鐵尾礦砂對(duì)道路混凝土路用性能的影響

莊園

摘 要：研究并分析了鐵尾礦砂的物理性能指標(biāo)，并采用鐵尾礦砂替代天然砂，用于道路混凝土的配制。研究了鐵尾礦砂摻量對(duì)混凝土工作性、抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量、抗彎拉強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗?jié)B性和干縮性能的影響。結(jié)果表明，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土坍落度降低，粘聚性和保水性變差。抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量、抗彎拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低，但降幅不大。鐵尾礦砂粒度較細(xì)，粉塵含量較高，增加了混凝土的干縮應(yīng)變，但提高了混凝土的抗?jié)B性能。

關(guān)鍵詞：鐵尾礦砂；混凝土；路用性能；力學(xué)性能；干縮；抗?jié)B

鐵尾礦砂是選礦廠在鐵礦分選作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物之一，常采用尾礦庫(kù)的形式進(jìn)行堆存處理。尾礦庫(kù)通常需筑壩攔截山谷口或在平地起壩，勢(shì)能較高，在外界環(huán)境因素作用下，容易潰壩形成泥石流，威脅人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。尾礦庫(kù)占用了大量的土地資源。公開(kāi)資料表明，截止2005年，我國(guó)尾礦庫(kù)占用的土地資源達(dá)到1300萬(wàn)畝，而到2010年，該數(shù)字將上升到2300萬(wàn)畝[2，3]。尾礦若未經(jīng)處理直接堆放于地表或者水源附近，其中的有害組分可能造成嚴(yán)重的水體污染。同時(shí)，鐵尾礦砂顆粒較細(xì)，當(dāng)尾礦庫(kù)自然干涸后，表面的尾礦砂往往隨風(fēng)飄揚(yáng)，嚴(yán)重污染了庫(kù)區(qū)周圍的氣候。

2013年發(fā)布的《中國(guó)資源綜合利用年度報(bào)告（2012）》指出[4]，2011年，我國(guó)尾礦產(chǎn)量為15.81億噸，其中鐵尾礦8.06億噸；而同年的尾礦綜合利用量為2.69億噸，綜合利用率為17%。若每噸鐵尾礦砂所需的庫(kù)區(qū)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用按5元計(jì)[5]，每年則需投入近80億元用于鐵尾礦的維護(hù)。可見(jiàn)，將鐵尾礦砂變廢為寶進(jìn)行綜合利用，不僅具有良好的社會(huì)效益，而且具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

公路工程通常需要消耗大量的建筑材料，特別是高路基工程通常需要消耗大量的土石方。若能將鐵尾礦砂應(yīng)用于道路工程，不僅可以消耗大量的尾礦，而且可以大量減少對(duì)河砂等自然資源的消耗，在降低公路工程造價(jià)的同時(shí)，具有良好的社會(huì)和環(huán)境效益。為此，文章采用鐵尾礦砂替代天然河砂用于道路混凝土的配制，深入研究了鐵尾礦砂摻量對(duì)道路混凝土路用性能的影響規(guī)律，可為鐵尾礦砂在道路工程中的應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

（1）水泥：南京中聯(lián)水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥，性能符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）的要求。3d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為25.3MPa和4.8MPa，28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為49.1MPa和8.2MPa。

（2）粗集料：選用產(chǎn)自六合的玄武巖碎石，最大粒徑為31.5mm，公稱最大粒徑為26.5mm，性能符合《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F30-2014）的相關(guān)要求。

（3）細(xì)集料：選用產(chǎn)自安徽的天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.3，屬中砂，性能符合《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F30-2014）的相關(guān)要求。

（4）減水劑：選用鎮(zhèn)江特密斯混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑，性能符合《混凝土外加劑》（GB8076-2008）要求。

（5）鐵尾礦砂：取自南京市梁塘鐵尾礦庫(kù)，性能指標(biāo)基本滿足規(guī)范要求，但吸水率為3.07%。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）配合比設(shè)計(jì)：道路混凝土的基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)遵循《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F30-2003），設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取5.0MPa，保證率系數(shù)取0.79，彎拉強(qiáng)度樣本標(biāo)準(zhǔn)差取0.4MPa，彎拉強(qiáng)度變異系數(shù)取0.1。在確定基準(zhǔn)配合比后，分別采用20%、40%和60%摻量的鐵尾礦砂替代細(xì)集料，調(diào)整混凝土工作性，并研究鐵尾礦砂摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)采用的主要配合比見(jiàn)表1所示。

（2）試驗(yàn)方法：抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、抗壓彈性模量、干縮性能和抗?jié)B性能的測(cè)試，主要依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30-2005）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鐵尾礦砂性能分析及其摻量對(duì)混凝土工作性的影響

