0 引言
随着中国钢铁行业的快速发展，生产过程中产生的大量尾矿废渣对生态环境造成了显著危害，亟需探究尾矿废渣的资源化利用方法
[1-3]。截至2018年底，全国尾矿累计堆存量已达207 亿t，其中铁尾矿占比最大，约为39.3%
[4]。铁尾矿泥是浮选作业中产生的尾矿废料，通常以浆状形式排出，经过沉淀处理后形成的一种淤积物
[5]。铁尾矿粉则是磁选产生的铁尾矿粉体。河北省迁安市赵店子镇铁尾矿粉和铁尾矿泥的堆积现场见
图1。
近年来，学者们对铁尾矿的资源化利用进行了大量研究。YANG
[6]等研究表明，铁尾矿粉比表面积经过机械活化至450~550 m
2/kg时，作为混凝土掺合料的胶凝活性大于粉煤灰，可起到微集料填充效应。邱玉巧
[5]、王雅琳
[7]研究结果表明，铁尾矿泥和铁尾矿粉经机械活化后活性指数较高，当掺量小于30%时，能使混凝土保持良好的力学性能。这是由于机械活化后的铁尾矿在凝结过程中通过加速水化效应、物理稀释效应和填充密实效应三者协同作用，提高了铁尾矿基水泥胶砂的强度
[8]。ZHANG等
[9]利用铁尾矿粉、粉煤灰和锂矿渣组成的三元掺合料促进了C-S-H、AFt等水化产物的生成，组成的三元矿物掺合料体系配制的混凝土比普通混凝土具有更好的抗酸侵蚀性能。MA等
[10-12]研究表明，由铁尾矿作为混凝土的粗细骨料以及掺合料制成的全铁尾矿混凝土梁和柱均满足平截面假定，承载力均符合国内现行设计规范要求。张永存等
[13]研究表明，在砂浆中掺入适量粉煤灰、硅灰和MgO粉末能降低砂浆的脆性，提高砂浆的抗裂性能，双掺适量粉煤灰和硅灰，还可以弥补粉煤灰对早期强度的不利影响。潘怀兵等
[14]在砂浆中掺入纳米MgO，提高水泥砂浆的28 d抗压强度及水化热，砂浆的自收缩也得到改善。DHEYAALDIN等
[15]研究表明，聚丙烯纤维和纳米材料可降低砂浆的收缩值。
综上可知，当铁尾矿的细度达到要求时，可作为矿物掺合料使用
[16]，但是掺合料对砂浆强度及收缩开裂性能的研究较少。因此，本文利用比表面积为472 m
2/kg的铁尾矿粉、比表面积为320 m
2/kg和430 m
2/kg的铁尾矿泥作为砂浆掺合料，研究不同掺量下三种掺合料对砂浆强度和收缩开裂性能的影响。
1 研究方法
1.1 原材料与配合比
采用京兰牌P·O 42.5水泥，比表面积为344.2 m
2/kg。铁尾矿掺合料取自唐山市迁安赵店子镇。将铁尾矿粉和铁尾矿泥筛分并烘干后，使用QM-QX12L型全方位行星球磨机进行粉磨。其中，铁尾矿粉（ITP）经40 min粉磨后，比表面积为472 m
2/kg（472ITP）
[7]；铁尾矿泥（ITM）经10 min和15 min粉磨后，比表面积分别为320 m
2/kg（320ITM）和430 m
2/kg（430ITM）
[6]。根据《用于水泥中的火山灰质混合材料》（GB/T 2847—2022）
[17]测定，二者均无火山灰活性。试验采用比表面积为293.2 m
2/kg的Ⅱ级粉煤灰（FAM），胶凝材料的化学成分见
表1。细骨料选用天然河砂，细度模数为2.83；拌和及养护用水均为自来水。
由
表1可见，铁尾矿泥的主要化学成分为SiO
2，质量分数为75.36%，高于铁尾矿粉的相应含量；而Fe
2O
3的质量分数仅为6.65%，远低于铁尾矿粉的相应含量；铁尾矿粉与铁尾矿泥中均未检测出放射性和有害化学元素。
1.2 试验方法
（1）砂浆配合比
为了更好地检测砂浆的抗裂性能，保证其流动性，考虑到低水胶比砂浆更容易开裂（更适用于试验观测）
[18-21]，试验中力学性能及圆环收缩开裂的砂浆试块水胶比取0.35，胶砂比取1∶1.5。设置砂浆掺合料掺量分别为10%、20%、30%，并以纯水泥砂浆（PM）和粉煤灰（FAM）掺量为30%的砂浆作为试验对照组。试验组分别采用320ITM、430ITM以及472ITP作为掺合料，替代率分别为10%、20%、30%。砂浆配合比见
表2。
（2）砂浆试块力学性能试验
根据水泥胶砂试验规范
[22]的要求，试块尺寸取40 mm×40 mm×160 mm。将配制好的砂浆分2次浇筑到三联试模中，第一次浇筑至试模高度的1/3处，第二次浇筑至填满。每次浇注后均在振实台上振动60 s，刮平表面后连同试模一起养护24 h，随后取出试块。将试块分别养护至7 d和28 d，测试其抗压强度和抗折强度。
（3）砂浆圆环收缩开裂试验
采用《混凝土结构耐久性设计与施工指南（2005年修订版）》（CCES 01—2004）
