尾矿砂在干粉砂浆中的技术研究

孙梅，王博

（1. 天津摩根坤德高新科技发展有限公司；天津 300480；2. 中交海洋建设开发有限公司，天津 300456）

0 前言

随着中国建筑市场的快速发展，建筑材料也日益紧张，尤其大宗商品混凝土及砂浆的用量已经导致天然砂石储量急剧下降。前期天然砂石无节制的粗放式开采，在资源浪费的同时，也加剧了环境的污染。以天津为例，随着雾霾天气的多发，人们环保意识的增强，国家治污力度的加大，天津周边地区天然砂石的开采与运输成本也在迅速攀升。天津在用的砂子多为从辽宁、河北、山东甚至福建等省市采购，海运的局限性导致了该地区砂子质量价格波动较大，从而对自身产品也造成了一定影响。尾矿砂（尾铁矿砂或选矿碎屑）作为采矿和选矿过程中产生的固体废弃物，被随意排放，对生产环境造成了严重污染。前几年，一批有强烈社会责任感的企业，如天津港保税区航保商品混凝土有限公司主动研发尾矿砂石在商品混凝土中的应用，并成功应用于各类建筑物，带动了天津地区商混站对尾矿砂石的认识及使用，在享受政策减免税的同时，也改善了环境。同理，用尾矿砂取代天然砂来生产干粉砂浆，对减少天然砂的用量，加强环境的保护，以及解决干粉砂浆原材料来源和成本，都具有重要的意义。

1 原材料

1.1 水泥

水泥为唐山曙光水泥有限公司生产的 32.5 矿渣硅酸盐水泥（P·S·B），具体性能指标见表 1。

1.2 粉煤灰

天津北疆电厂产粉煤灰，依据 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准，其性能指标见表 2。

1.3 外加剂

纤维素醚采用沈阳东方鲁美建材有限公司提供的诺盾羟丙基甲基纤维素醚（HPMC），具体指标见表 3。

1.4 河砂

天然砂采用辽宁绥中产绥中河砂，指标见表 4。

表 1 水泥性能指标

表 2 粉煤灰的性能指标

表 3 纤维素醚性能指标

表 4 河砂性能指标

1.5 尾矿砂

本次试验用尾矿砂来自首钢集团不同铁矿厂区，从不同批次分别取样进行相关指标的检测。

1.5.1 尾矿砂化学成份分析

试验用尾矿砂化学成份分析见表 5。

表 5 尾矿砂化学成份分析 %

1.5.2 尾矿砂的级配分析

几种样品尾矿砂筛分结果见表 6。

表 6 尾矿砂级配分析

从表 6 中不难看出，不同产地不同批次的尾矿砂细度模数差异较大，模数普遍较大，属于中粗砂，颗粒级配中料径大于 2.36mm 和粒径小于 0.15mm 这两部分颗粒与河砂相比含量比较多，通过亚甲基蓝 MB 值试验表明，该试验批次粉末以石粉为主。尾矿砂外观呈灰黑色。本次试验选择细度模数最接近河砂的 6 号砂，目的是通过多种取代模式的试验，最大化综合利用尾矿砂。

2 试验方案及方法

2.1 试验方案

本次试验侧重研究尾矿砂在干粉砂浆中应用的可能性，根据目前干粉砂浆生产供求情况，需求量最大的M5 砌筑砂浆和 M5 抹灰砂浆占普通干粉砂浆生产量的50% 以上，而 M5 强度的干粉砂浆强度低，胶材用量也有劣势，从而尾矿砂自身特点造成的影响也最突出。因此，重点试验尾矿砂在 M5 砌筑及抹灰砂浆中性能，确定等级为 M5 的干粉砂浆基本配合比，见表 7。

表 7 M5 砂浆配合比

在此基础上研究尾矿砂分别以不同比例取代天然砂对砂浆工作性和强度的影响，以期找到尾矿砂对砂浆性能及强度的影响规律。

其次，根据尾矿砂、成品仓的储存及生产线工艺特点，试验研究不同粒径范围的尾矿砂对干粉砂浆性能及强度的影响，探讨尾矿砂综合利用的可行性。

2.2 试验方法

按照标准规范 JG/T 230—2007《预拌砂浆》和 JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行。

3 尾矿砂砂浆性能研究

3.1 不同比例尾矿砂干粉砂浆性能试验

以 M5 强度等级干粉砂浆配合比为基准，稠度控制在 (80±10)mm 范围内，并通过适当调整用水量使稠度指标尽量接近，分层度和黏聚性良好，强度达到设计要求。用尾矿砂分别取代 0%、20%、40%、60%、80%、100% 的河砂，检测其强度、工作性及影响规律。试验结果见表 8。

