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铁尾矿砂 水泥基灌浆料性能研究 1
摘 要 ： 利用铁尾矿砂为 骨料制备水 泥基灌浆料 ， 与石英砂 灌浆料对比 ，系统分析 骨料不同对
灌浆料性能 的影响。结 果表明： 铁 尾矿砂与石 英砂配制的 灌浆料，在 浆体富余系 数为值
时，流变学 参数几乎一 致，即适当 的配比设计 能够保证铁 尾矿砂灌浆 料与石英砂 灌浆料具有
同等的施工 性能； 硬化 后， 铁尾矿 砂灌浆料较 石英砂灌浆 料孔隙率低 ，无害孔较 多、少害孔
及有害孔较 少；铁尾矿 砂自身硬度 较石英砂低 ，但铁尾矿 砂灌浆料界 面过渡区更 为密实，界
面显微硬度 略高。铁尾 矿砂替代石 英砂作为灌 浆料骨料， 对灌浆料性 能影响不大 ，具有良好
的技术可行性。
关键词：铁尾矿砂；灌浆料；流变；界面过渡区
Study on properties of Iron Tailing Cement based Grouting Material
LIU Yunxiao, LI Xiaoguang, ZHANG Chunmiao, L Ü Boning
(School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China)
Abstract: Iron tailing sand was used as aggregate to prepare cement-based grouting material.
Compared with quartz sand grouting material (QG), the properties of iron tailing sand grouting
material (ITG) was comprehensively analyzed. The results shows: the rheological parameters of ITG
have slightly difference from QG such as slightly higher yield stress, almost the same plastic
viscosity and slightly higher thixotropy, so the workability of ITG is slightly lower than that of QG.
After hardening ， the strength of ITG is slightly lower than that of QG. The porosity of ITG is lower
than that of QG, and there are more harmless pores and less harmful pores in ITG. The hardness of
iron tailings is lower than that of quartz sand, but in ITG, the interfacial transition zone is denser and
the microhardness of the interface is slightly higher. It has little effect on the properties of grouting
material that iron tailing sand instead of quartz sand as grouting aggregate, and has good technical
feasibility.
Key words: iron tailings sand; grouting material; rheology; interfacial transition zone
传统建筑工 程使用的现 浇式施工方 法，具有资 源用量大 、 工序复杂 以 及建筑垃圾 多 等 缺
点，不符合绿色发展的要求。因此我国大力发展装配式建筑，计划用 10 年左右的时间，使装
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配式建筑占新建建筑面积的比例达到 30% [1-2] 。随着国家对于装配式建筑的大力推广，灌浆材
料的需求随 之快速增长 。 传统灌浆 料通常使用 石英砂为骨 料，但 石英 岩硬度较高 ，开采成本
高，且资源有限 [3] ，加上国家对环境保护的严格要求，因此寻找石英砂替代品也逐渐受到关注。
铁尾矿是选 矿后产生的 固体废弃物 ，伴随着钢 铁产业的日 益发展，铁 尾矿排放量 逐年增加，
传统的堆填 处置占用土 地， 同时带 来环境污染 和不安全隐 患 ，据不完 全统计 ，尾 矿堆积量已
经超过 50 亿吨，占全国工业固体废物 80% 以上 [4-5] 。铁尾矿砂作为矿场选矿后的废弃物，其成 分与普通石英砂不同，也与产地来源关系密切。薛建华 [6] 从化学及矿物组成、热稳定性、碱性
环境稳定性 、物理性能 等方面 系统 分析论证了 陕西商洛铁 尾矿在建筑 工程中应用 的 可靠性，
提出铁尾矿 砂完全满足 工程建设用 砂要求， 并 提出相应的 政策建议 ， 研究成果 为 该地区铁尾
矿的应用奠 定了技术基 础 。本文选 用陕西商洛 地区钒钛磁 铁矿尾矿 ， 尝试用铁 尾 矿中的细颗
粒替代石英 砂来配制灌 浆料 ，采用 强度 、流变 特性 、孔隙 特性三个主 要指标，并 结合显微界
面硬度，电 镜扫描等手 段，综合评 价 钒钛磁铁 矿尾矿砂 替 代石英砂后 ，灌浆料的 性能特点和
不足，为铁尾矿的综合利用提供技术支持。
1. 原材料与试验方法
1.1 原材料
（ 1 ）胶凝材料：水泥采用山东济南产超细硅酸盐水泥，主要技术指标见表 1 ；矿物掺合 料选用河南郑州产微硅粉，中位径为 10.93 μ m ，比表面积 1623 m 2 /kg ，表观密度 2300kg/m 3 。
表 1 超细硅酸盐水泥的主要性能
Tab.1 Main properties of ultra-fine Portlandcement
Grain size distribution Specific surface area Compressive strength/MPa Flexural strength /MPa
D10( μ m) D50( μ m) D90( μ m) /m 2 /kg 7d 28d 7d 28d
1.766 6.418 17.63 1083 46.8 59.6 6.5 10.4
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（ 2 ）骨料：陕西商洛钒钛磁铁矿尾矿砂，大粒径 251.3 μ m ，中位径为 84.36 μ m ，表观 密度为 3040kg/m 3 ，堆积密度为 1435kg/m 3 ，空隙率为 52.8% ；江苏徐州石英砂，大粒径 293.5 μ m ， 中位径为 94.47 μ m ，表观密度为 2630kg/m 3 ，堆积密度为 1198kg/m 3 ，空隙率为 54.4% 。表 2 为两种不同骨料的主要元素成分分析结果，图 1 为两种不同骨料的粒度分布曲线。
表 2 石英砂和铁尾矿砂的主要化学成分 % Tab.2 The main chemical constituents of quartz sand and iron tailing sand %
Ingredient Fe 2 O 3 K 2 O SO 3 Na 2 O CaO SiO 2 Al 2 O 3 MgO MnO P 2 O 5 TiO 2 others Iron tailing sand 13.45 0.67 0.58 2.21 11.57 43.34 12.1 9.2 0.24 2.41 4.05 0.12 Quartz sand 0.49 0.08 0.08 - 0.07 98.63 0.47 0.13 0.05 - - -
由表 2 可知，陕西商洛铁尾矿成分较石英砂更为复杂，除硅、铝元素外，还含有钙、镁、
铁、钛等金属元素。
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25
20
15
10
Iron tailing sand Quartz sand
Retained
100
80
60
40
Accumulated retained
5
0
0.1 1 10 100 1000
Paticle size / m
20
0
图 1 骨料颗粒粒度分布曲线
Fig.1 Distribution curves of the aggregates
比较两种不同骨料的颗粒分布曲线（图 1 ）：两种骨料的粒径分布特别是中位径较为相近，
主要差异表现为铁尾矿砂含有较多的细颗粒（ 20 μ m 以下），石英砂不含这部分细颗粒，导致
其空隙率略高。
（ 3 ）外加剂：聚羧酸减水剂、消泡剂、 UEA 膨胀剂、羟甲基 - 丙基纤维素醚。
1.2 试验设计
依据 GB/T 50448-2008 《水泥基灌浆材料应用技术规范》要求配制高性能灌浆料。根据水 泥浆体对骨料的填充包裹模型 [7] ，水泥浆除用于填充骨料空隙外，还需有一定的富余，以包裹
并粘结骨料。浆体用量依式（ 1 ）计算：
冀公网安备13010402002588