[23]中的圆环法进行收缩抗裂性试验。试验模具由河北沧州胤沣试验仪器公司生产，包括内环、外环和底座。试块内环半径为41.3 mm，外环半径为66.7 mm，高为25.4 mm。试验时，首先在内环外表面涂抹脱模剂，然后浇筑水泥砂浆。试块成型后立即移入养护室，经过24 h标准养护后拆去外环。在试块顶面和底面粘贴铝箔胶带进行密封处理，随后将试块连同模具内环放置在聚四氟乙烯板上，在试块外侧面贴应变片后移入养护箱。养护箱内温度为(20±0.5)℃，相对湿度为50%±10%。按
表2的配合比，每组配合比制作3个试块，观测时间为28 d，电脑自动记录试块收缩数据和初裂时间。试验模具及拆去外环后的试块见
图2。
2 结果与分析
2.1 砂浆的力学性能
不同掺量下砂浆的抗压强度见
图3，不同掺量下砂浆的抗折强度见
图4。
由
图3（a）和
图4（a）可见，铁尾矿粉及铁尾矿泥掺量为10%时，7 d养护龄期下，只有试块430ITM10的抗压强度超过了试块PM，试块472ITP10和试块320ITM10的抗压强度略低于试块PM；28 d养护龄期下，试块472ITP10和试块430ITM10的抗压强度均有所提升。其中，试块430ITM10的抗压强度最高，比试块PM提高了3.55%，而试块320ITM10相对于试块PM降低了8.52%。7 d养护龄期时，3种试块的抗折强度基本相同，与PM相比，降低了10.99%；养护龄期为28 d时，试块430ITM10与试块PM的抗折强度持平，未出现下降。而试块472ITP10和试块320ITM10的抗折强度分别下降了2.97%和9.9%。铁尾矿掺量为10%的3种砂浆，抗压、抗折强度均高于FAM的相应值，与养护龄期相关性较小。
由
图3（b）和
图4（b）可见，472ITP20、320ITM20和430ITM20的性能均优于粉煤灰掺量为30%的砂浆试块FAM。试块472ITP20和试块430ITM20的抗压强度相比掺量为10%的情况均有下降。与试块PM相比，试块472ITP20和试块430ITM20在7 d的抗压强度分别下降了8.95%、9.12%，在28 d的抗压强度分别下降了3.41%、7.53%；而试块320ITM20的抗压强度则超过了试块472ITP20和试块430ITM20，试块320ITM20在7 d和28 d的抗压强度，相对于试块PM分别提升了3.27%、4.83%。在抗折强度方面，28 d龄期的试块320ITM20表现最佳，仅比试块PM降低了6.93%。由
图3（c）和
图4（c）可见，当铁尾矿掺量从20%增加到30%时，3类试块的抗压强度和抗折强度均下降，其中7 d与28 d的抗压强度和抗折强度与FAM的相应值相差不大。
铁尾矿砂浆强度随掺量变化情况见
图5。由
图5（a）可见，当铁尾矿掺量为10%时，试块472ITP10和试块430ITM10在28 d的抗压强度均高于试块PM，而试块320ITM10在28 d的抗压强度则低于试块PM；当铁尾矿掺量为20%时，试块320ITM20在 28 d的抗压强度最高，超过试块PM，而试块472ITP20及试块430ITM20在28 d的抗压强度则大幅下降；当铁尾矿掺量达到30%时，3种铁尾矿砂浆的抗压强度均快速下降。
图5（b）表明，随着铁尾矿掺量的增加，3种铁尾矿砂浆的抗折强度总体上呈下降趋势，但320ITM在掺量为20%时，其28 d抗折强度反而超过了掺量为10%时的相应值。
由上述分析可知，铁尾矿粉及铁尾矿泥不具有火山灰活性，在砂浆中仅起到微集料填充作用
[6-7]。从砂浆强度的角度考虑，铁尾矿粉和铁尾矿泥作为掺合料时，掺量应控制在20%以内。当掺量为20%时，比表面积为320 m
2/kg的铁矿泥表现最优；与比表面积为472 m
2/kg的铁尾矿粉相比，由于铁尾矿泥的初始细度远高于铁尾矿粉，因此比表面积粉磨至320 m
2/kg时仅需10 min，具有更高的性价比。
2.2 抗裂性能
由
图6可见，与纯水泥砂浆试块PM相比，掺入粉煤灰、铁尾矿粉和铁尾矿泥的试块，收缩应变均有不同程度的减小。试块PM的应变片在养护龄期为16.5 d时存在应力突变，收缩应变增加了1.01×10
-4，表明此时试块已开裂
[23]，同时可观察到试块表面出现裂缝，但未发生断裂。而掺入粉煤灰、铁尾矿粉和铁尾矿泥的试块，在28 d的试验期间均未出现开裂现象。
由
图6（a）和
图6（b）可见，以472ITP和320ITM作为掺合料时，随着掺量的增加，砂浆的收缩应变逐渐减小。其中，试块472ITP20和试块472ITP30在养护龄期达到7 d后收缩应变增加缓慢；试块472ITP30的收缩应变小于试块FAM，而试块472ITP20的收缩应变与试块FAM基本相同。试块320ITM20和试块320ITM30在养护龄期达到10 d后，收缩应变基本保持稳定；试块320ITM30的收缩应变低于试块FAM，但试块320ITM20的收缩应变略高于试块FAM。由于铁尾矿粉及铁尾矿泥不具有火山灰活性，在砂浆凝结硬化过程中消耗的水量较少，导致砂浆试块的收缩应变随着掺量的增加而减小。在相同掺量条件下，由于粉煤灰具有火山灰活性，在砂浆凝结硬化过程中消耗的水量较多，因此试块FAM的收缩应变比试块472ITP30及试块320ITM30的相应值更大。
由
图6（c）可见，当铁尾矿泥的比表面积增大至430 m
2/kg时，试块430ITM10的收缩应变最小，低于试块PM和试块FAM的相应值；而试块430ITM20和试块430ITM30的收缩应变接近，且略高于试块FAM。产生这种现象的原因为：尽管铁尾矿粉不具有火山灰活性，但较高比表面积的铁尾矿粉能够促进砂浆的水化反应，且随着比表面积的增大，促进水化反应的作用增强
[24]。铁尾矿泥过大的比表面积会增强砂浆的水化反应，从而消耗更多的水分。由于430ITM的活性指数高于472ITP和320ITM，因此随着掺量的增加，砂浆的收缩量会增大。
为进一步比较ITP、320ITM和430ITM对砂浆收缩性能的影响，对比同一掺量下3种掺合料的收缩应变，结果见
图7。
以28 d养护龄期为例，当掺量为10%时，430ITM10的收缩应变最小，比PM和FAM分别降低了61.01%和34.10%。当掺量为20%时，472ITP20、320ITM20和430ITM20的收缩应变接近，比PM降低了33.03%～38.54%。当掺量为30%时，472ITP30与320ITM30的收缩应变相差较小，比PM降低了36.11%～41.10%；而FAM的28 d收缩应变比PM降低了40.83%。说明472ITP30、320ITM30和FAM对减少砂浆收缩效果接近。
综合考虑铁尾矿掺合料对砂浆强度与收缩性能的影响，认为铁尾矿粉及铁尾矿泥的掺量以20%最佳。其中，320ITM由于粉磨成本较低，具有更好的应用前景。对于对收缩性能要求严格的砂浆，可采用比表面积为430 m2/kg、替代率为10%的铁尾矿泥作为掺合料。
2.3 砂浆微观结构分析
为进一步分析铁尾矿粉和铁尾矿泥对砂浆收缩性能的影响，以PM、FAM、472ITP20、320ITM20和430ITM20为例，通过SEM来分析它们的微观结构，各试块的SEM图见
图8。
由
图8（a）和
图8（b）可见，与PM相比，掺加30%的粉煤灰后，砂浆的孔隙结构得到了显著改善，进而有效抑制了水泥基材料的收缩。由
图8（b）可观察到圆形颗粒为粉煤灰玻璃微珠体。粉煤灰含有活性SiO
2和活性Al
2O
3，经过二次水化反应后生成C-S-H凝胶，形成致密的水化硅酸钙结构，进而减少收缩并改善抗裂性能。此外，粉煤灰细化了孔隙结构，减少了混凝土中有害孔和多害孔的数量。
由
图8（c）、
图8（d）和
图8（e）可见，与PM相比，472ITP20、320ITM20和430ITM20的大孔隙数量显著减少，铁尾矿泥和铁尾矿粉颗粒与周围水化产物（C-S-H）紧密结合，起到了良好的填充作用，细化了砂浆的孔隙结构，抑制了砂浆的收缩。其中，320ITM20的空隙数量虽然比472ITP20和430ITM20多，但其大孔隙更少，孔隙结构更加细化。这一结果与文献[
25]中关于尾矿粉作为混凝土掺合料的压汞试验结果以及最紧密堆积试验和分析结果一致。这也是320ITM20在28 d龄期时比472ITP20和430ITM20具有更高抗压强度的原因。
3 结论
（1）当掺量为10%时，与PM相比，472ITP10和430ITM10的7 d和28 d的抗压强度和抗折强度基本未出现下降；而在掺量为20%的情况下，320ITM20的抗压强度最高。
（2）铁尾矿粉与铁尾矿泥在砂浆水化过程中表现出低水分消耗特性，在微观结构上，其微集料填充效应显著优化了砂浆的孔隙结构，从而降低收缩开裂风险。当掺量控制在20%时，472ITP20、320ITM20和430ITM20的收缩应变基本相同。
（3）基于对铁尾矿掺合料影响砂浆强度与收缩性能的系统考量，建议铁尾矿粉及铁尾矿泥的掺量取20%。另外，比表面积达320 m²/kg的铁尾矿泥，因其较低粉磨成本及对砂浆强度的微弱负面效应，在砂浆掺合料领域具有更高的应用价值。
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