从表中可以看到，随着尾矿砂取代量的增加，尽管增加了部分用水，但砂浆稠度指标呈现下降趋势。原因可能与尾矿砂自身特点有关，尾矿砂颗粒外形一般都不规则，呈多棱边、角方体，圆度系数明显不如天然河砂的好，流动时内部阻力较大。另外尾矿砂与河砂相比，在级配连续性方面也略差，导致相同稠度或相同流动性要求下，尾矿砂用水量更大。

同上原因，尾矿砂的颗粒及粒径分布特点却利于其在分层度及强度方面要优于河砂，通过图 1 可以看出，随着尾矿砂取代比例的增大，砂浆 28 天强度也有所增加，当尾矿砂完全取代河砂时，虽然水胶比大了 0.02，但强度却高出河砂砂浆约 26%。原因可能由于尾矿砂颗粒不规则、形貌粗糙，提高了砂浆体系胶凝材料与细骨料之间的粘接性能，从而有利于强度的增加。

表 8 不同比例尾矿砂砂浆性能指标

图 1 不同比例尾矿砂强度曲线图

施工性能是干粉砂浆最重要的性能之一。从状态描述中可知，尾矿砂取代达到 40% 时，状态已有明显变化，随着取代量的增加，砂浆的颗粒感增加，抹灰时划痕明显，主要是由尖锐的大粒径尾矿砂颗粒棱角所导致。因此，不同比例尾矿砂用于砌筑砂浆是完全没问题的。但在用于抹灰砂浆时，可目的性的选择使用。

3.2 不同粒径尾矿砂取代试验

目前的干粉砂浆生产线，砂子的成品仓一般都在四个左右。不同批次的砂子细度模数差异较大，为便于质量控制，干砂入仓前进行筛分，将不同粒径砂子分类存放。虽然增加了部分成本，但对产品的质量控制却是十分有利的。砂子成品可分为直通仓和分筛仓，级配连续的天然河砂烘干后直接储存，分筛仓则用于粒径连续性差的砂子或性能要求高的砂浆产品。

3.2.1 粒径 2～4 (2.3 6～4.7 5)m m 尾矿砂砂浆的性能试验

由于 2～4mm 尾矿砂颗粒大棱角突出，用于抹面砂浆时颗粒感强且有明显划痕，影响外观及施工效果。本着充分利用原则，可将此粒径范围尾矿砂应用于砌筑砂浆，重点解决尾矿砂取代后的泌水问题，随着尾矿砂取代量的提高，表 9 中轻微泌水问题可通过适当提高纤维素醚掺量来加以改善。

通过多次多组试验证明，适当提高纤维素醚掺量可改善尾矿砂砂浆泌水问题，但同时随着纤维素醚掺量的提高，也会对砂浆强度造成一定影响。2～4mm 尾矿砂完全可以应用到砌筑砂浆中，具体取代比例可结合生产用量和经济成本综合考虑。

3.2.2 粒径 0～2 (0～2.3 6)m m 尾矿砂砂浆的性能试验

粒径 0～2mm 尾矿砂取代相应粒径河砂应用于抹灰砂浆试验，通过提高纤维素醚掺量来调整砂浆流动性、保水性，具体结果见表 10。

从表 10 中可以看出，随着 0～2mm 粒径尾矿砂取代率的提高，砂浆的抗压强度并无明显的变化趋势。0～2mm 粒径尾矿砂相对量较大，同质量尾矿砂比表面积要比河砂大，且粒径分布不如河砂连续，虽然纤维素醚掺量在提高，但保水仍呈降低趋势。但在 70% 取代比例内，抹灰砂浆的工作性能是可以满足施工要求的。

表 9 粒径 2～4 mm 尾矿砂取代试验结果

表 1 0 粒径 0～2 mm 尾矿砂取代试验结果

4 结论及展望

（1）通过三种取代模式的试验，将尾矿砂与河砂以一定比例混合使用，技术上是可行的，既可以优化尾矿砂的级配，也综合利用了废弃资源。

（2）随着尾矿砂取代比例的增大，砂浆抗压强度及分层度等性能有所提高，但综合施工性能，不宜大于40%。

（3）尾矿砂泌水问题可以通过提高纤维素醚掺量得以改善，从而 2～4mm 粒径的尾矿砂完全可以应用于砌筑砂浆。

（4）由于粒形原因，0～2mm 粒径尾矿砂在抹灰砂浆中受到取代比例限制，为保证施工性能，严格控制级配的连续性，取代比例不宜大于 70%。

（5）随着技术的进步，尾矿砂可以通过生产工艺的改进，如多次回笼整形等增强其圆度系数等性能，将更利于大量应用于普通干粉砂浆甚至特种干粉砂浆。于社会，即减少了尾矿砂对环境的污染，又充分利用了废弃资源。于企业则可享受政策优惠，增加效益。

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