铁尾矿粉、砂泥粉对水泥-减水剂体系工作性能的影响

李晓光，杨 俊，万 桥，屈雅安

(长安大学建筑工程学院，西安 710061)



铁尾矿粉、砂泥粉对水泥-减水剂体系工作性能的影响

李晓光，杨 俊，万 桥，屈雅安

(长安大学建筑工程学院，西安 710061)

为揭示铁尾矿粉和天然河砂中砂泥粉对水泥净浆体系的影响规律，分别测试了聚羧酸减水剂(PCA)和萘系减水剂(FDN)与两类粉体双掺后水泥浆动电电位和流变参数。结果表明：铁尾矿粉与砂泥粉对水泥-减水剂体系工作性能的影响存在显著差异。在PCA-水泥浆与铁尾矿粉或砂泥粉的双掺体系中，含铁尾矿粉水泥浆动电电位及塑性粘度变化率明显低于含砂泥粉水泥浆体系，铁尾矿粉对水泥浆流动性影响较小；采用FDN时，含砂泥粉的水泥浆体系流动性能优于掺铁尾矿粉的水泥浆体系；当水泥浆体系中粉体外掺量达到7%时，浆体塑性粘度显著增加，浆体体系流动性较差。

铁尾矿粉； 砂泥粉； 动电电位； 塑性粘度

1 引 言

随着天然砂石资源的日渐枯竭，越来越多的混凝土企业开始使用机制砂石。目前，机制砂包括天然石经过机械破碎而成，废弃矿石经破碎、分级处理而成。随着环保政策的推行，大力开展尾矿机制砂石的综合利用[1,2]，对实现环境保护具有非常重要的应用意义。

然而，不论天然石还是尾矿石在破碎过程中，均产生了大量的细粉，细粉的存在将影响减水剂作用的正常发挥，进而将影响水泥及混凝土的施工性能，因此，从细粉与外加剂之间相互作用规律入手，选择水泥、细粉和减水剂作为研究体系，通过动电电位和塑性粘度测试，开展系列实验研究，对实现推广细粉应用，加强尾矿石乃至机制砂石生产将起到一定的指导作用。

关于机制砂中的石粉与减水剂的研究，已有许多研究人员进行了试验，如：李有光等[3]研究了天然河砂中含泥量对聚羧酸减水剂分散能力的影响，表明泥粉对减水剂吸附较快，且吸附量约为水泥4倍左右。Etsuo Sakai等[4]发现黏土矿物对于聚羧酸减水剂的吸附量远高于萘系减水剂。马保国等[5]的研究表明，随机制砂中石粉含量增加，采用聚羧酸减水剂的水泥净浆体系流动度变化不大。李国新等[6]研究了砂泥粉与高效减水剂双掺后水泥浆的流动特性，增加砂泥含量，浆体流动度下降。

尽管对石粉进行了较为系统的研究，但是，对于铁尾矿粉与减水剂的作用以及水泥浆性能的影响，却未见详细报道。本文将采用对比试验方法，对铁尾矿粉和砂泥粉分别进行双掺后，研究水泥浆工作性能的变化规律，为铁尾矿粉的应用提供技术支撑。

2 试 验

2.1 原 料

所用原料包括：冀东P.O42.5级水泥；砂泥粉取陕西黑河河砂，将砂经筛分、烘干后得到粒径小于0.075 mm的颗粒[7](SMP)；铁尾矿砟石粉取自陕西宏阳机制砂生产线。经选粉机选粉后的细粉过0.075 mm的方孔筛，最终得到铁尾矿细粉颗粒(IOT)。

经前期试验，试验用聚羧酸减水剂(PCA)最佳掺量为0.4%，萘系减水剂(FDN)最佳掺量为1.2%。两种减水剂均由陕西正豪建材科技有限公司生产。

采用Brucker生产X射线荧光分析仪(设备型号为S4SPIONEER)对两类细粉和试验用水泥的化学组成进行分析，结果见表1。

表1 水泥、铁尾矿粉和砂泥粉的化学组成Tab.1 Chemical composition of cement,iron ore tailing(IOT) and sand mud powder(SMP)

采用D/max-2500型X射线衍射仪对铁尾矿粉与砂泥粉进行矿物组成测定，其XRD图谱见图1，所含矿物的半定量分析见表2。

图1 砂泥粉、铁尾矿粉的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of IOT and SMP

两类细粉的化学成分分析结果表明，铁尾矿粉中富含较多Fe、Al成分，其中Fe约占10%左右，显著高于砂泥粉的4%。砂泥粉Si、Ca含量稍高。由图1细粉的XRD图谱可知，两种粉体均含有大量的石英。铁尾矿伴生矿主要为石英岩，所以含有较多的石英矿相，而砂泥粉经筛分处理后，0.075 mm的筛下料中仍存在大量的砂粉，所以同样检测到石英。与砂泥粉不同，在铁尾矿粉中还存在约45%的白云母，砂泥粉中则存在约40%的钠长石和7%的碳酸钙。两类粉体矿相种类和含量的差异，可能导致与高效减水剂存在不同的作用机理。

