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目前国内已积存大量的采矿尾矿,严重污染环境,占用土地资源。其中铁矿采选后产生的铁尾矿堆积现象尤为严重。如能将这些废弃尾矿应用到砂浆中,对社会的可持续发展具有重要意义。本文主要就铁尾矿取代细砂配制普通砂浆和节能砂浆的可行性进行试验和理论分析,为铁尾矿在建筑材料产品中的应用提供基础试验数据。
首先研究基础铁尾矿等体积取代细砂对普通砂浆性能的影响程度和规律,确定铁尾矿砂取代天然细砂配制普通砂浆的适宜比例。试验结果表明,铁尾矿的掺入对砂浆的许多性能都有极大的影响。
(1)铁尾矿的掺入,改善了砂浆的和易性。砂浆的流动度提高,分层度降低。铁尾矿掺量在10%~50%之间,砂浆的流动性最好。(2)砂浆的立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度均随着铁尾矿掺量增加呈现先降后升的趋势。铁尾矿掺量为40%时,砂浆强度开始提高,掺量为50%时,砂浆28d强度均高于普通砂浆强度。(3)掺入铁尾矿后,砂浆的干缩值降低。铁尾矿掺量超过50%,28d收缩值与泊松比大幅下降。而弹性模量仅在30%~50%范围内较低。砂浆的压折比随铁尾矿掺量增加而逐渐增大,特别是28d压折比较高。(4)掺铁尾矿的砂浆,导温系数大幅提高,导热系数在铁尾矿掺量超过40%后,随铁尾矿掺量的增加而降低。但砂浆的蓄热系数和比热容持续降低。铁尾矿取代率为100%时,砂浆蓄热系数降低至基准砂浆的53%,比热容降低至基准砂浆的33%。(5)综合各项性能指标,铁尾矿等量取代天然细砂的适宜范围为40%~60%。
其次,以铁尾矿等量取代天然细砂比例为50%的砂浆为基准,研究水泥用量对铁尾矿砂浆物理、力学、热工性能的影响程度和规律,以确定配制不同强度等级铁尾矿砂浆时适宜的水泥用量。试验结果和理论分析表明,随着水泥用量的增大,达到相同稠度时砂浆的用水量减少,水灰比从1.76降低至0.96。但水泥用量超过350kg/m3后,砂浆的流动度大幅降低,最低仅达水泥用量250kg/m3砂浆的82%。水泥用量的增加,提高了砂浆的密实度,降低了孔隙率,使表观密度和强度不断增大。然而压折比也在增大,砂浆的脆性增大。水泥用量超出400kg后,压折比提高幅度增大。当水泥用量为450kg/m3时,砂浆28d压折比相对于水泥用量为250kg/m3的砂浆增加幅度达35%。砂浆的导热系数从水泥用量为250kg/m3时0.428 W/(m·K)增加至水泥用量为450kg/m3时0.546W/(m·K),增幅达27.6%。综合各项性能,选定单位水泥用量250kg/m3~350kg/m3为较优水泥用量范围。此水泥用量范围内的砂浆,流动性、压折比、导热系数等各项性能表现较优,可配制强度等级为M5、M7.5、M10的铁尾矿砂浆。
针对新拌铁尾矿砂浆性能所需改性剂种类和掺量进行试验研究。系统测试了单掺纤维素醚和双掺纤维素醚与淀粉醚对铁尾矿砂浆保水性和施工性能的影响规律。实验结果表明,单掺纤维素醚能显著提高了铁尾矿砂浆的保水性,掺量越高保水性越好。纤维素醚掺量为0.2%时,砂浆的保水率达到95.5%,比基准砂浆提高了15.6%。然而砂浆的粘度急剧增大,影响施工性能。双掺纤维素醚与淀粉醚,两者显示了较好的协同效果。淀粉醚虽然对砂浆的保水率提高幅度不大,但其性能与纤维素醚有互补性,能有效的提高爽滑度,改善砂浆施工性。对于掺0.2%纤维素醚的砂浆,淀粉醚掺量0.08%时砂浆的粘性指数仅为20.3,较之单掺纤维素醚降低42%之多。
最后进行铁尾矿砂配制节能砂浆的试验研究。等体积掺入轻质细骨料,通过测试其物理、力学、热工等方面性能,确定铁尾矿砂配制节能砂浆所需采用的轻质骨料种类和适宜比例。(1)掺入轻骨料后,砂浆的用水量和流动度均出现不同程度的降低。(2)掺橡胶粉的铁尾矿砂浆,表观密度和导热系数增大,强度显著降低。(3)掺聚苯乙烯的铁尾矿砂浆,表观密度增大,密实度提高,强度与基准砂浆相比相差不大。聚苯乙烯掺量为15%时,铁尾矿砂浆的导热系数低于基准砂浆,仅为0.19W/(m·K)。之后砂浆的导热系数随着聚苯乙烯掺量的增加而增大。(4)掺加憎水玻化微珠砂浆的抗压、抗折强度与基准砂浆强度相差不大。而砂浆的表观密度与导热系数随憎水玻化微珠掺量的增加而降低。掺量为45%的砂浆表观密度比基准砂浆降低11%,导热系数降低12%,为0.21W/(m·K)。(5)掺33#玻化微珠的砂浆,强度较之基准砂浆降低幅度不大,而导热系数在基准砂浆附近波动。掺量在30%时,砂浆的导热系数较低,为0.22W/(m·K)。(6)综合各项性能和经济效益,最适合掺入铁尾矿砂浆中的轻骨料应为憎水玻化微珠,且较优掺量骨料总体积为45%。