鐵尾礦砂自密實混凝土工作性能試驗研究

伍 敏 汪秀石

(合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽合肥 230009)

1 概述

綠色環保高性能自密實混凝土是未來混凝土材料發展的必然趨勢，當前隨著經濟的快速發展，對于鋼鐵的需求也迅猛增長。而該種需求直接導致鐵礦石的巨大需求，由于鐵礦石選礦后會產生大量的鐵尾礦廢料，對于礦區環境造成嚴重的破壞，并且威脅著人的生命財產安全。因此，開發利用這些巨大數量的鐵尾礦廢料成為當前國內各大礦區亟待解決的問題。

對于鐵尾礦砂用于配制水泥基混凝土材料，國內學者及工程技術人員進行了一些嘗試。蔡基偉等[1]利用鐵尾礦砂取代天然砂，研究了鐵尾礦砂混凝土的工作性與抗壓強度，結果表明利用鐵尾礦砂配制的混凝土能夠滿足工作性和強度方面要求。陳家瓏等[2]利用首鋼遷安鐵尾礦砂配制鐵尾礦砂混凝土，試驗表明，同等條件下，尾礦人工砂混凝土的抗壓強度高于天然砂混凝土。徐寶華等[3]將北京密云鐵尾礦粗砂和細砂按照一定比例進行復配，并且完全替代天然砂配制混凝土，試驗結果表明，其性能優于天然砂混凝土。何兆芳等[4]研究了以一定比例的尾礦砂代替天然砂制作混凝土，并將其工作性能、力學性能與天然砂混凝土進行了比較。

由于不同地區的鐵礦石尾礦所含成分不同，使得采用鐵尾礦砂配制混凝土的性能也各不相同，本文以安徽省霍邱縣特大型鐵礦的尾礦砂為研究背景，采用鐵尾礦砂取代部分天然砂作為細骨料配制高性能自密實混凝土，并進行其工作性能試驗研究，而關于此方面的試驗研究尚未見文獻報道。

2 原材料及配合比設計

2.1 主要原材料

水泥:安徽珍珠水泥集團生產的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥;細骨料:安徽省六安產天然砂，細度模數Mx=2.85，堆積密度1 785 kg/m2;鐵尾礦砂:安徽省霍邱鐵礦大橋灣尾礦庫，其微觀分析結果如圖1和表1所示;礦物摻合料:安徽合肥電廠產Ⅰ級粉煤灰;外加劑:江蘇蘇州產聚羧酸系高性能減水劑和安徽廬江縣產高效膨脹劑;拌和水:普通自來水。

2.2 試驗配合比設計

本文進行鐵尾礦砂自密實混凝土工作性能試驗配合比設計采用以鐵尾礦砂取代天然砂的摻量作為變量，即鐵尾礦砂取代率分別取為 0.0%，20.0%，40.0%，50.0%，60.0%，80.0% 以及100.0%。配合比設計如表2所示，其中SCC-1作為對比的普通自密實混凝土。

表1 鐵尾礦砂組成元素分析(歸一化)

表2 鐵尾礦砂自密實混凝土主要優化配合比設計

3 試驗方法及試驗結果

3.1 試驗方法

自密實混凝土在無振搗，僅靠自重作用填充所澆筑構件密實的性能是其最大特點，對于自密實混凝土的工作性能，主要采用填充性、粘性、間隙通過性以及抗離析性四個性能指標進行描述[5]。根據EFNARC 2005歐盟規范、CCES 02-2004自密實混凝土設計與施工指南[6]以及CECS 203∶2006自密實混凝土應用技術規程[7]，通常采用坍落擴展度、T500流動時間、V型漏斗流出時間、L型儀高差以及U型儀高差等評價工作性能。

3.2 試驗結果及分析

本文進行鐵尾礦砂自密實混凝土坍落擴展度(SF)和T500流動時間指標要求分別為:650 mm≤SF≤750 mm;3 s≤T500≤20 s。試驗采用測試新拌自密實混凝土在加水攪拌后10 min，20 min，30 min的坍落擴展度和T500流動時間。其中測試坍落擴展度時，采取測量相互垂直的兩個方向直徑D1，D2，最終取(D1+D2)/2作為坍落擴展度(SF);T500流動時間以秒為單位，小數點后保留一位有效數字。

現場試驗照片如圖2，圖3所示。

表3 SF，T500試驗結果

根據表3和圖4可以看出，隨著鐵尾礦砂取代率的增加，坍落擴展度呈現先增加后降低的趨勢，最大值出現在IMT=20.0%時，而當IMT≥60.0%時，坍落擴展度明顯降低。而隨著加水時間的增加，相同取代率的坍落擴展度也逐漸降低。相比普通自密實混凝土SCC-1，ISCC-2的坍落擴展度與之相近。

