尾矿砂与机制砂在干混砂浆中的应用研究

张海峰，赵秋宁，宋瑞旭，孙逢新

（济宁中联混凝土有限公司，山东 济宁 272000）

尾矿砂与机制砂在干混砂浆中的应用研究

张海峰，赵秋宁，宋瑞旭，孙逢新

（济宁中联混凝土有限公司，山东 济宁 272000）

本文研究了尾矿砂与机制砂复配对干混砂浆工作性、力学性能的影响，并利用扫描电镜对砂浆微观结构进行了分析。结果表明：掺入尾矿砂不仅可以改善干混砂浆工作性，而且还可以提高力学性能，其适宜掺量为 30% 左右。

尾矿砂；机制砂；干混砂浆；工作性；力学性能

0 引言

尾矿砂是指矿山中开采出的矿石磨细后，经选矿厂选出有价值的精矿后产生的细砂一样的废渣。济宁本地的尾矿砂主要为铁尾矿，铁尾矿主要是铁矿在提纯过程中留下的，绝大部分很细，组成和细度指标相对稳定。目前我国堆存的尾矿量近 50 亿吨，年排出的尾矿量高达 5 亿吨以上，其中铁矿山年排放量达 1.5 亿吨，占入选铁矿石量的 60% 左右[1]， 需要建尾矿库堆存，不仅占用大量土地，花费大量的人力物力进行维护，而且也污染环境。

干混砂浆是由水泥、干燥骨料或粉料、添加剂以及根据性能确定的其他组分，按一定比例，在专业生产厂经计量、混合而成的混合物，在使用地点按规定比例加水或配套组分拌合使用。相对于施工现场配制砂浆的传统工艺来说，干混砂浆具有品种齐全、质量优异、品质稳定、施工性能良好、使用方便、施工工效高和环保等特点，因此得到了广泛应用。2012 年我国普通干混砂浆产量突破 2300 万吨，同比增加700 万吨，增幅 43.8%。目前我国干混砂浆生产中主要使用天然河砂，在许多地方由于常年开采，许多河道砂源已枯竭，基本上无砂可采。由于河道采砂破坏自然环境等原因，国务院和许多地方政府已禁止河道取砂[2]，干混砂浆行业急需寻找天然河砂以外新的用砂途径。如果将尾矿砂代替天然砂，应用于干混砂浆生产中，不仅可以缓解目前日益突出的天然砂紧缺问题，而且能实现固体废弃物的资源合理利用，在降低生产成本的同时又保护了生态环境。

本试验通过选取不同掺量的尾矿砂与机制砂复配代替天然砂作为砂浆的骨料，研究其对新拌砂浆工作性以及硬化砂浆物理力学性能的影响，并利用 SEM 等测试手段对尾矿砂砂浆微观结构进行分析观察。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：山东某水泥厂生产的 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其物理力学性能见表 1。

表 1 水泥物理性能

（2）粉煤灰：山东某电厂 F 类 Ⅱ 级粉煤灰，细度15%，需水量比 98%，烧失量 6.0%。

（3）尾矿砂：莱芜某铁矿尾矿砂，细度模数 1.3，表观密度 3100kg/ m3，其化学成分分析见表 2。

表 2 尾矿砂化学成分分析 %

（5）机制砂：山东某机制砂公司生产的机制砂，细度模数 3.2，表观密度 2630kg/m3，石粉含量 3.4%，泥块含量0.5%。

（6）添加剂：山东某公司生产的羟丙基甲基纤维素醚及木质纤维素。

1.2 试验方法

选取干燥至恒重的尾矿砂，通过试验研究尾矿砂掺量（从 0～80% 以 10% 体积分数递增取代机制砂）对新拌砂浆工作性以及硬化砂浆物理力学性能的影响，同时利用 SEM 观察尾矿砂及硬化砂浆微观结构。

2 试验结果与分析

2.1 尾矿砂掺量对砂浆工作性的影响

新拌砂浆的工作性是影响到砂浆施工性能的一个重要方面，工作性良好的砂浆容易在粗糙的砖石基面上铺抹成均匀的薄层，而且能与基层紧密粘结，既有利于施工操作又能保证工程质量。本节研究尾矿砂不同掺量取代机制砂后对砂浆的用水量、湿表观密度、稠度、保水性等方面的性能影响。

表 3 给出了试验砂浆的配合比，并根据 JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行试验。

表 3 尾矿砂不同掺量对砂浆性能影响结果

2.1.1 尾矿砂掺量对湿表观密度的影响

图 1 是砂浆湿表观密度随尾矿砂掺量变化曲线图，由图 1 可以看出，在胶凝材料用量不变的条件下，稠度基本相同时，随着砂浆中尾矿砂掺量的增加，砂浆的密度呈增加趋势。这是由于尾矿砂较天然砂粒径小，其密度大于天然砂，所以尾矿细砂掺量越大，其砂浆密度越大。

