尾礦渣代砂對水泥砂漿的影響

李喜喜，楊傳馨，鄭洪樓，劉鳳玲，張倫馨，薛玉鑫，崔玉理

（臨沂大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 臨沂 276005）

礦渣綜合利用問題已經(jīng)成為礦業(yè)乃至國際綠色環(huán)保的重要課題，對經(jīng)濟建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展有直接的影響。但礦渣長期以來并沒有得到很好的再利用，造成了空氣污染、水污染等嚴(yán)重問題。而且，低品位的礦渣一直是困擾鋼鐵企業(yè)的問題之一[1]。在國內(nèi)，除了一些利用石屑和鋼渣代替砂的研究[2-4]，尚未有關(guān)尾礦渣替代砂的相關(guān)研究。礦渣的粒度與天然砂相近，而且高爐礦渣具有表面粗糙、孔隙率大和堆積密度小等特點，對砂漿的流動性和強度有較大的影響[5-6]。若將其替代天然砂作為細骨料應(yīng)用于水泥中，不僅能夠有效減少天然砂資源的消耗，還能進一步提高和拓寬低品位礦渣的利用率[7]。

石東升等人[8]研究發(fā)現(xiàn)，從強度方面看，粒化高爐礦渣可以代替石英砂作為高性能水泥基材料的細骨料。李彥鑫等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，選用爐渣、鍺渣等礦渣替代混凝土中的砂子時，粉煤灰混凝土具有較強的抗壓強度和抗凍性能。梁秋爽等人[10]研究了摻入纖維后堿礦渣水泥砂漿的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)摻入纖維能一定程度上改善砂漿的力學(xué)性能。

本文主要研究高爐尾礦渣作為細骨料的本征特征及其對水泥膠砂強度的影響，從而為粒狀高爐有效開發(fā)利用提供必要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 尾礦渣與砂的特性差異

1.1 化學(xué)活性分析

尾礦渣的化學(xué)成分與硅酸鹽水泥熟料相近，主要是SiO2、CaO、A12O3和MgO等氧化物。此外，尾礦渣中玻璃體含量越多，尾礦渣活性越高。而砂子的主要成分是SiO2，礦物組成為石英。而且尾礦渣除了具有一定的火山灰活性，還具有一定的膠凝性。

1.2 篩分析

在確定了尾礦渣化學(xué)成分以及尾礦渣的屬性后，對尾礦渣進行烘干處理。本實驗在恒溫箱105℃的條件下，將尾礦渣進行持續(xù)48 h的烘干處理，在尾礦渣干燥后，分別對尾礦渣和標(biāo)準(zhǔn)砂進行篩分實驗，其結(jié)果如下。

尾礦渣和標(biāo)準(zhǔn)砂的分析實驗結(jié)果如圖1所示。由篩分析實驗結(jié)果可計算出尾礦渣的細度模數(shù)為2.39，砂子的細度模數(shù)為2.65，兩者均符合II級中砂。由圖1可知，標(biāo)準(zhǔn)砂的篩分曲線較為平緩，各粒級之間分配較合理；尾礦渣的圖線曲線變化較為明顯，增長幅度較大。

圖1 級配曲線

2 尾礦渣代砂的水泥膠砂性能測試及實驗

2.1 實驗方案

為研究摻入不同粒徑的砂和摻入尾礦渣代替標(biāo)準(zhǔn)砂對水泥砂漿的影響。將實驗分為4組：第1組用50～80目的石英砂來替代相同粒徑的標(biāo)準(zhǔn)砂；第2組用80～120目的石英砂來替代相同粒徑的標(biāo)準(zhǔn)砂；第3組用尾礦渣來替代標(biāo)準(zhǔn)砂中的細粒徑；第4組用標(biāo)準(zhǔn)砂作為空白對照實驗。

為研究尾礦渣摻量對水泥砂漿的影響，將實驗分為5組，水泥∶標(biāo)準(zhǔn)砂∶水=1∶3∶0.5，其中尾礦渣為450 g，尾礦渣代砂率分別為0、25%、50%、75%、100%。

