尾礦機(jī)制砂濕拌砂漿的配制與研究

劉通，趙日煦，顧瑞

（中建商品混凝土有限公司，湖北　武漢　430074）

尾礦機(jī)制砂濕拌砂漿的配制與研究

劉通，趙日煦，顧瑞

（中建商品混凝土有限公司，湖北武漢430074）

本研究結(jié)合鐵尾礦砂和機(jī)制砂的特性，采用穩(wěn)塑劑和開放時間調(diào)節(jié)劑，制備出不同強(qiáng)度等級的濕拌砂漿，同時研究了穩(wěn)塑劑摻量、開放時間調(diào)節(jié)劑摻量對濕拌砂漿稠度、工作性能、開放時間、強(qiáng)度和收縮性能的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)鐵尾礦砂和機(jī)制砂比例為 5:5 時，混合砂的空隙率達(dá)到最小值 34%，砂漿流動性最好；配制的濕拌砂漿具有良好的工作性能，較高的保水性，施工開放時間＞24h，28d 收縮率＜9×10-4，能有效地降低砂漿開裂的風(fēng)險；在不同環(huán)境溫度下，隨著調(diào)節(jié)劑摻量的增加，砂漿開放時間逐漸增大。

鐵尾礦砂；機(jī)制砂；濕拌砂漿；工作性能；收縮率；抗壓強(qiáng)度

0　前言

湖北大冶地區(qū)礦山資源豐富，礦山開采為我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供了大量的礦產(chǎn)資源，同時礦山開采廢棄的尾礦砂也是逐年遞增。截至 2013 年底，大冶地區(qū) 156 個主要礦山現(xiàn)堆存礦山固體廢棄物超過 5 億噸。目前，大冶地區(qū)的礦山固體廢棄物中金屬尾礦堆存量較大，鐵尾礦約 2 億噸。這些尾礦在礦山的周圍大量堆積，不但對空氣和水土造成了嚴(yán)重的污染，而且占用了大量農(nóng)用土地。若尾礦庫管理、設(shè)計不善，極易發(fā)生倒坍事故，造成人員傷亡[1-3]。為此，2010 年 4月我國工業(yè)和信息化部頒布了《金屬尾礦綜合利用專項規(guī)劃（2010～2015 年）》，文中明確提出“十二五”末尾礦綜合利用率要達(dá)到 20% 的目標(biāo)。

近年來，國家為了節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，同時確保工程質(zhì)量，頒布了一系列政策法規(guī)，在全國 100 多個大中城市禁止現(xiàn)場攪拌砂漿，大力倡導(dǎo)使用干混砂漿和濕拌砂漿[4-6]。與干混砂漿相比，濕拌砂漿具有投資小、質(zhì)量穩(wěn)定、施工可操作時間長的優(yōu)勢，同時可以降低能耗，減少粉塵的排放，符合節(jié)能環(huán)保的綠色理念[7,8]。因此，濕拌砂漿越來越受到人們的青睞。

目前，我國預(yù)拌砂漿的生產(chǎn)普遍采用天然砂作為細(xì)集料，而天然砂資源是一種短時間內(nèi)不可再生資源，國家已明文禁止一些河段天然砂的采掘，使得天然砂資源日益短缺。為了實現(xiàn)尾礦資源化利用，緩解天然砂短缺的難題，本文通過研究尾礦砂和機(jī)制砂的特性，采用砂漿穩(wěn)塑劑和調(diào)節(jié)劑制備出可施工操作時間長的濕拌砂漿，同時研究了砂漿稠度變化對濕拌砂漿拌合物性能和硬化后性能的影響，以期達(dá)到指導(dǎo)濕拌砂漿施工和質(zhì)量控制的目的。

1　原材料與試驗方法

1.1原材料

（1）膠凝材料

水泥選用 P·O42.5，堿含量 0.52%，氯離子含量 0.02%，其化學(xué)組成和性能指標(biāo)見表 1、2。

表1　膠凝材料的化學(xué)組成　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　%

表2　水泥性能指標(biāo)

