不同比例鐵尾礦粉摻量對砂漿和易性和力學性能影響研究

呂南 牟志財 張雙成

（遼寧壹立方砂業有限責任公司）

我國是鐵礦石大國，鐵礦石生產過程中必然產生大量的鐵尾礦粉。大量的鐵尾礦粉往往得不到有效處理，給社會造成嚴重的環境及安全問題。隨著國家對大宗固體廢棄物二次利用政策的頻繁出臺，鐵尾礦綜合利用技術開始被研究者重視，將鐵尾礦粉摻入建筑工程材料中進行重復利用成為解決我國鐵尾礦粉末滯存問題的重要方向[1,2]。

近年來，國內建筑行業的快速發展，砂漿的需求量日益增加。實際上，鐵尾礦粉與天然砂的物理性質比較類似，可以替代一部分砂漿中的河砂，進而解決鐵尾礦的再生利用問題。研究者已經開展了鐵尾礦粉對砂漿及混凝土性能的影響。鄭金妹等人認為10%～15%的鐵尾礦粉末摻量可以有效提升砂漿的流動性及力學強度[3]。然而，李曉光等人的研究表明鐵尾礦粉可以弱化砂漿的流動性，提升其抗壓強度[4]。林松等人認為鐵尾礦砂與砂漿表觀密度成正相關，與抗折和抗壓強度成負相關[5]。馬雪英等人研究了鐵尾礦粉對混凝土工作性能、力學性能及耐久性能的影響，認為合理的摻量可以有效提升混凝土的性能[6]。張肖艷等人分析了不同摻量下鐵尾礦粉C40 混凝土，認為無活性鐵尾礦粉也可提升混凝土性能[7]。上述研究結果表明鐵尾礦粉對砂漿及混凝土性能的提升效果并不統一，這與不同比例、細度及活性的鐵尾礦粉對混凝土的性能作用機理不同有關。鑒于此，本文開展了鐵尾礦粉摻量對水泥砂漿流動度、抗壓及抗折強度的影響，并解釋了其對水泥砂漿的性能改善機理，以期為鐵尾礦粉水泥砂漿的材料配比優化設計提供一定的參考。

1 試驗材料及方法

1.1 鐵尾礦粉末

采用的鐵尾礦粉來自于遼寧本溪鋼鐵廠，其主要的礦物組成包括綠泥石、石英、長石、云母等；主要的化學成分為SiO2，其次為Al2O3；比表面積為434m2/kg，平均粒徑為34.5μm。

1.2 水泥砂漿

采用的水泥為P·O42.5 級硅酸鹽水泥，砂為ISO 標準砂。基準的砂漿材料比例為水泥:砂:水=1:2.5:0.5，鐵尾礦按照替代水泥5%、10%、20%、30%、40%、50%進行鐵尾礦水泥砂漿的制備，用于后續試件不同性能的測試，以便開展鐵尾礦粉對水泥砂漿工作性能及力學強度影響的研究。

采用的鐵尾礦粉與水泥的化學組成如表1所示。

表1 鐵尾礦粉與水泥的化學組成(%)

1.3 測試方法

按照GB/T2419《水泥膠砂流動度測定方法》中規定的進行鐵尾礦粉水泥砂漿工作性能的測試[8]；按照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》中規定的進行鐵尾礦粉水泥砂漿抗折和抗壓強度的測試[9]；按照GB/T12959-2008《水泥水化熱測定方法》中規定的進行鐵尾礦粉水泥砂漿水化熱的測定[10]。

2 試驗結果

2.1 鐵尾礦粉摻量與水泥砂漿和易性相關關系分析

不同鐵尾礦粉摻量下水泥砂漿的流動度測試結果如圖1所示。從圖1中可以看出，基準砂漿（未摻加鐵尾礦粉的砂漿）的流動度為164mm。整體上，隨著鐵尾礦粉摻量的增加，鐵尾礦水泥砂漿的流動度呈現先正向增長后負向下降的關系。當鐵尾礦粉摻量達到20%時，鐵尾礦水泥砂漿的流動度達到最大，為220mm，與基準砂漿相比，提高了34%。當鐵尾礦粉摻量達到50%，其流動度為173mm，依然較基準砂漿有所提高，增幅達到5.5%。總而言之，水泥砂漿中摻入鐵尾礦粉，可以對其流動性具有一定的提升作用。

圖1 鐵尾礦粉摻量與水泥砂漿和易性相關關系

2.2 鐵尾礦粉摻量與水泥砂漿力學性能相關關系分析

不同鐵尾礦粉摻量不同齡期下水泥砂漿的抗壓強度及抗折強度測試結果分別如圖2、圖3 所示。從圖2中可以看出，基準砂漿（未摻加鐵尾礦粉的砂漿）的3d抗壓強度為43MPa，28d 抗壓強度為17MPa。整體上，隨著鐵尾礦粉摻量的增加，鐵尾礦水泥砂漿的抗壓強度呈現先短期正增長后負向下降的關系。當鐵尾礦粉摻量達到10%時，鐵尾礦水泥砂漿的3d 抗壓強度達到最大，為49MPa，與基準砂漿相比，提高了22.5%；28d抗壓強度達到最大，為20MPa，與基準砂漿相比，提高了17.6%；隨后3d 抗壓強度及28d 抗壓強度開始下降。對比3d 抗壓強度及28d 抗壓強度鐵尾礦水泥砂漿提升效果可知，鐵尾礦對水泥砂漿早期強度提升效果較好。當鐵尾礦粉摻量超過20%，鐵尾礦砂漿的3d 抗壓強度及28d 抗壓強度開始低于基準水泥砂漿。