根據表3和圖5可以看出，隨著鐵尾礦砂取代率的增加，T500流動時間呈現先減少后增加的趨勢，最低點出現在IMT=20.0%時，而當IMT≥60.0%時，T500流動時間明顯增加。而隨著加水時間的不斷增加，相同取代率的T500流動時間也逐漸增加。相比普通自密實混凝土SCC-1，ISCC-2的T500流動時間較為接近。

雖然各配合比的鐵尾礦砂自密實混凝土T500流動時間均未超過20 s，但根據現場試驗觀察發現，當T500流動時間超過8 s時，自密實混凝土拌合物流動性明顯降低，從表3可以看出，當加水時間為20 min時，ISCC-6出現了坍落擴展度SF未達到500 mm，加水時間30 min時，ISCC-5也出現了坍落擴展度SF未達到500 mm的情況。

參照CCES 02-2004自密實混凝土設計與施工指南進行，L型儀試驗鋼筋柵凈間距為40 mm，指標要求為:H2/H1≥0.8;U型儀指標要求:Δh≤30 mm。圖6，圖7分別給出了L型儀和U型儀試驗照片。

根據表4和圖8可以看出，隨著鐵尾礦砂取代率的增加，L型儀試驗高差H2/H1呈現先升高后降低的趨勢，最高點出現在IMT=20.0%時，而當IMT≥60.0%時，L型儀試驗高差 H2/H1明顯降低。ISCC-1，ISCC-2現場試驗現象良好，能順利通過鋼筋柵，其中ISCC-1出現泌水現象。而ISCC-5，ISCC-6現場試驗流動性較差，出現堵塞現象，不能順利通過鋼筋柵。

表4 L型儀、U型儀、J型環和V型漏斗試驗結果

根據表4和圖9可以看出，隨著鐵尾礦砂取代率的增加，U型儀試驗高差Δh=h1－h2呈現先降低后升高的趨勢，最高點出現在IMT=20.0%時，而當IMT≥60.0%時，U型儀試驗高差Δh=h1－h2明顯升高。同L型儀一樣，ISCC-1，ISCC-2現場試驗現象良好，能順利通過鋼筋柵，其中ISCC-1出現泌水現象。而ISCC-5，ISCC-6現場試驗流動性較差，出現堵塞現象，不能順利通過鋼筋柵。

根據EFNARC 2005歐盟標準和CCES 02-2004自密實混凝土設計與施工指南關于V型漏斗試驗指標要求，對比反映鐵尾礦砂自密實混凝土粘性指標。試驗現場照片如圖10所示。

根據表4和圖11可以看出，隨著鐵尾礦砂取代率的增加，V型漏斗流出時間呈現先減少后增加的趨勢，最低點出現在IMT=20.0%時，而當 IMT≥60.0%時，V型漏斗流出時間明顯增加。SCC-1，ISCC-1，ISCC-2現場試驗拌合物流動性較好，流出V型漏斗較順暢，ISCC-5和ISCC-6出現了明顯的堵塞現象，拌合物粘性較大，ISCC-6出現了拌合物未完全流出的情況。

4 結語

采用五項試驗方法評價了鐵尾礦砂自密實混凝土工作性能指標，得出如下結論:1)隨著鐵尾礦砂摻量的增加，鐵尾礦砂自密實混凝土流動性先增加后降低，在鐵尾礦砂取代率為20%，流動性達到最大，但此時拌合物出現了泌水現象。2)當鐵尾礦砂摻量超過60%時，自密實混凝土的流動性和填充性明顯降低，在摻量為80%，100%時，L型儀、U型儀以及V型漏斗試驗出現了堵塞現象。3)試驗發現，鐵尾礦砂摻量為40%～50%時，鐵尾礦砂自密實混凝土的工作性能與普通自密實混凝土SCC-1較為接近，具有良好的工作性。

[1] 蔡基偉，張少波，侯桂香，等.鐵尾礦砂對混凝土工作性和強度的影響[J].武漢理工大學學報，2009，31(7):104-107.

[2] 陳家瓏，宋少民，路宏波.尾礦配制商品混凝土的應用研究[J].建筑技術，2004，35(1):42-44.

[3] 徐寶華，宋 姍.尾礦砂復配在混凝土生產中的研究及應用[J].商品混凝土，2010(1):23-25.

[4] 何兆芳，鄧初首.尾礦在預拌混凝土中應用的試驗研究[J].混凝土，2009，239(9):115-118.

[5] EFNARC.The European Guidelines for Self-compacting Concrete[Z].2005.

[6] CCES 02-2004，自密實混凝土設計與施工指南[S].

[7] CECS 203∶2006，自密實混凝土應用技術規程[S].