铁尾矿砂稳定用复合固化剂的设计与应用

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0186

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (9): 3317-3329.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0186

铁尾矿砂稳定用复合固化剂的设计与应用

董勇刚¹(), 贾红军¹, 潘雅婷², 马希凯², 江辉¹, 周强³, 陈潇²^,⁴^,⁵()

^1.湖北交投鄂东建设管理有限公司，黄石 435002
^2.武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070
^3.湖北中桥科技有限公司，武汉 430070
^4.武汉理工大学硅酸盐科学与先进建材全国重点实验室，武汉 430070
^5.长治市武理工工程技术研究院，长治 047100

收稿日期:2026-03-02 修订日期:2026-04-22 出版日期:2026-09-15 发布日期:2026-10-09
通信作者: 陈潇，博士，教授。E-mail：chenxiao1981@whut.edu.cn
作者简介:董勇刚（1979—），男，正高级工程师。主要从事道路工程的研究。E-mail：1397394048@qq.com
基金资助:
湖北省交通运输厅2024年交通运输重点科技项目(2024-81-Z-1-4)

Design and Application of Composite Solidified Agent for Stabilizing Iron Tailings Sand

DONG Yonggang¹(), JIA Hongjun¹, PAN Yating², MA Xikai², JIANG Hui¹, ZHOU Qiang³, CHEN Xiao²^,⁴^,⁵()

^1.Hubei Jiaotou E’dong Construction Management Co. ，Ltd. ，Huangshi 435002，China
^2.School of Materials Science and Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China
^3.Hubei Zhongqiao Technology Co. ，Ltd. ，Wuhan 430070，China
^4.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China
^5.Wuhan University of Technology Changzhi Engineering Technology Research Institute，Changzhi 047100，China

Received:2026-03-02 Revised:2026-04-22 Published:2026-09-15 Online:2026-10-09

摘要/Abstract

摘要：

针对铁尾矿砂稳定材料存在的强度偏低、强度增长率不足及收缩较大等问题，采用普通硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣粉和石膏制备复合固化剂，研究了固化剂的材料组成及掺量对铁尾矿砂基层混合料的力学性能、体积稳定性及耐久性的影响。结果表明：随着熟料掺量的增加，固化剂稳定铁尾矿砂的力学性能显著提升；石膏掺量存在最佳值，当石膏掺量为15%（质量分数）时，固化剂稳定铁尾矿砂的7 d无侧限抗压强度达到3.43 MPa。且随着石膏掺量的增加，固化剂稳定铁尾矿砂的干燥收缩得到明显改善；优选出固化剂的合适配比为m（熟料）∶m（矿粉）∶m（石膏）=15∶70∶15。与同掺量水泥稳定铁尾矿砂基层相比，固化剂稳定铁尾矿砂180 d的强度增长率最高提升了46.26%，干燥收缩应变最大降低了41.47%，水稳性与抗冻性有一定程度改善。微观分析表明，固化剂稳定铁尾矿砂在后期形成大量C-S-H凝胶，显著提升了后期强度增长率。同时，石膏参与反应在早期生成大量针棒状的钙矾石晶体，产生微膨胀，有效补偿了铁尾矿砂基层混合料的干燥收缩，显著降低了铁尾矿砂基层混合料的开裂风险。

关键词: 铁尾矿砂, 路面基层材料, 复合固化剂, 无侧限抗压强度, 干燥收缩, 耐久性

Abstract:

To address the problems of low strength， insufficient strength growth rate， and large shrinkage of iron tailings sand stabilized materials， a composite solidified agent was prepared from ordinary Portland cement clinker， ground granulated blast-furnace slag powder， and gypsum， and the effects of its composition and dosage of the solidified agent on the mechanical properties， volumetric stability， and durability of iron tailings sand base mixtures were investigated. The results show that the mechanical properties of iron tailings sand stabilized with the solidified agent improve significantly with increasing clinker content. Gypsum exhibits an optimum content， and when the gypsum content is 15% （mass fraction）， the 7 d unconfined compressive strength of iron tailings sand stabilized with the solidified agent reaches 3.43 MPa. Moreover， the drying shrinkage of iron tailings sand stabilized with the solidified agent is markedly reduced with increasing gypsum content. The optimum proportion of the solidified agent is identified as m（clinker）∶m（slag）∶m（gypsum）=15∶70∶15. Compared with cement-stabilized iron tailings sand base mixtures at the same binder dosage， iron tailings sand stabilized with the solidified agent exhibits up to a 46.26% increase in the 180 d strength growth rate and up to a 41.47% reduction in drying shrinkage strain， while water stability and freeze-thaw resistance are also improved. Microstructural analysis shows that a large amount of C-S-H gel forms at later ages in iron tailings sand stabilized with the solidified agent， which significantly enhances later-age strength development rate. Meanwhile， gypsum promotes the early formation of abundant needle- and rod-like ettringite crystals and induces slight expansion， which effectively compensates for the drying shrinkage of iron tailings sand base mixtures and significantly reduces the risk of cracking.

Key words: iron tailings sand, pavement base material, composite solidified agent, unconfined compressive strength, drying shrinkage, durability

中图分类号:

U414

董勇刚, 贾红军, 潘雅婷, 马希凯, 江辉, 周强, 陈潇. 铁尾矿砂稳定用复合固化剂的设计与应用[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(9): 3317-3329.

DONG Yonggang, JIA Hongjun, PAN Yating, MA Xikai, JIANG Hui, ZHOU Qiang, CHEN Xiao. Design and Application of Composite Solidified Agent for Stabilizing Iron Tailings Sand[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(9): 3317-3329.

