鐵尾礦砂在高性能灌漿料中的試驗研究

張啟，張云飛

（中鐵四局 安徽中鐵工程材料科技有限公司，安徽 合肥 230000）

0 前言

水泥基灌漿料是一種由水泥、骨料、外加劑和礦物摻合料等原材料，經工業化配制生產而成的具有合理級配的干粉料。加水拌合均勻后具有可灌注的高流動性、微膨脹、高早期和后期強度、不泌水等性能[1-2]。水泥基灌漿材料是目前注漿工程中應用最廣泛的漿材[3-4]，且灌漿料的使用范圍，已逐漸從早期單一的冶金建設全面拓展到市政、環保、港口、電力、造紙等行業[5]。目前，國內高性能灌漿料是由膠結成分、超塑化組分、膨脹組分、優選高強微骨料組分以及一些微量改性組分以適當比例共同混合而成。可以預見，通過在高性能灌漿料中加入各種高效或高性能減水劑、礦物摻合料微粉、纖維、膠粉等，或使用機制砂或其它骨料取代河砂，可使高性能灌漿料朝著性能優越、成本低廉的方向發展[6-7]。

隨著我國工業化迅速發展，礦產資源的需求日益俱增，而我國大多數礦山資源品位較低，在選礦過程中產生大量的尾礦，導致尾礦量不斷增加，尾礦在工業固體廢棄物中所占的比例也越來越大，比如鐵尾礦砂等。尾礦屬選礦后的廢棄物，是工業固體廢棄物的主要組成部分[8]。目前，我國發現的礦產有 150 多種，開發建立了8000 多座礦山，累計產生尾礦 5900 多億 t[9-10]。

本文利用鐵尾礦砂部分取代機制砂制備高性能灌漿料，針對鐵尾礦砂摻量對高性能灌漿料性能的影響進行了比較系統地研究。

1 原材料

水泥為安徽合肥海螺 P·O42.5 水泥，性能指標見表1；粉煤灰為安徽合肥電廠 Ⅱ 級灰，性能指標見表 2；鐵尾礦砂（TW），馬鞍山鐵礦廠；機制砂（JZS）合肥本地某機制砂廠，TW 與 JZS 篩分分析見表 3，性能指標見表 4；膨脹劑為江蘇建科院 UEA 型；減水劑均為中鐵四局安徽中鐵工程材料科技有限公司聚羧酸高性能減水劑；PP 抗裂纖維，合肥市某化工市場；水為飲用自來水。

表1 水泥的性能指標

表2 Ⅱ級粉煤灰的性能指標

表3 TW 和 JZS 的篩分分析

2 試驗方法和試驗方案

2.1 試驗方法

所有試驗方法均參照國家標準 GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應用技術規范》進行，采用膠砂攪拌機進行攪拌，所有試驗條件均在標準試驗室內進行。

2.2 試驗方案

設計高性能灌漿料配合比為膠凝材料 : 砂=1:1，粉煤灰等量取代 20% 水泥，膨脹劑等量取代 6% 水泥，聚羧酸高性能減水劑和 PP 纖維用量見表 5。鐵尾礦砂TW 分別用 0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40% 等量取代機制砂 JZS，研究鐵尾礦砂摻量對高性能灌漿料各種性能的影響。其試驗方案見表 5。

表4 TW 和 JZS 的性能指標

表5 高性能灌漿料配合比 kg/m3

3 試驗結果和分析

3.1 鐵尾礦砂摻量對高性能灌漿料流動度的影響

研究鐵尾礦砂摻量對機制砂高性能灌漿料（初始和30min 后）流動度的影響，其試驗結果見表 6。

表6 鐵尾礦砂摻量對灌漿料流動度影響

從表 6 中可以看出：與全機制砂高性能灌漿料流動度相比，使用鐵尾礦砂取代機制砂可制備出高流動度灌漿料，且在鐵尾礦砂摻量不大于 20% 時，其高性能灌漿料的初始流動度和 30min 后流動度分別在 320mm 以上、300mm 以上；從表 6 中還可看出：隨著鐵尾礦砂摻量的不斷增加，其高性能灌漿料初始流動度和 30min后流動度逐漸下降，摻量越高下降越明顯，特別是鐵尾礦砂摻量超過 20% 時，下降趨勢比較明顯。

鐵尾礦砂摻量對機制砂高性能灌漿料流動度的影響，其鐵尾礦砂最佳摻量不宜大于 20%。

3.2 鐵尾礦砂摻量對高性能灌漿料泌水率的影響

研究鐵尾礦砂摻量對機制砂高性能灌漿料泌水率的影響，其試驗結果如表 7 所示。

從表 7 中可以看出：全機制砂高性能灌漿料中，無泌水現象存在；在機制砂高性能灌漿料中摻入鐵尾礦砂時，當鐵尾礦砂摻量不大于 20% 時，其機制砂高性能灌漿料無泌水現象出現，當鐵尾礦砂摻量大于 20%時，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，其機制砂高性能灌漿料的泌水情況越來越嚴重。

鐵尾礦砂摻量對機制砂高性能灌漿料泌水率的影響，其鐵尾礦砂最佳摻量應不大于 20%。

3.3 鐵尾礦砂摻量對高性能灌漿料抗壓強度的影響

研究鐵尾礦砂摻量對機制砂高性能灌漿料抗壓強度的影響，其試驗結果如表 8 所示。

從表 8 可看出：當機制砂高性能灌漿料中摻入鐵尾礦砂時，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，其機制砂高性能灌漿料抗壓強度先增加后下降。針對各試件的 1d、3d 和28d 抗壓強度數值來看，各試件抗壓強度都隨著試驗齡期的延長而增加，沒有出現強度倒縮現象。

鐵尾礦砂摻量對機制砂高性能灌漿料抗壓強度（1d、3d 和 28d）的影響，其鐵尾礦砂最佳摻量為不大于 15%。

根據鐵尾礦砂摻量對機制砂高性能灌漿料各項性能（初始流動度和 30min 后流動度、泌水率，1d、3d 和28d 抗壓強度）的影響規律，其鐵尾礦砂的最佳摻量范圍為小于等于 15%。

表7 鐵尾礦砂摻量對灌漿料泌水率的影響

表8 鐵尾礦砂摻量對灌漿料抗壓強度的影響

4 結論

（1）當使用鐵尾礦砂取代機制砂制備的高性能灌漿料的初始和 30min 流動度分別可達 320mm 和300mm 以上，1d、3d、28d 抗壓強度分別≥50MPa、≥60MPa、≥65MPa，都滿足相關國家標準 GB/T 50448—2008 要求。

（2）根據鐵尾礦砂摻量對機制砂高性能灌漿料各項性能的影響規律，其鐵尾礦砂的最佳摻量范圍應為小于等于 15%。