粉煤灰采用麻城Ⅰ級灰，細(xì)度為 7.5%，燒失量為2.2%，需水量比為 91%。材料性能指標(biāo)滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

（2）細(xì)集料

鐵尾礦砂和機(jī)制砂的指標(biāo)參數(shù)和顆粒級配分別見表 3 和表 4。

表3　鐵尾礦砂和機(jī)制砂基本性能

表4　鐵尾礦砂和機(jī)制砂篩分結(jié)果(累積篩余/%)

（3）外加劑

試驗采用廣東某公司生產(chǎn)的穩(wěn)塑劑和調(diào)節(jié)劑。穩(wěn)塑劑為紅棕色液體，固含量 15%，密度 1.08g/cm3，具有增稠減水的效果；調(diào)節(jié)劑是一種有機(jī)型超緩凝劑（黃褐色液體），固含量 10%，密度 1.04g/cm3。

1.2試驗方法

使用砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，首先將水泥、粉煤灰、鐵尾礦砂、機(jī)制砂加入到攪拌機(jī)中干拌 30s，然后加入適宜的拌合用水與外加劑再攪拌至 3min，攪拌均勻后制得濕拌砂漿。將制備的砂漿置于不吸水的塑料桶中，并加蓋密封，所有塑料桶分別置于 15℃、25℃、35℃，相對濕度 60% 的環(huán)境中，測試不同環(huán)境溫度下砂漿的開放時間（從砂漿攪拌到砂漿開始失去和易性這段時間）。

砂漿流動度試驗方法按 GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動測定方法》進(jìn)行試驗。砂漿的稠度、保水性、抗壓強(qiáng)度、收縮率試驗方法按 JGJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》進(jìn)行試驗。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1鐵尾礦砂和機(jī)制砂的特性

分析表 3 和表 4 可知，鐵尾礦砂和機(jī)制砂細(xì)度都小于4.75mm。鐵尾礦砂屬于特細(xì)砂，細(xì)度模數(shù)為 1.0，石粉含量高，表面粗糙，顆粒較小，大部分顆粒＜0.6mm，級配分布不均勻。機(jī)制砂屬于粗砂，細(xì)度模數(shù)為3.7，含有一定量的石粉，表面粗糙，顆粒棱角尖銳，大部分顆粒＞0.6mm。對于水泥砂漿體系來說，如果單獨使用粗砂制備砂漿，2.36mm 以上的粗顆粒砂過多，砂漿會產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，易分層；如果單獨使用細(xì)砂，0.30mm 以下的細(xì)顆粒砂過多，雖然細(xì)顆粒的砂能提高砂漿保水性，不易分層，但會降低砂漿流動度，增加用水量，而且砂漿凝結(jié)硬化后體積收縮大，從而導(dǎo)致砂漿開裂[9-13]。因此，采用鐵尾礦砂應(yīng)與機(jī)制砂搭配使用，從而相互彌補(bǔ)各自顆粒級配的不足。

根據(jù)鐵尾礦砂和機(jī)制砂的特性，通過改變兩種砂的比例制備不同細(xì)度模數(shù)的混合砂。當(dāng)鐵尾礦砂和機(jī)制砂的質(zhì)量比例分別為 2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3 時，混合砂的細(xì)度模數(shù)分別為 3.2、2.9、2.6、2.4、2.1、1.8，混合砂的細(xì)度模數(shù)與砂空隙率、砂漿流動度的關(guān)系分別見圖 1 和圖 2。由圖 1 和圖2 可以看出，當(dāng)鐵尾礦砂摻量從 20% 增加到 50% 時，混合砂的空隙率逐漸減小，而流動度逐漸增大；當(dāng)鐵尾礦砂摻量從50% 增加到 70% 時，混合砂的空隙率逐漸增加，而流動度逐漸減小。當(dāng)鐵尾礦砂摻量為 50%，細(xì)度模數(shù)為 2.4 時，混合砂的空隙率達(dá)到最小值 34%，砂漿流動性最好。因此鐵尾礦砂和機(jī)制砂的最佳搭配比例為 5:5。

