铜尾矿砂对高强灌浆料性能的影响

朱清利

（中铁二十局集团第三工程有限公司，重庆 400065）

0 引言

铜尾矿是铜矿石经过磨矿选矿后排除的固体废弃物。我国2019 年铜尾矿的排放量已经达到2.24 亿t，且呈逐年增加的态势[1]。铜尾矿的处理方式一般是直接排入尾矿库堆存，这样的处理方式不仅占用了宝贵的土地资源，还导致铜尾矿中含有的有毒有害物质渗透到地下水中，破坏当地的生态环境，带来安全隐患[1-2]。装配式建筑是解决传统房屋现浇过程中存在的质量、性能、环保、节能等问题的有效途径，得到了政策的大力支持[1-3]。随着装配式建筑的推广，水泥基灌浆料的需求也随之快速增加。传统灌浆料通常使用天然河砂或石英砂作为骨料，但随着砂石消耗量的急剧增加，天然河砂已经面临短缺，再加上国家对环境保护要求日益严格，寻找天然砂的替代品逐渐受到了更为广泛的关注[4-6]。但由于铜尾矿砂在组成、颗粒级配方面与天然砂存在着差异，其在灌浆料中的应用较少。

本文用铜尾矿砂替代一定比例的天然砂组成复合砂，作为高强灌浆料的骨料，研究铜尾矿砂对灌浆料工作性能、力学性能、体积稳定性和耐久性能的影响，为铜尾矿砂在灌浆料甚至混凝土中的应用提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：南京海螺股份有限公司生产的52.5 级普通硅酸盐水泥，密度为3.15 g/cm3，比表面积为365 m2/kg；矿渣：宝山钢铁有限公司宝田S105 矿渣，密度为2.94 g/cm3，比表面积为480 m2/kg；粉煤灰：山东顺科建材科技有限公司生产的Ⅰ级灰，三者的化学组成见表1。减水剂：苏州兴邦化学有限公司的粉体聚羧酸高效减水剂，减水率＞25%。消泡剂：日本艾迪科（ADK）生产的水泥砂浆用粉末消泡剂B328F。塑性膨胀剂：上海钦和化工有限公司生产的REGAL-300 型；硬化膨胀剂：浙江三狮集团特种水泥有限公司生产的硫铝酸钙－氧化钙EA膨胀剂。

细集料：细度模数3.3 的天然河砂，表观密度为2.617 g/cm3；铜尾矿砂：安徽铜陵，表观密度为2.77 g/cm3，化学组成见表1。表2 为石英砂和铜尾矿砂的筛分曲线。

表1 水泥、矿渣、粉煤灰和铜尾矿砂的化学组成 %

表2 石英砂砂和铜尾矿砂的筛分曲线

由表2 可知，铜尾矿砂的粒径分布主要集中在0.15～0.3 mm，细度模数为1.0，属于特细砂。

1.2 试验方法

1.2.1 高强灌浆料配比

高强灌浆料的基础配比为水胶比0.22，胶砂比1∶1.2，粉煤灰、矿渣和硅灰的取代率均为水泥质量分数的10%，塑性膨胀剂、硬化膨胀剂、减水剂和消泡剂掺量分别为胶凝材料质量的0.2%、7%、0.40%、0.10%。为了控制铜尾矿砂和天然河砂复合后的细度模数在中砂范围内，选择铜尾矿砂取代率分别为天然砂质量分数的10%、20%、30%和40%。

1.2.2 工作性和力学性能

按照GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》测试新拌浆体的初始流动度和30 min 流动度。按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验》测试灌浆料试件的1、3、28 d 的抗压、抗折强度。参考GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试灌浆料的28 d 静弹性模量。

1.2.3 耐久性能

参照JC/T 313—2009《膨胀水泥膨胀率试验方法》测试灌浆料的膨胀性能，参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试灌浆料试件的抗氯离子渗透性能。

1.2.4 微观测试

根据压汞法，采用Micromeritics 公司生产的AUTOPORE IV9500 V1.09 型压汞仪进行孔结构测试，测试孔径范围为3 nm～350 μm。使用TESCAN VEGA3 LMH 型钨灯丝扫描电镜中进行微观形貌的观察。

2 结果与讨论

2.1 灌浆料的工作性能

铜尾矿砂取代天然砂对灌浆料工作性能的影响如表3 所示。

表3 铜尾矿砂取代率对灌浆料工作性能的影响

由表3 可知，不含铜尾矿砂的天然砂灌浆料初始流动度为355 mm，30 min 流动度为310 mm。当用铜尾矿砂取代天然砂时，灌浆料的初始流动度和30 min 流动度均出现降低的现象，且随铜尾矿砂取代率的增加，灌浆料的流动度不断降低，浆体的黏度增大、比较干稠。但灌浆料的流动度损失随铜尾矿砂取代率的增加变化并不显著。相比天然砂，铜尾矿砂的粒径要细得多，导致骨料的比表面积增加，润湿砂子所需的用水量更高[7]。因此，在灌浆料用水量和减水剂用量保持不变的前提下，用铜尾矿砂取代天然砂会导致灌浆料的流动度降低。此外，灌浆料的流动度损失主要与水泥的水化速率相关，铜尾矿砂中并没有能加速或减缓水泥水化反应的成分[8]，因此对灌浆料30 min 流动度损失影响不大。

2.2 灌浆料的力学性能

表4 为铜尾矿砂取代天然砂对灌浆料力学性能的影响。

表4 铜尾矿砂取代率对灌浆料力学性能的影响

由表4 可知：（1）铜尾矿砂对灌浆料1 d 的抗折和抗压强度影响较小，灌浆料的强度随铜尾矿砂取代率的增加变化不大。灌浆料的强度随铜尾矿砂取代率的增加而提高：抗压强度在铜尾矿砂取代率为40%时达到最大，3、28 d 的强度相比天然砂组分别增加了25.1%、20.2%；抗折强度在铜尾矿砂取代率为30%时达到最大，3、28 d 的强度相比天然砂组分别增加了21.6%、18.5%；但当铜尾矿砂取代率为40%时，灌浆料的抗折强度反而略有降低。铜尾矿砂的加入改善了灌浆料骨料的颗粒级配，增加了细集料的含量，使灌浆料变的更为密实。同时，铜尾矿砂是由岩石破碎所得，其坚固性要高于天然河砂[8-9]，且表面分布有许多棱角，较粗糙，咬合力大，水泥水化时与砂形成的骨架更为牢固，从而导致灌浆料力学性能的提高[9]。（2）随铜尾矿砂取代率的增加，灌浆料的弹性模量逐渐增大，且铜尾矿砂的取代率越大，灌浆料的弹性模量变化越明显：当铜尾矿砂的取代率为40%时，灌浆料的弹性模量最大达到50 GPa，相比天然砂灌浆料的弹性模量提高了35.1%。这一方面是由于铜尾矿砂的坚固性更高；另一方面，粒径分布更细的铜尾矿砂取代粒径更粗的天然砂，改善了混合砂的级配，填充了粗天然砂间的空隙，从而提高了灌浆料的弹性模量[10]。

2.3 灌浆料的收缩性能

铜尾矿砂取代天然砂对灌浆料收缩性能的影响如图1 所示。

图1 铜尾矿砂取代率对灌浆料膨胀性能的影响

由于灌浆料中含有塑性膨胀剂和硬化膨胀剂，天然砂灌浆料在整个56 d 的测试周期中，整体都表现为体积膨胀，且前14 d 体积膨胀较为显著，14 d 后趋于稳定，56 d 的膨胀率为0.047%，这也有助于灌浆料与外界构件的粘结，不出现缝隙。当用铜尾矿砂取代天然砂后，灌浆料的膨胀率都出现了不同程度的增加：由于膨胀剂掺量是相同的，假定膨胀剂提供的补偿收缩部分不变，那么灌浆料整体的膨胀率增大，说明基体的收缩变形越小。因此，灌浆料中铜尾矿砂的含量越高，灌浆料的收缩率越低，且整体发展趋势同天然砂的规律一致，也表现为前14 d 增长较快，后14 d 趋于稳定。这其中，当铜尾矿砂的取代率为10%时，对灌浆料收缩率的影响较小，仅降低了7.8%；当铜尾矿砂的取代率增加至20%时，相比天然砂灌浆料的收缩率降低了20%，当铜尾矿砂取代率为40%时灌浆料的降低率最高，达41.4%。这是因为用铜尾矿砂取代天然砂改善了灌浆料骨料的级配，使其堆积变得更为致密，而且相比天然砂，铜尾矿砂的坚固性更高，这使得灌浆料的弹性模量大大增加，增加了基体抵抗变形的能力[11]。