图/表 20

表1 铁尾矿砂的主要化学成分

Table 1 Main chemical composition of iron tailings sand

Chemical composition	SiO₂	CaO	Fe₂O₃	Al₂O₃	Na₂O	SO₃	MgO
Mass fraction/%	36.60	25.90	22.93	8.59	1.63	0.53	0.86

表2 铁尾矿砂的物理性能

Table 2 Physical properties of iron tailings sand

Raw material	Apparent density/（g·cm^-3）	Moisture mass fraction/%	Mud mass fraction/%
Iron tailings sand	3.1	4.0	14.1

图1 铁尾矿砂的级配曲线

Fig.1 Gradation curve of iron tailings sand

表3 胶凝材料的主要化学成分

Table 3 Main chemical composition of cementitious materials

Material	Mass fraction/%
Material	SiO₂	CaO	Fe₂O₃	Al₂O₃	SO₃	MgO
Cement	17.59	60.62	5.33	4.58	2.65	2.67
Slag	31.50	38.25	3.60	15.80	1.25	6.80
Clinker	21.35	64.52	3.82	5.68	1.25	2.13
Gypsum	0.43	41.62	0.08	0.08	55.53	0.03

表4 水泥的物理性能

Table 4 Physical properties of cement

Physical property

Apparent density/

（g∙cm^-3）

Specific surface

area/（m²∙kg^-1）

Setting time/min

Compressive

strength/MPa

Flexural

strength/MPa

表5 其他胶凝材料的物理性能

Table 5 Physical properties of other cementitious materials

Material	Apparent density/（g∙cm^-3）	Specific surface area/（m²∙kg^-1）	Moisture mass fraction/%	28 d activity index/%
Slag	2.89	475	0.4	97.3
Clinker	3.15	376	—	—
Gypsum	2.32	915	1.5	—

表6 固化剂配合比

Table 6 Mix proportion of solidified agent

Sample No.	Mass fraction/%			Optimum moisture content/%	Maximum dry density/（g∙cm^-3）
Sample No.	Clinker	Slag	Gypsum	Optimum moisture content/%	Maximum dry density/（g∙cm^-3）
SL-7.5	7.5	77.5	15	8.52	1.968
SL-15	15	70	15	8.58	1.971
SL-20	20	65	15	8.54	1.967
SL-35	35	50	15	8.52	1.970
SL-50	50	35	15	8.57	1.966
SG-8	15	77	8	8.59	1.962
SG-10	15	75	10	8.55	1.970
SG-15	15	70	15	8.58	1.971
SG-20	15	65	20	8.54	1.965
SG-30	15	55	30	8.56	1.969
SG-40	15	45	40	8.56	1.967

表7 不同结合料类型及掺量下铁尾矿砂基层混合料的配合比

Table 7 Mix proportion of iron tailings sand base mixtures with different binder types and content

Sample No.	Mass fraction/%			Optimum moisture content/%	Maximum dry density/（g∙cm^-3）
Sample No.	Cement	Solidified agent	Iron tailings sand	Optimum moisture content/%	Maximum dry density/（g∙cm^-3）
G-8	0	8	92	8.25	1.920
G-10	0	10	90	8.58	1.971
G-12	0	12	88	8.91	2.052
P-8	8	0	92	8.23	1.916
P-10	10	0	90	8.52	1.964
P-12	12	0	88	8.87	2.045

图2 熟料掺量对固化剂力学性能的影响

Fig.2 Effect of clinker content on mechanical properties of solidified agent

图3 熟料掺量对固化剂稳定铁尾矿砂（固化剂掺量为10%）7 d无侧限抗压强度的影响

Fig.3 Effect of clinker content on 7 d unconfined compressive strength of iron tailings sand stabilized with solidified agent （solidified agent content： 10%）

图4 石膏掺量对固化剂力学性能的影响

Fig.4 Effect of gypsum content on mechanical properties of solidified agent

图5 石膏掺量对固化剂稳定铁尾矿砂（固化剂掺量为10%）7 d无侧限抗压强度的影响

Fig.5 Effect of gypsum content on 7 d unconfined compressive strength of iron tailings sand stabilized with solidified agent （solidified agent content： 10%）

图6 石膏掺量对固化剂及固化剂稳定铁尾矿砂（固化剂掺量为10%）体积稳定性的影响

Fig.6 Effect of gypsum content on volume stability of solidified agent and iron tailings sand stabilized with solidified agent （solidified agent content： 10%）

图7 不同结合料类型与掺量对铁尾矿砂基层混合料无侧限抗压强度的影响

Fig.7 Effects of different binder types and content on unconfined compressive strength of iron tailings sand base mixtures

图8 不同结合料类型与掺量对铁尾矿砂基层混合料90 d力学性能的影响

Fig.8 Effects of different binder types and content on 90 d mechanical properties of iron tailings sand base mixtures

图9 不同结合料类型及掺量对铁尾矿砂基层混合料体积稳定性的影响

Fig.9 Effects of different binder types and content on volume stability of iron tailings sand base mixtures

图10 不同结合料类型及掺量对铁尾矿砂基层混合料水稳性的影响

Fig.10 Effects of different binder types and content on water stability of iron tailings sand base mixtures

图11 不同结合料类型及掺量对铁尾矿砂基层混合料抗冻性的影响

Fig.11 Effects of different binder types and content on freeze-thaw resistance of iron tailings sand base mixtures

图12 水泥与固化剂的XRD谱

Fig.12 XRD patterns of cement and solidified agent

图13 水泥和固化剂的SEM照片

Fig.13 SEM images of cement and solidified agent

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