2.2 實驗工藝流程

按配方分別稱取適量物料后搗實放入模具。將模具置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱（溫度21℃、濕度95%）中恒溫養(yǎng)護24 h，養(yǎng)護完畢后進行試件脫模，分別進行蒸養(yǎng)3、7、28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 和易性

在水灰比為0.5的條件下不同代砂率水泥砂漿流動性的實驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著代砂率的增加，相同水灰比條件下水泥砂漿的流動性逐漸降低。這是由于尾礦渣顆粒結(jié)構(gòu)較為疏松，其吸水性大于標(biāo)準(zhǔn)砂，而且尾礦渣的顆粒級配也要比砂子差，因而隨著尾礦渣代砂率的不斷增大，水泥砂漿的流動性逐漸降低。

圖2 尾礦渣代砂率水泥砂漿流動性

3.2 不同粒徑和尾礦渣對水泥砂漿的抗折、抗壓強度的影響

為研究不同粒徑和尾礦渣對水泥砂漿強度的影響，對強度進行分析，其結(jié)果如下。

如圖3、圖4所示，在水泥用量一定的條件下，7 d和28 d的抗折、抗壓強度均隨著粒徑的增加而增大，而摻入尾礦渣配制地水泥砂漿的抗折、抗壓強度比不同粒徑3種砂所配制水泥砂漿的抗折、抗壓強度都有所提高。這主要是因為砂漿的強度主要體現(xiàn)為砂顆粒間的黏結(jié)力，在水泥用量相同的條件下，砂粒越大，比表面積越小，顆粒部位接觸的水泥較多，黏結(jié)力越大，從而造成粗顆粒砂漿的強度較大。而細粒徑的尾礦渣提高了骨料的堆積密度，降低了骨料的空隙率，提高了基體的密實性，在水泥用量相同時，尾礦渣能夠提高砂漿的力學(xué)性能。

圖3 抗折強度

圖4 抗壓強度

3.3 不同尾礦渣摻量對水泥砂漿的抗折、抗壓強度的影響

為研究不同尾礦渣摻量對水泥膠砂強度的影響，對強度進行分析，其結(jié)果如下。

如圖5、圖6所示，尾礦渣摻量在20%時，3 d和7 d的抗折強度有所提高；當(dāng)尾礦渣摻量大于20%時，3 d和7 d的抗折強度均小于基準(zhǔn)水泥砂漿的強度。其原因可能是，礦渣顆粒的級配和強度劣于砂子，導(dǎo)致早期的水泥砂漿的抗折強度略小于純水泥砂漿的抗折強度。尾礦渣水泥砂漿的28 d抗折強度隨尾礦渣摻量的變化大，在尾礦渣摻量為25%～50%時，28 d抗折強度略有增加。尾礦渣水泥砂漿的3 d和7 d抗壓強度隨尾礦渣摻量的增加而減少，原因可能是：水泥砂漿的抗壓性主要受其內(nèi)部起骨架的砂子和尾礦渣自身強度的影響，由于礦渣顆粒的強度低于砂子，導(dǎo)致其化學(xué)活性的優(yōu)勢彌補不了物理性能的缺陷，使得其抗壓強度有所降低。28 d的抗壓強度隨尾礦渣摻量的增加先降低后升高，在尾礦渣摻量大于50%時，其抗壓強度有所提高。

圖5 尾礦渣摻量對砂漿抗折強度的影響

圖6 尾礦渣摻量對砂漿抗壓強度的影響

4 結(jié)論

（1）隨著代砂率的增加，相同水灰比條件下，水泥砂漿的流動性逐漸降低。

（2）在水泥用量相同的條件下，7 d和28 d水泥砂漿的抗折、抗壓強度隨著粒徑的增加而增大；而尾礦渣水泥砂漿的力學(xué)性能比純水泥砂漿的力學(xué)性能較好。

（3）隨著尾礦渣摻量的增大，3 d和7 d的抗折、抗壓強度減小；28 d的抗折強度變化幅度不大，而28 d的抗壓強度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢。