铁尾矿是从铁矿石分选出铁精矿后剩余的固体细颗粒物，是大宗工业固体废弃物的重要组成部分。铁尾矿产出量巨大，我国仅2019年就排放铁尾矿6.19亿t，且排放量逐年增长。巨量的铁尾矿除少部分被回收利用之外，绝大部分排放至尾矿库中堆存。经长年积累，我国铁尾矿堆存量达195亿t（易龙生等，2020），造成了严重的环境和社会问题。

将铁尾矿作为充填材料用于充填采空区不仅能解决铁尾矿的危害，而且能保证矿山地下采场的安全稳定。在矿山充填法开采中，一般选择尾砂或废石作为充填原料回填至采空区支撑采场，以此管理矿山地压（王其虎等，2019）。按照矿山充填技术发展的进程，将充填方式划分为3个阶段：废石干式充填、水砂充填和胶结充填（刘浪等，2021）。其中，膏体胶结充填是较为新颖的充填方式，其特点是充填料浆的质量浓度相较于水砂充填更高，一般可达到70%~85%，一些情况下甚至可以达到88%（Pokharel et al.，2013）；水泥等胶凝材料的掺入量一般不超过10%（Fall et al.，2010）；与传统充填方式相比，由于充填料浆的质量浓度较高，料浆的屈服应力及塑性黏度较大，一般情况下需要泵压才能进行管道输送，对于某些充填倍线较小的矿山，可以采用自流式输送。截至目前，膏体充填已成为矿山充填的主流技术。

针对目前矿山充填结构不良的问题，本文研究了粉煤灰掺量对全尾砂铁尾矿膏体充填材料流动性的影响，并确定了不同粉煤灰掺量下，膏体充填材料试件强度、孔隙率和吸水率的变化规律，确定掺入粉煤灰后，充填材料流动性和强度得到优化，为其他金属矿山提供理论支持。

本文研究使用的水泥为鹰山牌P·O32.5型普通硅酸盐水泥，具体参数如表1所示。铁尾矿来自辽宁省本溪市歪头山铁矿，该矿山铁尾矿的放射性物质符合《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566-2010）标准，可用于生产。本文所使用铁尾矿和粉煤灰主要化学成分见表2。由表2可知，铁尾矿中SiO₂含量达到73.93%，可以判断该铁尾矿为高硅型铁尾矿（黄晓燕等，2010），主要矿物组成为石英、闪石类矿物和长石类矿物（曾雅钰琼等，2018）。

按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）（中华人民共和国住房和城乡建设部，2019）测定了铁尾矿和粉煤灰的比重，测量铁尾矿比重时分别从尾矿库的坡顶、坡面和坡脚取3组铁尾矿样品。测量结果如下：坡顶、坡面和坡脚铁尾矿比重分别为2.893、2.923和2.939，平均比重为2.918；粉煤灰比重为2.351。

由铁尾矿比重数据可知，铁尾矿平均比重大于采场围岩比重；坡脚处铁尾矿比重较大，可知此处铁尾矿粒度较细。这是由于铁尾矿从管道中排出时，较大颗粒易沉淀，处于砂浆下层，率先停留在尾矿边坡上，而较小颗粒则容易随砂浆流至边坡坡脚。

使用多因素分析仪测定铁尾矿和粉煤灰的pH值分别为8.79和8.95，说明铁尾矿和粉煤灰是弱碱性工业固体废弃物。使用BT-2003型激光粒度分析仪分别测定铁尾矿和粉煤灰的颗粒组成，测定中铁尾矿使用的分散剂为蒸馏水，粉煤灰使用的分散剂为无水煤油。测定结果见图1。

由图1可知，铁尾矿颗粒粒径主要集中在100~300 μm，中位粒径D₅₀为152.3 μm，D₆₀为198.41 μm，D₃₀为103.84 μm，D₁₀为40.53 μm，+0.074 mm颗粒含量为80.85%，-0.019 mm颗粒含量为6.55%，比表面积为72.06 m²/kg，Cu为4.89，Cc为1.34，级配不良。根据国内尾砂粒级分类（柯兴，2016）可知，该铁尾矿为粗尾砂。

使用扫描电子显微镜（SEM）观察铁尾矿及粉煤灰形貌特征，结果如图2所示。由图2可知，铁尾矿颗粒表面非常粗糙，形状不规则，而粉煤灰则近似于球型。这是因为粉煤灰中含有70%以上的玻璃微珠，粒型完整、表面光滑且质地致密（王铮，2020）。

根据《全尾砂膏体充填技术规范》（GB/T 39489-2020）（国家市场监督管理总局，2020），矿山充填工作制备充填材料时需满足以下要求：全尾砂粒径组成中小于20 μm的超细尾砂含量应大于15%；料浆坍落度需达到180~260 mm；充填体单轴抗压强度需达到0.2~5.0 MPa。本文研究背景为本溪歪头山铁矿，按照矿山工程资料，采空区不同位置充填材料的强度不同，根据文件配比配制充填材料，并测量其28 d无侧限抗压强度，结果显示抗压强度上限为2.50 MPa，下限为0.50 MPa，故本文充填材料28 d无侧限抗压强度最低标准定为0.8 MPa。

经过料浆流动度试验，确定在不外掺粉煤灰的情况下，若要使坍落度达到180 mm，则质量浓度不能高于72%。同时，为减少水分流失造成的细颗粒流失，应该尽量提高质量浓度，故取72%为基础质量浓度。

根据张利华（2010）的研究确定灰砂比为1∶10，为确定粉煤灰掺量对试验的影响，将粉煤灰的掺量定为固体总质量的0、2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%和15%，对应的各组试块编号为T₁~T₇。为测量4个养护龄期（3，7，14，28 d）充填材料的无侧限抗压强度，本试验使用70.7三联塑模制作试件，共计28组，84个试样。

首先将铁尾矿等材料按照配比混合，搅拌4~5 min，然后将其注入70.7三联塑料模具中，振捣90 s，使材料填满模具剩余空间，静置24 h后脱模，再放入恒温恒湿养护箱中养护至规定龄期，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）（中华人民共和国住房和城乡建设部，2019），设定养护温度为（20±1）℃，相对湿度为92%。

（1）坍落度测试。按照《中华人民共和国建筑工业行业标准》对膏体料浆进行坍落度试验，记录7组不同配比砂浆的坍落度，如表3所示。

（2）无侧限抗压强度试验。根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）（中华人民共和国住房和城乡建设部，2019）使用电子万能试验机测定了7组试件，4种不同龄期的无侧限抗压强度。每组试验读数采用三联塑模三块试块的平均值，测量加载过程采用位移控制，加载速率为1 mm/min，测量结果见表3。

（3）孔隙率测试。取养护3 d和28 d试件，使用真空饱水法测量孔隙率，为减少试件与水发生水化反应，测量时使用保鲜膜包裹试件，减少试件与水的接触时间和接触面积。试件孔隙率测量结果如表3所示。

（4）吸水率测试。取养护28 d的试件置于干燥箱中干燥3 d，冷却后称重，然后使用蒸馏水将其浸泡30 min，再次称重，进而计算出吸水率。

将7组试件的坍落度拟合成二次曲线，如图3所示，可以看出随着粉煤灰掺量的增加，试样坍落度增加，流动性增强，二者呈正相关性，相关系数为0.9927，说明拟合结果充分可靠。这是因为粉煤灰中含有大量的玻璃微珠，大部分颗粒呈球型，能起到“滚珠效应”，即减水、致密和匀质作用。掺入少量粉煤灰可以改变料浆的流变性质，对于需要泵送的膏体充填材料，能起到良好的润滑作用。

但随着粉煤灰掺量的增加，坍落度的增幅逐渐降低。尤其是在掺量达到10%以上时，继续掺入粉煤灰，对坍落度的影响幅度较小。这是因为在灰砂比恒定的情况下，粉煤灰的减水作用有限。掺入少量粉煤灰可以使料浆坍落度增大，改善料浆的流动性，但是掺入过多粉煤灰会导致料浆中超细颗粒过多，颗粒整体比表面积增大，料浆内颗粒间摩擦力增大，润滑程度相对下降（孟凡净等，2021），料浆流动性反而降低。

使用Origin软件绘制7组试件养护28 d的应力—应变曲线，如图4（a）所示，由图中数据可知，当粉煤灰掺量为0~10%（T₁~T₅组）时，试件的抗压强度随着粉煤灰掺量的增大而增强，但当粉煤灰掺量继续增大（T₆和T₇组），试件的抗压强度则略有降低。

统计7组试件，4种不同龄期的无侧限抗压强度，以粉煤灰掺量为横坐标、抗压强度为纵坐标，绘制粉煤灰掺量与试件抗压强度的关系图，如图4（b）所示。结合表3，可以看出在粉煤灰掺量较少的情况下，粉煤灰掺量与抗压强度之间呈正相关性；当粉煤灰掺量超过某阈值（本文中为10%）后，继续掺入粉煤灰之后，短期强度会略微上升，长期强度反而会降低。这是因为，水化反应初期，水化产物较少，充填材料强度很大一部分为材料自身的强度，粉煤灰的掺入会使材料更致密，提高整体强度，但在水化反应中末期，水化产物较多，会填满孔隙，使材料出现内应力，降低长期强度。

为了更加直观地分析数据，将具有代表性的养护7 d和28 d试件的抗压强度数据绘制成柱状图，如图5所示。由图5可知，随着粉煤灰掺量的增加，试件的单轴抗压强度随之增强，T₅组7 d和28 d单轴抗压强度相较于T₁组分别升高了25.12%和38.11%。粉煤灰具有“火山灰效应”，掺入粉煤灰后，因其中含有大量的活性SiO₂和Al₂O₃，在碱性潮湿环境中，可以与水反应生成C-S-H和Ca（OH）₂，产生的Ca（OH）₂能使环境pH值上升，进一步促进水化反应，生成的C-S-H凝胶对试块起到增强作用，且生成的晶体还能填充骨料颗粒间的孔隙，减小孔隙率和临界孔径，提高试块强度。

由图5可知，T₇组7 d单轴抗压强度相较于T₅组升高了2.72%，28 d单轴抗压强度下降了4.49%。粉煤灰作为一种超细颗粒，少量掺入可以填充孔隙，优化孔隙结构，但随着掺量的增加，试块内超细颗粒含量逐渐增多。当水化反应时间较短（养护时间小于7 d）时，粉煤灰掺量增加只会使整体结构更加密实，充填材料表现出短期强度略微上升；当水化反应时间较长（养护时间大于7 d）时，随着水化产物的生成，过多的超细颗粒一部分填满孔隙，另一部分会被挤出孔隙，参与水化反应后，生成的晶体会包裹在未水化的水泥颗粒周围，阻碍了进一步的水化和孔隙度的变化（Mohd Zain et al.，2000）。

由表3可知，试块强度随着养护龄期的增加而增强，28 d的单轴抗压强度远超3 d，这是因为水化反应是一个较为缓慢的过程，养护初期，产生的C-S-H凝胶较少，随着养护龄期的增加，水化反应产生的C-S-H凝胶逐渐增多。越来越多的C-S-H凝胶聚集在一起，宏观表现为C-S-H晶体更大，使骨料、胶凝材料和水组成的网格结构更加坚固，还能胶结更远处的骨料颗粒，同时C-S-H凝胶的产生，能够填补骨料之间的孔隙，减小总孔隙率，使试件整体更加致密，宏观表现为试块强度逐渐升高。

孔隙结构影响着膏体材料的性能（Das et al.，2011）。由表3可知，随着粉煤灰的掺入，试件的孔隙率明显下降，当掺入量达到10%时，养护28 d试件孔隙率最低，当掺入量达到12.5%时，养护3 d试件孔隙率最低。