图 1 湿表观密度随尾矿砂掺量变化曲线

2.1.2 尾矿砂掺量对用水量的影响

图 2 是砂浆用水量随尾矿砂掺量变化曲线图，由图 4 可以看出，随着尾矿砂掺量的增加，砂浆用水量呈增加趋势，当掺量在 30%～50% 取代范围内基本保持稳定。这是由于尾矿砂细度模数较小，比表面积较大，掺入尾矿砂后较原来需水量增加，掺量超过 50% 以后，砂浆需水量增加，随着尾矿细砂掺量继续大，其砂浆密度同时增大。

2.1.3 尾矿砂掺量对保水性的影响

各种需要砂浆进行施工的基层都具有一定的吸水性，基层吸收砂浆中的水份之后，会使砂浆的施工性变差，严重时会使砂浆中的胶凝材料不能充分水化，导致砂浆强度，特别是砂浆硬化体与基层之间的界面强度变低，造成砂浆开裂、脱落。如果砂浆具有适宜的保水性能，既可有效地改善砂浆的施工性，也可以使砂浆中的水份不易被基层吸走，保证水泥的充分水化。

图 2 用水量随尾矿砂掺量变化曲线

图 3 是砂浆保水率随尾矿砂掺量变化曲线图，由图 3 可以看出，在尾矿细砂掺量在 0～30% 时，随着掺量的增加，砂浆保水性逐渐增强，在 30% 掺量时效果最好，随着掺量进一步增加，砂浆保水性降低，这主要与骨料细度与颗粒级配有关。由于尾矿细砂粒径小于机制砂，在 30% 掺量时，砂浆中颗粒级配均匀，尾矿细砂恰能填充机制砂中空隙，故其保水性最好，当尾矿细砂掺量超过 30% 时，砂浆中骨料比表面积逐渐增大，在同样水泥用量的情况下没有足够的胶凝材料包裹骨料，使其保水性降低。

图 3 保水率随尾矿砂掺量变化曲线

2.2 尾矿砂掺量对砂浆抗压强度的影响

图 4 是掺入尾矿砂后砂浆 28d 抗压强度随尾矿砂掺量变化曲线图，由图 4 可以看出，随着尾矿砂掺量的增加，砂浆的 28d 抗压强度表现出“降-升-降”的趋势。掺量从 10%到 20% 时强度逐渐降低并低于基准砂浆，30% 掺量时强度增加到达最高值然后又逐渐降低，在最高取代率时强度达到最低值。这是因为由于尾矿砂较细，比表面积大，掺入比例越多，需要的水和水泥量越大，在相同水泥用量时就会随掺量增加导致界面粘结能力下降，强度降低。在掺量为 30% 时，尾矿砂填充效应较好，砂浆中骨架结构良好、体系密实，尾矿砂对结构的增强效应占主要方面，因此能提高砂浆力学性能。

图 4 砂浆 28d 抗压强度随尾矿砂掺量变化曲线

2.3 微观结构分析

图 5 是尾矿砂的 SEM 照片，由图 5 可以看出，尾矿砂外形棱角尖锐，表面粗糙而且凹凸不平。相比天然砂而言，尾矿砂与水泥等胶凝材料之间的结合好，密实度高，有助于强度的提高。

图 6 是尾矿砂掺量为 30% 的 28d 硬化砂浆 SEM 照片，由图 6 可以看出，在水化产物中生成了大量的针状、棒状的AFt 及 Ca(OH)2和凝胶物质，彼此相互交织在一起，填充于尾矿砂和机制砂等细骨料之间的空隙中，使得砂浆体系结构较为致密。

图 5 尾矿砂 SEM 照片

图 6 硬化砂浆 SEM 照片

3 结论

（1）尾矿砂取代机制砂制备干混砂浆后具有较好的工作性，其适宜掺量为 30% 左右。当掺量进一步增加时，将带来如保水性变差、需水量增大、抗压强度降低等不良影响。

（2）掺入尾矿砂后的硬化砂浆密实，骨架结构良好，尾矿砂起到了良好的填充效应，提高了体系力学性能。

（3）尾矿砂与机制砂复配生产干混砂浆，不仅可以缓解目前日益突出的天然砂紧缺问题，而且能实现固体废弃物的资源合理利用，在降低生产成本的同时又保护了生态环境。

[1] 张锦瑞，王伟之，李富平，等．金属矿山尾矿综合利用与资源化[M]．北京：冶金工业出版社，2002．

[2] 蔡基伟．石粉对机制砂混凝土性能的影响及机理研究[D].武汉：武汉理工大学，2006．

［通讯地址］济宁市高新区留行街道办南营村驻地 济宁中联混凝土有限公司（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

张海峰（1978—），男，工程硕士，主要从事商品混凝土材料的研究与应用。