铁尾矿砂在高性能灌浆料中的试验研究

张启，张云飞

（中铁四局 安徽中铁工程材料科技有限公司，安徽 合肥 230000）

0 前言

水泥基灌浆料是一种由水泥、骨料、外加剂和矿物掺合料等原材料，经工业化配制生产而成的具有合理级配的干粉料。加水拌合均匀后具有可灌注的高流动性、微膨胀、高早期和后期强度、不泌水等性能[1-2]。水泥基灌浆材料是目前注浆工程中应用最广泛的浆材[3-4]，且灌浆料的使用范围，已逐渐从早期单一的冶金建设全面拓展到市政、环保、港口、电力、造纸等行业[5]。目前，国内高性能灌浆料是由胶结成分、超塑化组分、膨胀组分、优选高强微骨料组分以及一些微量改性组分以适当比例共同混合而成。可以预见，通过在高性能灌浆料中加入各种高效或高性能减水剂、矿物掺合料微粉、纤维、胶粉等，或使用机制砂或其它骨料取代河砂，可使高性能灌浆料朝着性能优越、成本低廉的方向发展[6-7]。

随着我国工业化迅速发展，矿产资源的需求日益俱增，而我国大多数矿山资源品位较低，在选矿过程中产生大量的尾矿，导致尾矿量不断增加，尾矿在工业固体废弃物中所占的比例也越来越大，比如铁尾矿砂等。尾矿属选矿后的废弃物，是工业固体废弃物的主要组成部分[8]。目前，我国发现的矿产有 150 多种，开发建立了8000 多座矿山，累计产生尾矿 5900 多亿 t[9-10]。

本文利用铁尾矿砂部分取代机制砂制备高性能灌浆料，针对铁尾矿砂掺量对高性能灌浆料性能的影响进行了比较系统地研究。

1 原材料

水泥为安徽合肥海螺 P·O42.5 水泥，性能指标见表1；粉煤灰为安徽合肥电厂 Ⅱ 级灰，性能指标见表 2；铁尾矿砂（TW），马鞍山铁矿厂；机制砂（JZS）合肥本地某机制砂厂，TW 与 JZS 筛分分析见表 3，性能指标见表 4；膨胀剂为江苏建科院 UEA 型；减水剂均为中铁四局安徽中铁工程材料科技有限公司聚羧酸高性能减水剂；PP 抗裂纤维，合肥市某化工市场；水为饮用自来水。

表1 水泥的性能指标

表2 Ⅱ级粉煤灰的性能指标

表3 TW 和 JZS 的筛分分析

2 试验方法和试验方案

2.1 试验方法

所有试验方法均参照国家标准 GB/T 50448—2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》进行，采用胶砂搅拌机进行搅拌，所有试验条件均在标准试验室内进行。

2.2 试验方案

设计高性能灌浆料配合比为胶凝材料 : 砂=1:1，粉煤灰等量取代 20% 水泥，膨胀剂等量取代 6% 水泥，聚羧酸高性能减水剂和 PP 纤维用量见表 5。铁尾矿砂TW 分别用 0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40% 等量取代机制砂 JZS，研究铁尾矿砂掺量对高性能灌浆料各种性能的影响。其试验方案见表 5。

表4 TW 和 JZS 的性能指标

表5 高性能灌浆料配合比 kg/m3

3 试验结果和分析

3.1 铁尾矿砂掺量对高性能灌浆料流动度的影响

研究铁尾矿砂掺量对机制砂高性能灌浆料（初始和30min 后）流动度的影响，其试验结果见表 6。

表6 铁尾矿砂掺量对灌浆料流动度影响

从表 6 中可以看出：与全机制砂高性能灌浆料流动度相比，使用铁尾矿砂取代机制砂可制备出高流动度灌浆料，且在铁尾矿砂掺量不大于 20% 时，其高性能灌浆料的初始流动度和 30min 后流动度分别在 320mm 以上、300mm 以上；从表 6 中还可看出：随着铁尾矿砂掺量的不断增加，其高性能灌浆料初始流动度和 30min后流动度逐渐下降，掺量越高下降越明显，特别是铁尾矿砂掺量超过 20% 时，下降趋势比较明显。

铁尾矿砂掺量对机制砂高性能灌浆料流动度的影响，其铁尾矿砂最佳掺量不宜大于 20%。

3.2 铁尾矿砂掺量对高性能灌浆料泌水率的影响

研究铁尾矿砂掺量对机制砂高性能灌浆料泌水率的影响，其试验结果如表 7 所示。

从表 7 中可以看出：全机制砂高性能灌浆料中，无泌水现象存在；在机制砂高性能灌浆料中掺入铁尾矿砂时，当铁尾矿砂掺量不大于 20% 时，其机制砂高性能灌浆料无泌水现象出现，当铁尾矿砂掺量大于 20%时，随着铁尾矿砂掺量的增加，其机制砂高性能灌浆料的泌水情况越来越严重。

铁尾矿砂掺量对机制砂高性能灌浆料泌水率的影响，其铁尾矿砂最佳掺量应不大于 20%。

3.3 铁尾矿砂掺量对高性能灌浆料抗压强度的影响

研究铁尾矿砂掺量对机制砂高性能灌浆料抗压强度的影响，其试验结果如表 8 所示。

从表 8 可看出：当机制砂高性能灌浆料中掺入铁尾矿砂时，随着铁尾矿砂掺量的增加，其机制砂高性能灌浆料抗压强度先增加后下降。针对各试件的 1d、3d 和28d 抗压强度数值来看，各试件抗压强度都随着试验龄期的延长而增加，没有出现强度倒缩现象。

铁尾矿砂掺量对机制砂高性能灌浆料抗压强度（1d、3d 和 28d）的影响，其铁尾矿砂最佳掺量为不大于 15%。

根据铁尾矿砂掺量对机制砂高性能灌浆料各项性能（初始流动度和 30min 后流动度、泌水率，1d、3d 和28d 抗压强度）的影响规律，其铁尾矿砂的最佳掺量范围为小于等于 15%。

表7 铁尾矿砂掺量对灌浆料泌水率的影响

表8 铁尾矿砂掺量对灌浆料抗压强度的影响

4 结论

（1）当使用铁尾矿砂取代机制砂制备的高性能灌浆料的初始和 30min 流动度分别可达 320mm 和300mm 以上，1d、3d、28d 抗压强度分别≥50MPa、≥60MPa、≥65MPa，都满足相关国家标准 GB/T 50448—2008 要求。

（2）根据铁尾矿砂掺量对机制砂高性能灌浆料各项性能的影响规律，其铁尾矿砂的最佳掺量范围应为小于等于 15%。