2.4 灌浆料的耐久性能

灌浆料的耐久性是影响其服役寿命的重要指标之一。本文选择抗氯离子渗透性能作为评价铜尾矿砂对灌浆料耐久性能的影响指标，其结果如表5 所示。

表5 铜尾矿砂取代率对灌浆料电通量的影响

由表5 可知，天然砂灌浆料28 d 的电通量为642 C。当用铜尾矿砂替代天然砂时，灌浆料的电通量随铜尾矿砂掺量增加呈不断降低的趋势，当铜尾矿砂取代率为40%时灌浆料的电通量最低，仅为511 C，相比天然砂组降低了20.4%。铜尾矿砂不含影响水泥水化的成分，不会对水化产物的种类和结构产生影响[12-13]，因此其提高灌浆料抗氯离子渗透性能主要是改善灌浆料的孔结构。由灌浆料孔结构的分析可知，用铜尾矿砂取代天然砂降低了灌浆料的孔隙率，细化了孔径，使得基体的结构变得更加密实，减少了与外界连通的孔，减少氯离子从外界环境迁移到灌浆料内部的途径，因而灌浆料的抗氯离子性能得到提高[14]。

2.5 灌浆料的孔结构

铜尾矿砂取代率对灌浆料28 d 孔结构的影响如表6 所示。

表6 铜尾矿砂取代率对灌浆料孔结构的影响

由表6 可知，随着灌浆料中铜尾矿砂取代率的增加，灌浆料的孔隙率逐渐降低，当铜尾矿砂取代率达到40%后，相比天然砂组，灌浆料的孔隙率降低24.2%。根据孔径大小的分类，可将灌浆料的孔隙分布划分为无害孔（0～10 nm）、少害孔（10～100 nm）、有害孔（100～1000 nm）和多害孔（1000～10000 nm）[15]。天然砂灌浆料的孔主要为无害孔和少害孔，占整体孔隙的86%。当灌浆料中铜尾矿砂含量逐渐增大时，灌浆料中无害孔的比例变化不大，少害孔的比例随铜尾矿砂取代率的增加而增大，有害孔及多害孔的比例显著降低。这是因为铜尾矿砂的使用改善了灌浆料骨料的级配，使得灌浆料基体变得更加密实[7，9]。水泥基材料的强度通常与孔隙率成反比，因而灌浆料的力学性能随铜尾矿砂取代率的增加而得到有效提高。此外，由于灌浆料孔结构的改善，其抗氯离子渗透性能也得到提高。

2.6 灌浆料的微观形貌

选择天然砂灌浆料和铜尾矿砂取代率为40%的灌浆料28 d 的样品进行微观形貌的观察，其结果如图2 所示。

图2 铜尾矿砂取代率对灌浆料微观形貌的影响

由图2（a）可见，天然砂的表面较为圆润光滑，天然砂与硬化的水泥净浆之间的界面过渡区存在明显的空隙，这意味着天然砂与硬化浆体之间的局部区域存在粘接较弱的现象。但在图2（b）中，在灌浆料中铜尾矿砂后，其界面过渡区得到了显著的改善，天然砂与硬化水泥净浆之间观察不到空隙的存在，较为密实。此外，在图2（b）中还可以观察到粒径较小的铜尾矿砂颗粒与水泥净浆结合在一起。铜尾矿砂的加入，使得灌浆料的界面过渡区结构得到了改善，天然砂与硬化水泥净浆之间的粘接更为紧密，基体的结构更为密实，从而灌浆料的性能也得到了有效的提高[16]。

3 结论

（1）用铜尾矿砂取代天然砂会降低灌浆料的初始流动性，且铜尾矿砂的取代率越高，灌浆料的初始流动性越低，但对流动性的经时损失影响较小。灌浆料中铜尾矿砂的含量越高，灌浆料的抗压、抗折强度越高，相比天然砂组，灌浆料28 d 抗压、抗折强度最高可分别增加20.2%、18.5%。此外，含铜尾矿砂的灌浆料28 d 静弹性模量也有所提高。

（2）用铜尾矿砂取代天然砂能改善灌浆料的收缩性能：当铜尾矿砂取代率为10%时，对灌浆料收缩的改善效果较为有限；当铜尾矿砂取代率增加至20%以上时，对灌浆料收缩的改善效果显著提升，最高相比天然砂组降低了41.4%。

（3）用铜尾矿砂取代天然砂能够降低灌浆料的孔隙率，细化孔径，使有害孔和多害孔转化为少害孔和无害孔，改善基体的密实程度和界面过渡区的结构。同时，灌浆料的抗氯离子渗透性能得到有效提高，随铜尾矿砂用量的增加，电通量不断减小。