灌漿料的正交試驗結果，見表6。圖1為正交試驗流動度的試驗數據圖，從圖1可以看出，灌漿料的流動度均可以達到260 mm以上，滿足普通灌漿料的基本要求；按總體趨勢可以看出，水膠比越大，流動度越大。圖2為正交試驗抗壓強度試驗數據圖，由圖2可以看出，編號為1、2、3、4、5、8、9、10的8組試驗，3 d和28 d的抗壓強度均滿足水泥基灌漿材料抗壓強度的要求，即3 d抗壓強度大于等于30 MPa，28 d抗壓強度大于等于50 MPa。

3.2 極差分析

3.2.1 3 d抗壓強度分析

水泥基灌漿料正交試驗的3 d抗壓強度極差分析，見表7。

結合表4、表5和表7的試驗數據得出，3 d的抗壓強度最優搭配方案為A1B1C4D1，即最優水膠比為0.36，最優膠砂比為1∶0.6，尾礦粉摻量為12%，粉煤灰摻量為6%。

圖3為3 d抗壓強度極差分析圖。由圖3可以看出，水膠比對灌漿料的抗壓強度影響幅度最大，抗壓強度隨著水膠比的增大逐漸降低；膠砂比對抗壓強度影響幅度最小，強度隨著膠砂比的增大先減小后增大；尾礦粉摻量對強度的影響程度相對較高，隨著尾礦粉摻量的增加，強度先減小后增大；強度隨粉煤灰摻量的增加呈現先降低后升高再降低的趨勢。根據圖3中各因素的峰位確定，3 d抗壓強度的最佳因素水平組合為A1B1C4D1。

3.2.2 28 d抗壓強度分析

水泥基灌漿料28 d抗壓強度正交試驗的極差分析，見表8。

結合表4、表5和表8的試驗數據得出，28 d的抗壓強度最優搭配方案為A1B1C3D1，即最優水膠比為0.36，膠砂比為1∶0.6，尾礦粉摻量為10%，粉煤灰摻量為6%。

圖4為28 d抗壓強度極差分析圖。從圖4可以看出，該組試驗數據中對強度影響程度最大的是水膠比，與3 d抗壓強度試驗結果一致，抗壓強度隨水膠比的增大逐漸降低；膠砂比對強度影響程度最小，強度隨膠砂比的增大先降低后升高；尾礦粉摻量對強度的影響比粉煤灰摻量對強度的影響程度略大，強度隨尾礦粉摻量的增加先降低后升高再降低；強度隨粉煤灰摻量的增加呈先降低后升高的趨勢。由圖4中各因素的峰值可以看出， 28 d抗壓強度的最佳因素水平組合為A1B1C3D1。

3.3 對照分析

根據上述試驗得出的較為合理的因素水平，設計了2組對照試驗，細骨料分別為全鐵尾礦砂和全河砂。2組對照試驗數據見表9。

圖5為對照試驗數據，從圖5可以看出，細骨料采用純鐵尾礦砂試驗組的抗壓強度相較于采用全河砂的試驗組的抗壓強度，3 d和28 d的抗壓強度都有不同程度的提高，證實了選用鐵尾礦砂全替代河砂、粉煤灰和經活化激發后的鐵尾礦粉部分替代水泥的方式具備可行性。

3.4 微觀分析

3.4.1 XRD分析

本試驗采用X射線衍射（X-ray diffraction，XRD），通過利用X射線在材料中的衍射現象獲得衍射強度，通過查詢各衍射角對應的物質，可得到材料中水化反應產生的主要成分。為研究灌漿料28 d內部物質反應情況，進行了X射線衍射試驗，掃面起始角度為5°，終止角度為85°，每步間隔0.02°，每步停留0.5 s[18]。圖6—圖9中的XRD衍射是根據XRD測試所得衍射角數據所繪制。

圖6為試驗1—4組28 d水化產物XRD衍射圖，是將1—4組養護28 d后取樣進行XRD檢測所得。從圖6中可以看出，4組灌漿料中硅酸二鈣的含量最高；對比前4組的抗壓強度數據發現，灌漿料中硅酸二鈣含量越高，抗壓強度越高。

圖7為試驗5—8組28 d水化產物XRD衍射圖，是將5—8組養護28 d后取樣進行XRD檢測所得。從圖7可以看出，4組灌漿料中石英的含量最高，除石英外，第5組鈣礬石含量最高，6—8組均是氫氧化鈣含量最高。石英對灌漿料的抗壓強度的影響不大；氫氧化鈣會一定程度地影響灌漿料的抗壓強度，鈣礬石會提高抗壓強度。對比抗壓強度數據，第5組抗壓強度比其余3組高。

圖8為試驗9—12組28 d水化產物XRD衍射圖，是將9—12組養護28 d后取樣進行XRD檢測所得。從圖8可以看出，4組灌漿料中硅酸三鈣的含量最高，其次含量最高的為氫氧化鈣。鈣礬石、硅酸二鈣、硅酸三鈣都能使灌漿料的強度提升，第9組的鈣礬石含量比第10組高，導致第9組比第10組灌漿料的強度高。氫氧化鈣能一定程度影響灌漿料強度，從圖8中可以看出，第11、12組的氫氧化鈣的含量比9、10組高，所以11、12組的強度較9、10組偏低。

圖，是將13—16組養護28 d后取樣進行XRD檢測所得。從圖9可以看出，第13組中石英的含量最高，其次是氫氧化鈣，氫氧化鈣導致該組的抗壓強度偏低；其他3組鈣礬石的相對含量最高，其余成分相差不大，導致這3組抗壓強度相差無幾。

XRD衍射結果表明，注漿材料中的主要礦物為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鈣礬石、硫鋁酸鈣、氫氧化鈣和石英等。水化后，普通硅酸鹽水泥會形成氫氧化鈣、CSH凝膠、鈣礬石和硫鋁酸鈣等，而氫氧化鈣則會對水泥基水泥的強度造成負面影響，而SiO2與氫氧化鈣發生反應，形成CSH凝膠，能提高灌漿料的黏合性、耐久性和力學性能。

3.4.2 SEM

灌漿料強度的主要來源是水泥中的硅酸根離子和鈣離子通過水化反應生成CSH凝膠，該凝膠主要作用是填充孔隙，改善結構的致密程度和強度。為了更直觀地了解灌漿料的水化反應程度及內部結構，進行了掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）。圖10為不同水膠比、相同膠砂比的4組試驗的SEM圖。

從圖10（a）可以看出，該組的結構密實，生成大量絮狀水化產物，無明顯裂縫，水化反應進行比較完全，強度高；從圖10（b）可以看出，該組的結構較為密實，但存在裂縫，對整體強度有一定程度的影響，水化反應進行不完全；從圖10（c）可以看出，該組在水化反應過程中產生絮狀物和片狀物，但未形成密實結構和支撐骨架，導致試件強度低；從圖10（d）可以看出，該組存在較大孔隙，水化反應不完全，但已反應生成大量鈣礬石等物質起到一定的支撐作用，試件強度偏低。

4 結論

本研究通過正交試驗，分析了水泥基灌漿料3 d和28 d的抗壓強度并結合微觀試驗，得到以下結論。

1）在所研究的4種因素下，對抗壓強度的影響程度由大到小排序為水膠比、尾礦粉摻量、粉煤灰摻量和膠砂比。

2）經極差分析，28 d內最佳因素水平組合均為：水膠比為0.36、膠砂比例為1∶0.6、尾礦粉摻量為10%、粉煤灰的摻量為6%時性能達到最佳。

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