從圖 1 和圖 2 還可以看出，混合砂細(xì)度模數(shù)對空隙率、砂漿流動度的影響規(guī)律恰好相反，具有良好的反向?qū)?yīng)關(guān)系。這是因為鐵尾礦砂的摻入可以填補(bǔ)機(jī)制砂粗顆粒的空隙，增加顆粒級配的連續(xù)性，從而彌補(bǔ)了機(jī)制砂流動性的不足；而當(dāng)鐵尾礦砂摻量超過 50% 時，由于鐵尾礦砂較細(xì)，細(xì)顆粒逐漸增多，總比表面積增大，致使混合砂的空隙率增大，同時鐵尾礦砂具有一定的吸水性，在相同用水量的條件下，砂漿的流動性會降低。

圖1　砂細(xì)度模數(shù)與砂空隙率的關(guān)系

圖2　砂細(xì)度模數(shù)與砂漿流動的關(guān)系

2.2濕拌砂漿的制備

根據(jù)前期對鐵尾礦砂和機(jī)制砂基本性能的研究，選擇細(xì)度模數(shù)為 2.4 的尾礦機(jī)制混合砂制備濕拌砂漿，其砂漿配合比和基本性能如表 5 所示。

由試驗結(jié)果可知，通過采用穩(wěn)塑劑和調(diào)節(jié)劑制備的一系列濕拌砂漿狀態(tài)松軟，黏聚性和保水性好，操作手感俱佳；在 24h 后仍具有一定的稠度，施工可操作性能持續(xù)時間較長，便于大面積施工。制備的濕拌砂漿 28d 收縮率在 9×10-4以內(nèi)，能有效地降低砂漿開裂的風(fēng)險。

從表 5 還可以看出，在放置過程中，砂漿保水性好，基本不泌水、不分層。這是因為穩(wěn)塑劑中摻有引氣的成分，使得拌合物中含有大量的微小乳化空氣泡，可以大大降低砂漿體系中不同顆粒表面的粗糙性；其次，吸附在砂粒和粉體顆粒上的微小氣泡可以減少砂漿的沉降速度，使砂漿的粘滯性增加，拌合物不易離析、松散；另外，大量微小氣泡具有巨大的比表面積，能有效地降低水分從砂漿中蒸發(fā)的速度，增大了砂漿拌合物的保水性。此外，由于減少了砂漿中的體積含水率，以及減少了單位體積的重量（表觀密度），這也是減少砂漿析水、分層的重要原因[14]。

表5　濕拌砂漿配合比及其基本性能

2.3調(diào)節(jié)劑摻量對砂漿開放時間的影響

文獻(xiàn) [6] 根據(jù)建筑工程的實際需求，針對濕拌砂漿的生產(chǎn)及應(yīng)用特性，在砂漿凝結(jié)時間的基礎(chǔ)上提出一個砂漿拌合物施工性的新概念：開放時間。開放時間與凝結(jié)時間不同，它能夠表征濕拌砂漿從攪拌站生產(chǎn)、運輸?shù)焦さ卮娣拧⒍芜\輸、施工操作全過程的施工特征的綜合性指標(biāo)。

為滿足不同建筑工程的需要，本文研究了在不同環(huán)境溫度（15℃、25℃、35℃）下，調(diào)節(jié)劑摻量對 M10 砂漿開放時間的影響規(guī)律。由圖 3 可知，在相同開放時間內(nèi)，環(huán)境溫度每升高 10℃，調(diào)節(jié)劑摻量增加 0.1～0.3kg。這樣可以根據(jù)工程的施工情況，通過控制調(diào)節(jié)劑的用量來控制砂漿的開放時間。