由图6可知，随着粉煤灰掺入量的持续增加，试块孔隙率呈先下降后上升的变化趋势。这是由于粉煤灰是一种细集料，具有“微集料效应”，其中颗粒细小的玻璃微珠，在试块中可以充当暂未参与水化反应的水泥颗粒，提高试块的和易性，参与水化反应后，能够生成晶体，提高试块致密性，降低孔隙率；当粉煤灰掺入量过多时，超细颗粒会被挤出孔隙，导致孔隙率增大。对比表3中3 d和28 d试块的孔隙率可知，28 d的所有试块孔隙率均低于3 d的孔隙率，这与不同养护龄期抗压强度的变化是相反的。结合图7，从另一方面解释了随着养护龄期的增加，水化反应生成的晶体会填充试块中的孔隙，降低孔隙率，提高试块抗压强度。

使用扫描电子显微镜观察膏体材料的微观结构（Wang et al.，2017；Meng et al.，2016；Paiva et al.，2017），发现高孔隙度会使膏体材料中的界面过渡区成为薄弱部分（Scrivener et al.，2004）。由图7可以看出，随着养护龄期的增加，材料中胶凝活性材料逐渐水化减少，C-S-H凝胶逐渐增多，生成的C-S-H凝胶可以填充进试块中的孔隙，使试块变得愈加致密，几乎没有明显缺陷。图7所示分别为养护龄期3 d和28 d的T₁组和T₅组SEM图像，由图7可知，粉煤灰使得试块结构更加均匀，孔隙率大幅降低，仅保留部分气孔。

由表3可知，掺入粉煤灰后，试块的吸水率呈上升趋势，且后期增长率明显大于前期。由于粉煤灰具有“火山灰活性”，少量掺入时粉煤灰参与水化反应，一些细小的粉煤灰颗粒与生成的晶体填充试块的大孔和微孔（Yu et al.，2012）。但在大量掺入时，由于粉煤灰水化活性远低于水泥等胶凝材料，在养护28 d后还会有一部分粉煤灰剩余。如图8所示，在养护28 d后，充填材料中还含有很多Al₂O₃，在本文制备膏体充填材料所使用的材料中，只有粉煤灰含有较多的Al₂O₃。粉煤灰作为一种细骨料，比表面积较大，会明显增加吸水率。在吸水率试验中，吸水率下降是因为试块内部孔隙结构更加致密，而吸水率上升则是因为细骨料比表面积较大，消耗更多的水分。试验得出的数据是2个方面综合作用的结果。由于低吸水率对充填材料的强度有积极影响（Chan et al.，2006），所以，应该控制粉煤灰的掺入量，以不超过12.5%为宜。

使用扫描电子显微镜（SEM）等方法，对铁尾矿制备膏体充填材料进行了试验研究。掺入不同质量的粉煤灰制备了7种膏体材料，观察了不同粉煤灰掺量下，料浆坍落度、试块强度、孔隙率和吸水率的变化规律。在上述试验基础上，得出以下结论：

（1）料浆的坍落度随着粉煤灰掺量的增大而增大，试块单轴抗压强度和吸水率随着掺量的增加而增大，孔隙率随着粉煤灰掺量的增加而逐渐降低。

（2）粉煤灰的掺入，提高了试块的强度。这是由于粉煤灰的“火山灰效应”和“微集料效应”所致。当掺入量为10%时效果最好，试块孔隙率最低，强度最大。当掺入量大于10%时，试块孔隙结构的优良程度下降，孔隙率反而上升，使得充填材料强度下降。

（3）不同组试块的孔隙率均随着养护龄期的增加而减小，这是因为水泥及掺入的粉煤灰发生水化反应，生成各种晶体，填充孔隙，从而降低了孔隙率。

（4）随着粉煤灰的掺入，试块吸水率持续上升，且上升幅度愈加显著。一般情况下，试块的吸水率越高，内部结构越疏松，孔隙率越高。因此，在掺入粉煤灰时，掺入量不宜过大。

（5）综合强度和流动性考虑，使用粉煤灰作为掺合料制备膏体充填材料时，掺入量应以不大于固体质量的12.5%为宜。使用粉煤灰改良铁尾矿全尾砂充填，不仅可以消耗大量铁尾矿，保护环境，防止自然灾害，而且有助于节约矿山维护成本。