矿山压滤尾砂对瓷砖胶性能的影响研究

王义恒，景晓光，杨奇玮，李莎，李运生

（华新水泥股份有限公司，湖北武汉 430073)

尾矿是开发矿山后所排放的固体废弃物，会占用大量的土地资源。2016 年，我国尾矿产生量达16 亿t，较2015 年增长1%，其中非金属尾矿达1.6 亿t。矿山尾矿的地表处置方法有2 种：地表尾矿库排放和地表干式堆存。其中干式堆存是指尾矿经脱水后产出的一种高浓度/膏体尾砂，而干式堆存又可根据尾矿浓度与特性的差异分为压滤干堆与膏体堆存。矿山压滤尾砂是矿石在制成骨料的过程中，多次筛选及冲洗之后经过压滤工艺脱水所产出，其处理方法属于压滤干堆。虽然压滤干堆具有工艺运行平稳、经济及环境效益明显、坝体安全系数较高等优点，但仍不能改变需要堆放，占用土地的事实，所以如何利用矿山压滤尾砂成为解决尾矿问题的一个重要思考方向。
水泥基瓷砖胶一般由胶凝材料、天然细骨料、矿物填充料及改性聚合物外加剂组成。若将矿山压滤尾砂作为瓷砖胶的部分细骨料及填充料，不仅能降低瓷砖胶的制备成本，也能提高矿山压滤尾砂的利用率，从而降低矿山压滤尾砂对环境的影响，节约土地资源。
本文探讨了压滤尾砂以不同比例取代瓷砖胶中的细骨料后，对瓷砖胶性能的影响，以开拓矿山压滤尾砂在水泥基瓷砖胶中的应用。

1 试验
1.1 原材料
（1）水泥：华新“堡垒”牌P·O42.5，比表面积为325 m2/kg，3 d、28 d 水泥胶砂抗压强度分别为29.3、51.9 MPa；
（2）压滤尾砂：来自华新武穴骨料公司，其主要化学成分见表1。各粒级颗粒占比如表2 所示，干密度为1050 kg/m3。由于压滤尾砂含水率高（15%）分并结团（见图1），需先对压滤尾砂进行烘干及碾碎预处理。图2 为压滤尾砂的SEM 照片，图3 为压滤尾砂的XRD 图谱。从图3 可知，压滤尾砂的主要矿物组成为石灰石、白云石及石英，其中泥土的主要组成为伊利土及绿泥土。
压滤尾砂和天然砂各粒级颗粒占比
压滤尾砂的 SEM 照片
压滤尾砂的 XRD 图谱
（3）细骨料：天然砂，颗粒级配见表2，干密度为1350 kg/m3。
（4）保水剂：HPMC，黏度为40 Pa·s，国产。
（5）早强剂：甲酸钙，工业级。
（6）可再分散乳胶粉：VAE-VC 型，瓦克公司产。
1.2 瓷砖胶的基础配方
试验采用C1 型瓷砖胶，所用基础配方如表3 所示。
C1 型瓷砖胶的基础质量配比
1.3 试验方法
（1）稠度及密度测试依据JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行；滑移及拉伸粘接强度测试依据JC/T547—2017《陶瓷砖胶粘剂》进行。
（2）浆体触变性测试采用Brookfield R/S SST2000 粘滞系数测试仪（见图4），采用“滞后法”[6]测试浆体触变环的方法进行，测试剪切速率由0 增大至100 s-1，再由100 s-1 降为0的过程中所形成的触变环面积，比较触变环的大小。