從圖 3 還可以看出，在相同環(huán)境溫度下，隨著調(diào)節(jié)劑摻量的增加砂漿開放時間逐漸增大。這是由于調(diào)節(jié)劑是一種有機(jī)型超緩凝劑，其成分主要有羥基 (—OH)、羧基 (—COOH)等極性基團(tuán)組成的化合物，具有極強(qiáng)的絡(luò)合能力，與水泥水化產(chǎn)物中 Ca2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，生成一種厚實而無定形的絡(luò)合物。該物質(zhì)在常溫（10～35℃）下，在砂漿體系中，具有較長時間保持其穩(wěn)定性的能力，在該段時間內(nèi)能有效地抑制Ca(OH)2結(jié)晶析出，并在水泥、粉煤灰顆粒表面形成一層很穩(wěn)定的溶劑化水膜，從而起到超緩凝的效果。

圖3　在不同溫度下調(diào)節(jié)劑摻量對開放時間的影響曲線

3　結(jié)論

（1）當(dāng)鐵尾礦砂和機(jī)制砂比例為 5:5，細(xì)度模數(shù)為 2.4時，混合砂的空隙率達(dá)到最小值 34%，砂漿流動性最好。

（2）采用穩(wěn)塑劑和調(diào)節(jié)劑制備的濕拌砂漿具有良好的工作性能，較高的保水性，施工可操作性能保持 24h 以上，28d收縮率小于 9×10-4，能有效地降低砂漿開裂的風(fēng)險。

（3）在不同環(huán)境溫度（15℃、25℃、35℃）下，隨著調(diào)節(jié)劑摻量的增加，砂漿開放時間逐漸增大。

[1] 楊國華，郭建文，王建華．尾礦綜合利用現(xiàn)狀調(diào)查及其意[J]．礦業(yè)工程，2010, 8(1):55-57．

[2] 肖力光，伊?xí)x宏，崔正旭．國內(nèi)外鐵尾礦的綜合利用現(xiàn)狀[J]．吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2010, 27(4):22-26.

[3] 虞煥新，婁建永，鄭林軍．利用尾礦砂制備超高性能水泥基復(fù)合材料的研究[J]．水泥與混凝土制品，2013, (6): 10-13．

[4] 李從波，陳均僑，周常林，等．淺談濕拌砂漿的發(fā)展之路[J]．廣東建材，2013, (8): 12-14．

[5] 楊士鈺，黃國興，鄭紅雷．淺談全面推廣預(yù)拌砂漿施工的現(xiàn)實意義[J]．浙江建筑，2009, 26(3): 56-59．

[6] 陳均僑，蔣金明，石柱銘．預(yù)拌砂漿產(chǎn)業(yè)化新途徑的探索[J]．廣東建材，2013, (9): 5-10．

[7] 李康文，劉雪婧．預(yù)拌砌筑砂漿性能研究[J]．山東交通學(xué)院報，2012, 20(2): 71-73．

[8] 黃秀弟，朱濤，葉青．粉煤灰和外加劑對商品濕拌砌筑砂漿性能的影響[J]．浙江建筑，2009, 26(5): 47-50, 53．

[9] 王曾信．砂的顆粒級配對水泥砂漿性能的研究[J]．中外建筑，2007, (5): 100-102．

[10] REDDY B V, GUPTA A. Influence of sand grading on the characteristics of mortars and soil-cement block masonry[J]. Constr Buid Mater, 2008, (22): 1614-1623.

[11] DREW C, BRAJ S. Survey of Scottish sands and their characteristics which affect mortar strength[J]. Chem Ind, 1981, (19): 639-646.

[12] DE SCHUTTER G, POPPE A M. Quantification of the water demand of sand in mortar strength[J]. Constr Build Mater, 2004, 18(7): 517-521．

[13] 劉桂鳳，李世超，秦彥龍，等．不同機(jī)制砂級配對干混砂漿性能的影響[J]．混凝土，2013, (9): 112-117．

[14] 閻坤，毛永琳，劉加平等．含氣量對普通預(yù)拌砂漿性能的影響[J]．江蘇建筑，2007, (117): 55-56．

［通訊地址］湖北省武漢市東湖高新區(qū)華光大道 18 號高科大廈 16 樓（430074）

劉通（1986—），男，工程師，研究方向：特種混凝土及施工技術(shù)。