采用HYA-2010B1静态容量法比表面积测试仪，测试了铁尾矿粉及砂泥粉的比表面积，根据BET理论得出，砂泥粉的比表面积为69970 m2/kg，而铁尾矿粉比表面积为60178 m2/kg。由比表面积值可知，两种粉体的比表面积相差在15%以内，总体细度相差不大。

表2 铁尾矿粉和砂泥粉矿物含量Tab.2 Mineral content of IOT and SMP /%

2.2 试验方法

2.2.1 动电电位测定

采用Collioidal Dynamiics 公司产7020 Zetaprobe 测定仪测试净浆动电电位(ζ电位)。该设备可以测定浓度高达60%样品溶液。配制水泥浆体采用倍达谱实验室级超纯水机制备的蒸馏水，试验温度为20 ℃。为使水泥浆体中相邻固体粒子之间不受影响，设定水灰比为5∶1，质量浓度为16.67%，以确保浆体中的固体粒子尽量被分散[8]。将水泥量0.4%的聚羧酸减水剂及1.2%的萘系减水剂分别掺入水中，然后再将50 g水泥与水泥质量的1%、2%、3%、4%、5%、7%铁尾矿粉或砂泥粉放入水中，搅拌3 min，然后倒入测量杯中，测量ζ电位(动电电位)每个测点时间间隔为5 min，共测12个点，总时长65 min。

2.2.2 流变性能测定

采用Brookfield公司产R/S流变仪，测定水泥净浆体系的流变特性。设定剪切速率由0增至100 s-1，剪切时间为90 s，每1.5 s取一个点，每隔10 min测一次。实验时采用的浆体水灰比为0.28，分别将水泥质量的1%、2%、3%、4%、5%、7%的铁尾矿粉或砂泥粉与高效减水剂，外掺入水泥净浆。搅拌5 min后倒入测试用烧杯中进行测量，采用Rheo3000软件采集水泥净浆的流变参数。

3 结果与讨论

3.1 动电电位测试

铁尾矿粉、砂泥粉与水泥-减水剂体系双掺后，其水泥净浆体系的ζ电位随时间变化规律见图2和图3。

图2 掺SMP(a)和IOT(b)的PCA-水泥浆体系ζ电位值Fig.2 ζ potential of PCA-cement slurry system containing SMP(a)and IOT(b)

由图2可知，砂泥粉和铁尾矿粉的掺入都会对PCA-水泥浆体系ζ电位产生一定影响。随着IOT和SMP掺量的逐渐增加，浆体ζ电位呈现逐渐减小的趋势。说明随着铁尾矿粉和砂泥粉掺量的增加，其逐渐吸收PCA减水剂分子，使得吸附在水泥颗粒上的PCA分子减少，削弱了PCA减水剂对水泥浆体系的分散性，从而使水泥浆体系的流动性降低。在65 min内，不同掺量铁尾矿粉的水泥浆体系ζ电位变化幅度在3 mV范围内，而不同掺量砂泥粉的水泥浆体系其ζ电位变化幅度大约为8 mV，两者随细粉掺量增加变化幅度相差较大，说明随铁尾矿粉掺量增加对PCA-水泥浆体ζ电位的影响幅度较小，表明铁尾矿粉掺量不同对PCA分散性的影响较小，所以铁尾矿粉掺量对PCA-水泥浆体系的流动性影响较低。

图3 掺SMP(a)和IOT(b)的FDN-水泥浆体系ζ 电位值Fig.3 ζ potential of FDN-cement slurry system containing SMP(a)and IOT(b)

由图3可得，掺入砂泥粉使得FDN-水泥浆体系ζ电位绝对值降低，其主要原因是粉体对FDN分子产生吸附，使得吸附在水泥颗粒表面的FDN分子减少，从而使水泥浆体分散性减弱，进而减弱浆体的流动性。65 min内，不同掺量砂泥粉掺入FDN-水泥浆体系后ζ电位在20 mV范围间波动，而随着铁尾矿粉掺量的增加，FDN-水泥浆体系ζ变化范围为40 mV，变化幅度相对较大，说明对于FDN-水泥浆体系，砂泥粉掺量的不同对与FDN-水泥浆体分散性及流动性的影响较小。