（3）扫描电子显微镜（SEM）分析：采用美国FEI 公司的Quanta FEG 450 型扫描电子显微镜，观察瓷砖胶28 d 水化产物的形貌。
2 结果与讨论
采用压滤尾矿部分取代瓷砖胶中的细骨料，取代率分别为0、10%、20%、30%、40%、50%。对瓷砖胶的工作性能、抗滑移性能及粘结性能进行测试。
2.1 压滤尾砂取代率对瓷砖胶工作性能的影响
2.1.1 对瓷砖胶稠度的影响（见图5）
压滤尾砂取代率对瓷砖胶稠度的影响
从图5 可以看出，当压滤尾砂的掺量为10%时，相比空白样，稠度增大了3 mm，达到75 mm；但随着压滤尾砂取代率的继续增加，砂浆稠度呈减小趋势。当压滤尾砂取代50%细骨料时，瓷砖胶的稠度仅为50 mm。这是由于压滤尾砂中含有一定量石灰石，石灰石能改善水泥基干粉瓷砖胶的级配，使得水泥基干粉瓷砖胶的工作性能得到改善；但由于压滤尾砂中也含有一定量黏土，所以当压滤尾砂取代率增大时，瓷砖胶中黏土的含量也在增大，使得水泥基干粉瓷砖胶的工作性能变差，稠度明显降低。
2.1.2 对瓷砖胶密度的影响（见图6）
压滤尾砂取代率对瓷砖胶密度的影响
由图6 可见，随着压滤尾砂取代率的增大，瓷砖胶的干密度由1460 kg/m3 降至1280 kg/m3，这是由于压滤尾砂的干密度较天然砂的干密度小；而随着压滤尾砂取代率的增大，瓷砖胶湿密度逐渐增大，这是由于压滤尾砂中含有的黏土比表面积大，需水量较大，而且黏土会吸收额外的水到内部多层结构中，进一步地吸水[8]，故随着压滤尾砂取代率的增大，瓷砖胶对水的吸附能力越强，湿密度逐渐增大。
2.2 压滤尾砂取代率对瓷砖胶抗抗滑移性的影响（见图7）
压滤尾砂取代率对瓷砖胶抗滑移性的影响
由图7 可见，随着压滤尾砂取代率的提高，瓷砖胶的抗滑移性得到改善。当取代率为30%时，抗滑移性能达到最佳。
根据宾汉姆流体方程，使用“滞后环法”测得的月牙形滞后环面积越大，则砂浆流体的触变性越好[9]，有利于提高瓷砖胶的抗滑移性能。测试了压滤尾砂在不同取代率下对瓷砖胶新拌浆体触变性的影响，结果如图8 和表4 所示。
压滤尾砂取代率对瓷砖胶新拌浆体触变性的影响,不同压滤尾砂取代率下瓷砖胶新拌浆体的触变环面积
由表4 可见，随着压滤尾砂取代率的增大，浆体的触变环面积先增大后减小，当取代率为30%时，触变环面积达到最大，为6471 Pa·s；当取代率达到40%时，触变环面积下降至3560 Pa·s，面积减小45%。这是由于压滤尾砂中的石灰石粉使得水泥颗粒之间的网状空间结构更易形成，触变性增大。
而当压滤尾砂的取代率增大到40%及以上时，由于压滤尾砂中的黏土具有很强的吸附能力，使得水泥颗粒之间的网状空间结构不易形成，浆体的触变性急剧降低。
2.3 压滤尾砂取代率对瓷砖胶拉伸粘结强度的影响（见表5）

从表5 可以看出，随压滤尾砂取代率增大，瓷砖胶的拉伸粘结强度呈先提高后降低趋势。当取代率为20%时，拉伸粘结强度达到最高；继续增大压滤尾砂的取代率，则拉伸粘结强度不断降低。当取代率超过20%时，瓷砖胶的拉伸粘结强度已不能符合JC/T 547—2017 对C1 型瓷砖胶规定的要求。这是由于压滤尾砂中的石灰石具有改善水泥基干粉瓷砖胶级配的作用，使得水泥基干粉瓷砖胶与瓷砖之间的粘结面粗糙度提高，拉伸粘结强度提高；但当压滤尾砂取代率进一步增大时，黏土含量也随之增大，使得水泥基干粉瓷砖胶与瓷砖之间的粘结面粗糙度降低，拉伸粘结强度急剧下降。
2.4 压滤尾砂对瓷砖胶微观结构的影响
图9 和图10 分别为压滤尾砂取代率为0 和20%时瓷砖胶28 d 水化产物的SEM 照片。
压滤尾砂取代率为 0 的瓷砖胶,压滤尾砂取代率为 20%的瓷砖胶
由图9 和图10 可见，当压滤尾砂取代率为20%时，瓷砖胶的水化产物更加丰富，结构也更为致密。这是由于压滤尾砂中的石灰石粉参与到水化反应中去，生成更多的水化硅酸钙凝胶，未水化的石灰石粉也填充到浆体结构中去，使得浆体结构更加密实。

3 结论
（1）随着压滤尾砂取代率的增大，瓷砖胶的干密度逐渐降低，湿密度则逐渐增大。
（2）随着压滤尾砂取代率的增大，瓷砖胶的抗滑移性能得到改善，取代率为30%时，瓷砖胶的抗滑移性能最佳。
（3）随着压滤尾砂取代率的增大，瓷砖胶的拉伸粘结强度呈先提高后降低。当取代率为20%时，拉伸粘结强度最高；取代率超过20%时，瓷砖胶的拉伸粘结强度不能符合JC/T547—2017 标准要求。
（4）SEM 分析表明，与压滤尾砂取代率为0 时相比，当压滤尾砂取代率为20%时，瓷砖胶的水化产物更为丰富，且结构更加密实。

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