活性铝土尾矿对砂浆力学性能影响

摘要：以800℃煅烧活化后的铝土矿尾矿与粉煤灰共同替代20%的水泥，研究不同水胶比、不同尾矿掺量对砂浆力学性能的影响。结果表明：随着尾矿掺量的增加，水胶比的降低，砂浆的抗压强度和抗折强度呈增大的趋势，尾矿完全替代粉煤灰且水胶比为0.47时，砂浆拥有最优配比。水胶比固定为0.47时，尾矿完全替代粉煤灰的砂浆28d抗压强度和抗折强度分别达到最大的48.97MPa和7.9MPa，较未掺尾矿分别提升了23.28%和11.27%。表明活性铝土矿尾矿能够提高砂浆的力学性能。

关键词：活性铝土矿尾矿；粉煤灰；砂浆；抗压强度；抗折强度；吸水率

0引言

铝土矿尾矿是生产氧化铝时产生的固体废弃物，每生产1t氧化铝大约产生0.2t的尾矿。目前铝土矿尾矿主要堆积在尾矿库中，不仅会污染环境，还造成了资源的浪费［1-2］，如何有效处理铝土矿尾矿成为研究的热点。当前国内外学者对铝土矿尾矿的研究主要为有价金属回收［3］，制备复合吸水材料处理废水［4］，以及制备多孔陶瓷、碱激发胶凝材料［5］等方面，但这些研究均无法大量地消纳尾矿，尾矿整体利用率不足10%，无法解决尾矿的堆存问题。混凝土、砂浆是世界上使用量最大的建筑材料，能够大量消纳固体废弃物，因此尾矿能否被应用到混凝土、砂浆中将成为人们研究的重点。目前，国内外学者对于铝土矿尾矿在砂浆中的研究相对较少，基于此现状，本研究利用800℃煅烧活化后的铝土矿尾矿作为矿物掺合料，分析不同水胶比、活性铝土矿尾矿掺量对砂浆抗压强度、抗折强度的影响，并通过吸水率测试进行表征。

1原材料与试验设计

1.1原材料

铝土矿尾矿采用中铝中州铝业有限公司排放的尾矿。经800℃煅烧1h活化后的铝土矿尾矿主要含有刚玉、赤铁矿、石英、云母，密度为2.86g/cm3，活性指数为76.3%；粉煤灰采用密度和需水量比分别为2.21g/cm3和96.8%的Ⅱ级粉煤灰，活性指数为70.5%；采用焦作千业水泥有限公司生产的P·O42.5水泥，密度为2.99g/cm3，化学成分见表1。已知水泥、尾矿、粉煤灰特征粒径的关系是：尾矿＜粉煤灰＜水泥；粗骨料采用密度为2.74g/cm3，最大粒径为20mm的连续级配碎石；细骨料采用密度为2.62g/cm3，细度模数为2.76的河砂；减水剂采用减水率为40.5%的聚羧酸粉末状减水剂；水采用当地普通自来水。

1.2配合比设计

基于前期预试验结果，活性铝土矿尾矿掺量超过20%时，新拌和混凝土的工作性能较差，所以本试验采用活性铝土矿尾矿和粉煤灰作为矿物掺合料共同替代20%的水泥，研究其对混凝土力学性能的影响，其中活性铝土矿尾矿代替粉煤灰的比例分别为0、25%、50%、75%、100%，水胶比根据预试验配合比设计为0.47、0.52、0.57，混凝土详细配合比见表2。

1.3试样制备与测试方法

砂浆试样成型采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机，试件尺寸为40mm×40mm×160mm。浆料放入模具后，均在振动台上进行适当震动成型，然后移入（20±2）℃、95%相对湿度的标准养护室进行养护。试样在成型24h后脱模，然后在标养室中分别养护1d、3d、7d、28d后进行抗压强度、抗折强度、吸水率测试。采用上海百若试验仪器有限公司的YAW-300/20微机控制压力机，检测试块的抗折强度，测过抗折强度后的砂浆试块断成两段，取其中一块进行抗压强度测试。用完全饱和样品中的水与烘箱干燥后样品质量之比，表示吸水率的方法，进行吸水率测试。砂浆试块养护到龄期后，从标养室取出，在烘箱中进行干燥，干燥温度为（110±5）℃，持续时间3d，然后使试样在室温下冷却24h，记录样品重量a并放置在水中，确保其顶部表面有50mm的水量。2d后将试样取出，擦掉表面多余水分，记录试样重量为b。吸水率取完全饱和样品中的水与烤箱干燥样品中的水之比。

2试验结果与分析

2.1不同水胶比对砂浆抗压强度和抗折强度的影响

图1显示了28d养护龄期下不同水胶比对砂浆试块抗压强度和抗折强度影响的结果。由图1可以看出，五种尾矿掺量下砂浆试块的抗压强度和抗折强度都呈现出随水胶比增大持续降低的趋势。在BT100-F、BT75-F、BT50-F、BT25-F、BT0-F五种尾矿掺量下，0.47水胶比砂浆试块的抗压强度和抗折强度均最大，抗压强度分别达到了48.97MPa、46.393MPa、45.389MPa、41.358MPa、39.722MPa，较0.57水胶比胶砂试块抗压强度分别提升了32.55%、29.36%、27.57%、17.61%、17.99%，抗折强度分别达到了7.9MPa、7.75MPa、7.45MPa、7.3MPa、7.1MPa，较0.57水胶比胶砂试块抗折强度分别提升了17.91%、23.02%、22.13%、22.69%、22.41%，结果表明，在一定范围内降低水胶比可以有效地提高砂浆试件的抗压强度和抗折强度，且发现尾矿掺量越大，水胶比对抗压强度的作用效果越明显,对抗折强度的作用效果不是太明显。这是因为，砂浆的强度与水胶比有关，在水泥含量相同的情况下，水胶比越大相当于用水量越多，在水泥水化的过程中，一部分水用于水泥水化，多余的水分则残留在硬化浆体中，在砂浆硬化后，这部分水蒸发后将在硬化浆体中产生大量孔隙，使得砂浆承压能力变差，影响砂浆的强度，因此在适当范围内降低水胶比，将会降低砂浆试块硬化浆体中的孔隙率，提高砂浆试块的抗压强度和抗折强度。

