鐵尾礦粉和粉煤灰復摻對水泥基材料性能影響的試驗研究

門武磊 ，楊迎春 ，盧心儀 ，張豪友 ，張翔飛 （安徽農業大學，安徽 合肥 230000）

1 引言

鐵尾礦是大量鐵礦石開采后經過選取利用所產生的工業固體廢渣，據統計，我國的鐵尾礦堆放量達30億t[1]，但利用率較低僅有10%左右[2]，大量尾礦堆積不僅占用土地，還危害周邊大氣、河流及地下水等[3]。粉煤灰是熱力發電廠排放出的粉狀固體廢棄物，由于我國目前主要電力來源還是燃煤熱發電，粉煤灰的產量非常大，除了占據大量土地，污染地下水外，還因為其顆粒小容易隨風而起，是現在的霧霾和空氣污染的主要原因之一。因此開展對鐵尾礦和粉煤灰的綜合利用工作，不僅能實現可持續發展的理念，同時具有十分重要的經濟效益和實現生態文明建設的現實意義。

在鐵尾礦替代混凝土的細骨料方面，Zhao等人指出當鐵尾礦替代率不超過40%時，其替代天然砂來制造超高性能混凝土是可行的[4]。鄭永超等人研究發現將鐵尾礦進行機械活化80min以上時，可以激發出較高水準的活性[5]。在現有研究中，關于鐵尾礦水泥基材料大多研究方向都是將鐵尾礦粉取代天然砂作為水泥基材料的細骨料，國內外有許多研究成果。粉煤灰在不同摻量和工藝條件下作為水泥生產配料的國內外研究也有很大的進展。但將磨細的鐵尾礦粉和粉煤灰復摻作為摻和料，對水泥基材料性能影響的研究成果較少。

故本文將鐵尾礦和粉煤灰復摻到水泥基材料中，研究復摻代替水泥的情況下的水泥基材料工作性能和強度特性，分析其性能改變的原因，探索其水化原理。為鐵尾礦粉煤灰作為礦物摻合料投入工程使用提供理論依據，達到綠色節能的理念，降低混凝土的生產成本的目標。

2 實驗

2.1 原料

鐵尾礦粉選用江西贛州鐵礦，鐵尾礦中含有大量的 SiO2、Fe3O4、Al；粉煤灰選用合肥電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，其細度和需水量等都符合Ⅰ級粉煤灰指標；P.O42.5級普通硅酸鹽水泥；細骨料石英砂為廈門艾斯歐生產的中國ISO水泥膠砂試驗標準砂；拌合和養護水均為城市管網自來水。粉煤灰化學成分見表1，P.O42.5水泥化學成分見表2。

粉煤灰化學成分 表1

硅酸鹽水泥化學成分 表2

2.2 實驗方案

2.2.1 不同比例摻合料對水泥基材料需水量的影響

通過對不同摻合比例的組別標準稠度用水量的比較，研究不同代替率下的膠凝材料是否具有減水效果，從而得出有關工作性的結論。需水量試驗各組水泥基材料配合比見表3。

2.2.2 不同比例摻合料對水泥基材料力學性能的影響

將鐵尾礦裝入球磨機內進行機械研磨。球磨機中的皓球每罐裝入12顆，其中直徑10m、8mm、5mm、3mm 的皓球分別裝入1、3、6、2顆。本文根據粉煤灰和鐵尾礦不同的的替代比例分成6組，對比不同代替率下的水泥基材料強度變化，為實際工程應用提供依據。強度試驗膠砂材料配合比見表4。

2.3 實驗方法

需水量試驗各組水泥基材料配合比 表3

強度試驗膠砂材料配合比 表4

根據《標準稠度用水量、凝結時間安定性檢驗方法》（GB/T1346-2011）測定水泥標準稠度用水量和凝結時間。水泥砂漿工作性、力學性能參照《水泥基砂漿應用技術規范》（GB/T50448-2008），《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T17671-1999），《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T70-2009），水泥砂漿抗壓強度和抗折強度的試件尺寸為40mm×40mm×160mm，試塊放入水中養護28d。