圖2 鐵尾礦粉摻量與水泥砂漿抗壓強度相關關系

圖3 鐵尾礦粉摻量與水泥砂漿抗折強度相關關系

從圖3 中可以看出，基準砂漿（未摻加鐵尾礦粉的砂漿）的3d 抗折強度為8.9MPa，28d 抗折強度為4.1MPa。整體上，隨著鐵尾礦粉摻量的增加，鐵尾礦水泥砂漿的抗折強度呈現先短期正增長后負向下降的關系。當鐵尾礦粉摻量達到10%時，鐵尾礦水泥砂漿的3d抗折強度達到最大，為12.6MPa，與基準砂漿相比，提高了41.5%；28d 抗折強度達到最大，為5.7MPa，與基準砂漿相比，提高了32.1%；隨后3d 抗折強度及28d 抗折強度開始下降。對比鐵尾礦水泥砂漿3d 抗折強度及28d抗折強度水泥砂漿提升效果可知，鐵尾礦對水泥砂漿早期強度提升效果較好。當鐵尾礦粉摻量超過20%，鐵尾礦砂漿的3d 抗折強度及28d 抗折強度開始低于基準水泥砂漿。綜合鐵尾礦粉摻量與鐵尾礦砂漿工作性能、力學強度的相關關系，本文的鐵尾礦粉摻量最佳摻量為20%。

3 工作機理

3.1 鐵尾礦粉的水化效應

摻入鐵尾礦的水泥的水化放熱曲線如圖4 所示。從圖4 中可知，所有摻量下，鐵尾礦水泥的水化放熱曲線呈現波峰波谷的演變趨勢。其中，當鐵尾礦粉摻量小于20%時，與基準水泥相比，鐵尾礦水泥的誘導期結束時間略有延長，水化放熱量有所下降；當鐵尾礦粉摻量達到20%時，鐵尾礦水泥的誘導期結束時間開始縮短，水化放熱量有所提升。這意味著水泥水化反應過程中，當鐵尾礦摻量達到一定摻量可以有效促進氫氧化鈣成核結晶，進而起到促進水泥水化的作用。

圖4 鐵尾礦粉水泥砂漿水化熱放熱曲線

3.2 鐵尾礦粉的物理稀釋效應

當水泥砂漿中摻入少量的鐵尾礦粉時，由于鐵尾礦粉的物理稀釋效應，使得水泥砂漿中的水灰比增加，促進水泥的水化反應，增加水化反應產物，起到提升水泥另外，此時水泥含量較高，也使得水化產物數量較多，最終提升砂漿的強度。然而，鐵尾礦粉摻量過多后，將會導致水泥的比例相對減小，鐵尾礦粉增加產生的水化產物無法彌補水泥比例較少降低的水化產物，反而使得水泥砂漿的強度降低。通過對鐵尾礦粉摻量與不同齡期水泥砂漿力學性能相關關系的分析，在鐵尾礦粉砂漿早期強度增長幅度大，后期強度增長幅度小。這也是因為初期膠凝物的水化程度較低，鐵尾礦粉的物理稀釋效應引起促進水化作用就顯得十分顯著，使得力學性能增幅較大；而隨著齡期的增加，鐵尾礦的物理稀釋效應減弱，使得力學性能增幅開始下降。

4 結語

綜上所述，隨著鐵尾礦粉摻量的增加，鐵尾礦水泥砂漿的流動度呈現先正向增長后負向下降的關系。當鐵尾礦粉摻量達到20%時，鐵尾礦水泥砂漿的流動度達到最大，與基準砂漿相比，提高了34%。隨著鐵尾礦粉摻量的增加，鐵尾礦水泥砂漿的抗壓強度及抗折強度呈現先短期正增長后負向下降的關系。當鐵尾礦粉摻量達到10%時，鐵尾礦水泥砂漿的抗壓強度及抗折強度均達到最大；當鐵尾礦粉摻量超過20%，鐵尾礦砂漿的抗壓強度及抗折強度開始低于基準水泥砂漿。綜合鐵尾礦粉摻量與鐵尾礦砂漿工作性能、力學強度的相關關系，本文的鐵尾礦粉的最佳摻量為20%。當鐵尾礦摻量為20%時，水泥水化反應過程的誘導期縮短，放熱量增大；鐵尾礦的稀釋效同樣增加了水灰比，進一步促進水化。總之，鐵尾礦粉對水泥砂漿性能的影響是物理稀釋效應及水化效應協同作用的結果。