比较图2和图3可得，PCA-水泥浆体系呈正电位且ζ电位值较小，而FDN-水泥浆体系呈负电位且ζ电位值较大，分析其原因主要是由于PCA分子的负电荷密度(约430×10-6～1340×10-6Eq/g)较低[9]，而且PCA主要依靠空间位阻效应使水泥颗粒分散[10]，对水泥浆体ζ电位影响较低；而FDN为阴离子型表面活性剂，电离后带负电荷[11]而且FDN分子的负电荷密度(约3700×10-6Eq/g)较高[9]，加入FDN后，其吸附在水泥颗粒表面并以静电斥力使水泥颗粒分散，所以使得两种水泥浆体系的ζ电位相差较大。

3.2 流变性能测试

本文主要对水泥浆体系塑性粘度变化研究，水泥净浆体系的塑性粘度随时间变化的规律见图4。

图4 水泥净浆塑性粘度变化值(a)PCA+SMP;(b)PCA+IOT;(c)FDN+SMP;(d)FDN+IOTFig.4 Viscosity change of cement slurry (a)PCA+SMP;(b)PCA+IOT;(c)FDN+SMP;(d)FDN+IOT

图4可知，增加铁尾矿粉、砂泥粉掺量后，水泥净浆的粘度将呈现逐渐增大的趋势。主要原因是外掺铁尾矿粉、砂泥粉后，减小了水胶比(胶凝材料包括水泥和细粉)，导致水泥浆粘度随细粉掺量增加而增大。掺PCA水泥浆的塑性粘度随细粉掺量的增加波动较小，掺FDN水泥浆的塑性粘度值随细粉掺量增加波动较大。同时由图4可得，不论使用何种减水剂，当粉体掺量达到7%时，水泥浆体系塑性粘度值增长较快，这也从侧面表明水泥浆体系的流动性相对较差。

为进一步掌握砂泥粉和铁尾矿粉对水泥-减水剂体系塑性粘度的影响规律，这里定义相对塑性粘度值(∂)，计算公式如式(1)。PCA、FDN与铁尾矿粉、砂泥粉双掺后水泥浆体系塑性粘度相对值(∂)见表3。

(1)

ηT：掺铁尾矿粉浆体塑性粘度(Pa·s)；ηS：掺铁尾矿粉浆体塑性粘度(Pa·s)。

表3 水泥浆塑性粘度相对值(∂)Tab.3 Relative value of cement slurry plastic viscosity

由表3可知，掺PCA的水泥浆，相对塑性粘度均小于1，说明不同掺量下，铁尾矿粉的水泥浆塑性粘度值均低于砂泥粉的浆体，PCA与铁尾矿粉双掺的水泥浆流动性更好。掺FDN的水泥浆，相对塑性粘度均大于1，说明掺入铁尾矿粉的水泥浆体系流动性低于掺砂泥粉浆体的流动性。

4 结 论

通过上述试验，得出如下结论：

(1)通过测试浆体体系ζ电位的变化，可知在PCA-水泥浆体系中铁尾矿粉的掺入对ζ电位波动更小，对其流动性的影响较小；对于FDN-水泥浆体系，砂泥粉掺量对浆体ζ电位波动相对较小，其流动性的变化较小；

(2)不论使用何种减水剂，当粉体掺量达到7%时，水泥浆体系流动性较差。在FDN-水泥浆体系中，掺砂泥粉浆体塑性粘度较低，其流动性较好。与之相反，PCA-水泥浆体系中，掺入铁尾矿粉的水泥浆体表现出的塑性粘度相对较低，流动性较为良好。

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Effect of Iron Ore Tailing and Sand Mud Powder on Workability of Cement Paste with Water-reducer

LIXiao-guang,YANGJun,WANQiao,QUYa-an

(School of Civil Engineering,Changan University,Xi'an 710061,China)

To reveal the effect of iron ore tailing(IOT) and sand mud powder(SMP)on workability of cement paste, measurement of electrokinetic potential and rheological parameters were employed as polycarboxylic superplasticizer (PCA) and naphthalene superplasticizer (FDN) respectively with the two sorts of powders were added into cement pastes. The results show that the influence of IOT and SMP on the workability of pastes make remarkable difference. The rate of change of plastic viscosity and change of ζ potential keep significantly lower in the paste containing IOT compared with SMP by adding PCA,the influence of IOT to the slurry liquidity and rheological properties is significantly lower.As FDN is used as admixture,great fluctuation of plastic viscosities of the pastes occur with increasing amount of fine powder, however workability of pastes with SMP is superior to of IOT with prolongation of time .When the mass fraction of powder in paste is 7%,the fluxility of paste will decrease.

iron ore tailing;sand mud powder;electrokinetic potential;plastic viscosity

陕西省科技统筹创新工程计划项目(2013KTCG02-02);2015年度中央高校基本科研业务费(310828152016)

李晓光(1969-)，男，博士，教授.主要从事土木工程材料研究.

TD98

A

1001-1625(2016)09-3020-05