3 結果與討論

3.1 水泥基材料標準稠度用水量試驗結果與分析

鐵尾礦-粉煤灰復摻作摻合料對水泥基材料用水量的影響見圖1。

由圖1通過五組有代替物的水泥基材料組合和純水泥組的對比，可以看出，用鐵尾礦代替部分水泥時對水泥凈漿有比較好的減水效果，而粉煤灰的減水效果微乎其微，甚至是可以忽略。當鐵尾礦代替率從無到30%時（兩者總代替率為30%不變），減水效果最為明顯，隨著鐵尾礦代替率上升粉煤灰代替率下降，需水量一直在下降，但是下降速度會慢慢變小。

圖1 鐵尾礦-粉煤灰復摻作摻合料對水泥基材料用水量

3.2 水泥基材料力學性能試驗結果與分析

3.2.1 抗折強度

鐵尾礦-粉煤灰復摻作摻合料對水泥基材料抗折強度的影響見圖2。

由圖2可以看出，用水泥凈漿制成的試塊抗折強度最大，無論如何加入摻合料，都只會損失水泥基材料的抗折強度，但基本都具有合格的強度（60%）；在摻入摻合料的組別內，單摻30%粉煤灰的抗折強度最高，接近純水泥組；特別是復摻10%鐵尾礦和20%粉煤灰的情況下，會對抗折強度產生很大影響，抗折強度基本削減到純水泥時的一半，是比較差的摻合比例。從大體上來說，抗折強度隨著鐵尾礦代替率的增多而有所降低，但是效果并不明顯。從試塊斷裂情況來看，有較多粉煤灰的試塊斷裂面更密實，氣孔更少。

圖2 鐵尾礦-粉煤灰復摻作摻合料對水泥基材料抗折強度的影響

3.2.2 抗壓強度

鐵尾礦-粉煤灰復摻作摻合料對水泥基材料抗壓強度的影響見圖3。

試塊折斷后的兩塊進行抗壓試驗，每一組可得到6個抗壓試驗試塊，但其中一塊留作長期強度觀察組所以在本論文中每組只有5個強度值。由圖3可以看出，用水泥凈漿制成的試塊抗壓強度最大，用粉煤灰鐵尾礦代替部分水泥之后會使抗壓強度下降，但都是有效的合格強度。單用30%粉煤灰代替水泥時的強度在有代替組內的抗壓強度是最高的，最接近純水泥的強度。當鐵尾礦替代率為20%、粉煤灰替代率為10%的時候，抗壓強度會有一個局部峰值，其強度僅次于30%單摻粉煤灰的抗壓強度。

圖3 鐵尾礦-粉煤灰復摻作摻合料對水泥基材料抗壓強度的影響

3.2.3 小結

用鐵尾礦粉煤灰對部分水泥做替代，會使強度有所下降，但是絕大強度都超過了純水泥的70%，所以說復摻這兩種材料是可行的。其中鐵尾礦對強度的影響更甚，在用較多的鐵尾礦對水泥進行代替之后，會越發的降低水泥砂漿試塊的強度，無論是抗折強度還是抗壓強度。粉煤灰更類似水泥，可以很好的成為水泥的部分替代品，可能是因為粉煤灰是在燃燒后產生的，更具有火山灰活性，其顆粒也更小，更接近水泥的細度。雖然本次試驗使用的鐵尾礦經過兩個小時的研磨并且篩分過，但畢竟是機械研磨，并不能很好激發其活性，其顆粒也還是封閉式的，與水泥膠砂材料不能結合的那么緊密而產生較高強度，過多的鐵尾礦甚至會使得試塊粉化，粘結力很低，其性質更接近于天然砂。對比抗壓強度和抗折強度數據，代替率為30%的情況下，鐵尾礦為20%、粉煤灰為10%是一個雙優的選擇。

4 結論

①在水泥基材料中用部分鐵尾礦和粉煤灰代替水泥，從工作性能和強度方面來說，是可行性的。

②鐵尾礦因為其吸水性較差所以會給水泥膠砂帶來減水效果，但是因為其顆粒較大，會使膠凝材料的粘結性下降；而粉煤灰的減水效果甚微，但是由于粉煤灰的顆粒細小，填充了膠砂中一些空隙，使得構件更加密實，在長期的水化后，其強度會得到提高。

③水泥的代替率總量30%，其中鐵尾礦20%，粉煤灰10%。從減水效應、抗折強度和抗壓強度3個方面綜合來說，這是綜合效益最好的比例，在達到復摻后最大抗壓強度和較大抗折強度的同時有很好的減水效果。