2.2不同尾矿掺量对砂浆抗压强度和抗折强度的影响

图2显示了不同养护龄期（1d、3d、7d和28d）下尾矿掺量对胶砂试块抗压强度和抗折强度影响的结果。由图可知，随尾矿掺量的增加，三种水胶比的强度均有相同的变化趋势，只需讨论一种水胶比即可。以0.47水胶比为例，由图2（a）可以看出，随着尾矿掺量的增加，砂浆试块28d抗压强度呈现逐渐增高的趋势，BT100-F1胶砂试块28d抗压强度最高达到了48.97MPa，较BT75-F1、BT50-F1、BT25-F1、BT0-F1砂浆试块抗压强度分别提高了5.55%、7.89%、18.41、23.28%。由图2（d）可以看出，随着尾矿掺量的增加，砂浆试块28d抗折强度呈现逐渐增大的趋势，BT100-F1胶砂试块28d的抗折强度最高达到了7.9MPa，较BT75-F1、BT50-F1、BT25-F1、BT0-F1砂浆试块抗折强度分别提高了1.94%、6.04%、8.22%、11.27%。表明尾矿的掺入可以有效地提高砂浆试块的强度。这是因为，尾矿与粉煤灰均有火山灰效应，且尾矿相对于粉煤灰具有较高的反应活性，尾矿掺量的增加，相对粉煤灰含量减少，故而胶凝材料整体活性得到了提高，在胶凝材料水化反应过程中，产生了更多的C-S-H凝胶等水化产物，进而使硬化浆体更为致密，提高了砂浆的抗压强度及抗折强度［6］。并且尾矿较粉煤灰具有更低的特征粒径，未水化的尾矿较粉煤灰具有更优的填充效果，使得硬化浆体中有害孔含量减少，使得砂浆试块微观结构更为致密，进而增强了砂浆试块的抗压强度和抗折强度，具体原因在吸水率测试中也能得到一定的验证。

2.3不同水胶比、尾矿掺量对砂浆吸水率的影响

图3显示了不同水胶比（28d龄期）和不同尾矿掺量（1d、3d、7d、28d龄期）对砂浆试块吸水率的影响结果。由图3（a）可见，取28d养护龄期下的砂浆试块吸水率进行分析得出，五种尾矿掺量下砂浆试块的吸水率均随水胶比的减小而降低，且BT100-F类砂浆试块降低幅度最大。在BT100-F、BT75-F、BT50-F、BT25-F、BT0-F五种尾矿掺量下，0.47水胶比砂浆试块吸水率均最小，分别为6.53%、6.69%、6.82%、7.08%、7.12%，较0.57水胶比胶砂试块吸水率分别降低了4.29%、3.46%、3.11%、1.21%、1.68%。表明在一定范围内降低水胶比可以有效降低砂浆试块的吸水率。由图3（b、c、d）可知，随着尾矿掺量的增加，三种水胶比砂浆试块的吸水率均有相同的变化趋势，故只讨论一种水胶比即可。以0.47水胶比为例，随着尾矿掺量的增加，砂浆试块的吸水率均呈降低的趋势，BT100-F1胶砂试块吸水率最低为6.53%，较BT75-F1、BT50-F1、BT25-F1、BT0-F1砂浆试块吸水率分别降低了2.33%、4.14%、7.72%、8.23%。这是因为吸水率能够对砂浆的孔结构进行一定的表征［7］，尾矿较粉煤灰有更低的特征粒径，使得尾矿未水化部分具有更好的填充作用，降低了砂浆的孔隙率，优化了砂浆试块的孔结构，即吸水率越低，表明砂浆试块孔隙率越低［8］，试块越致密，进而抗压强度和抗折强度越好。砂浆试块吸水率测试结果与水胶比和尾矿掺量对砂浆试块抗压强度和抗折强度的影响结果相一致，对强度结果进行了很好的表征。

3结论

（1）水胶比的降低，能够改善砂浆的抗压强度和抗折强度。以BT100-F试样为例，28d养护龄期时，0.47水胶比的砂浆试块抗压强度和抗折强度均达到最大值，分别为48.97MPa和7.9MPa，较0.57水胶比砂浆试块分别提升了32.55%和17.79%。

（2）尾矿掺量的增加，能够改善砂浆的抗压强度和抗折强度。以0.47水胶比为例，当尾矿完全代替粉煤灰时，砂浆的抗压强度和抗折强度达到最大值，分别为48.97MPa和7.9MPa，较未掺尾矿砂浆试块分别提升了23.28%和11.27%。（3）水胶比的降低和尾矿的掺入能够有效降低砂浆的吸水率，改善砂浆的孔隙结构。当尾矿掺量固定时，以BT100-F试样为例，0.47水胶比较0.57水胶比砂浆试块吸水率降低了4.29%；当水胶比固定时，以0.47水胶比为例，尾矿完全替代粉煤灰较未掺尾矿砂浆试块吸水率降低了8.23%。

作者:申兆梁 勾密峰 赵金会 侯文丽 赵梦珂 单位:河南理工大学材料科学与工程学院