鐵尾礦砂的性能基本滿足規(guī)范的相關(guān)要求。但其吸水率較高，而規(guī)范的要求為不高于2%。鐵尾礦砂顆粒較細(xì)，顆粒粒徑的主要范圍為0.075mm～0.6mm，級(jí)配較差。細(xì)度模數(shù)0.94，屬特細(xì)砂，比表面積高于天然砂。同時(shí)，鐵尾礦砂顆粒粗糙多棱角，不利于混凝土流動(dòng)性提高。因此，在相同條件下，有可能導(dǎo)致混凝土拌合物粘聚性變差。

從表1可見(jiàn)，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土拌合物的坍落度逐漸降低，保水性和粘聚性也逐漸變差。當(dāng)鐵尾礦砂摻量達(dá)到60%時(shí)，混凝土出現(xiàn)泌水，粘聚性差，混凝土工作性難以滿足要求。為了改善混凝土的工作性，可通過(guò)增加單位用水量和膠凝材料用量、降低砂率、增加減水劑用量等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。但《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F30-2003）對(duì)用于面層的混凝土單位用水量進(jìn)行了嚴(yán)格要求，采用滑膜攤鋪機(jī)施工的碎石混凝土單位用水量不得高于160kg/m3，采用小型機(jī)具攤鋪的碎石混凝土單位用水量不得高于150kg/m3。結(jié)合基準(zhǔn)配合比的單位用水量及經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，本研究中鐵尾礦砂摻量不宜高于40%。

2.2 鐵尾礦砂摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

不同鐵尾礦砂摻量下，混凝土抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量、抗彎拉強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律如圖1所示。從圖1可見(jiàn)，隨著鐵尾礦砂對(duì)天然砂取代率的增加，混凝土的力學(xué)性能呈現(xiàn)出一定的降低趨勢(shì)，但總體上看，降低的幅度并不大。

由圖1（a）可知，鐵尾礦砂對(duì)混凝土早期抗壓強(qiáng)度有一定影響，7d齡期時(shí)，摻入40%和60%鐵尾礦砂混凝土的抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)組分別降低了11.6MPa和13.4MPa，降幅分別為17.4%和20%。但在90d齡期時(shí)，降幅則分別為10.4%和8.0%。值得注意的是，摻入20%鐵尾礦砂的混凝土試件，除7d抗壓強(qiáng)度略有降低外，其他齡期的抗壓強(qiáng)度基本與基準(zhǔn)組相同。

由圖1（b）可知，鐵尾礦砂對(duì)混凝土的抗壓彈性模量影響較小。由圖1（c）和圖1（d）可知，與基準(zhǔn)混凝土相比，鐵尾礦砂摻量為20%、40%、60%時(shí)，其抗彎拉強(qiáng)度在90d齡期的降幅分別為9.7%、9.5%和9.3%，而劈裂抗拉強(qiáng)度在90d齡期時(shí)的降幅分別為11.6%、12.6%和9.7%。

從材料組成上看，鐵尾礦砂0.075mm通過(guò)率較高，一定程度上可以提高混凝土的致密性，有利于混凝土強(qiáng)度的提高。但鐵尾礦砂中含泥量較高，且其顆粒粗糙、棱角較多，當(dāng)摻量較高時(shí)，容易導(dǎo)致骨料與漿體分離產(chǎn)生離析。另一方面，鐵尾礦砂密度明顯高于天然河砂，增加了混凝土振搗時(shí)下沉的機(jī)率，這也導(dǎo)致了鐵尾礦砂混凝土的強(qiáng)度低于普通混凝土。

2.3 鐵尾礦砂摻量對(duì)混凝土干縮性能的影響

不同鐵尾礦砂摻量下，混凝土的干縮應(yīng)變隨齡期的發(fā)展趨勢(shì)如圖2所示。從圖2可知，當(dāng)摻量較低時(shí)，鐵尾礦混凝土與普通道路混凝土的干縮性能相似。但在較高的摻量下，混凝土的干縮應(yīng)變顯著增加。當(dāng)鐵尾礦砂摻量為60%時(shí)，穩(wěn)定后的干縮應(yīng)變比普通混凝土增加了10%。由于鋼鐵行業(yè)選礦工藝的原因，鐵尾礦砂中具有較高的粉塵含量，在較高的鐵尾礦摻量下，有導(dǎo)致混凝土干縮增加的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 鐵尾礦砂摻量對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響

不同鐵尾礦砂摻量下，混凝土的抗?jié)B性能如圖3所示。在低水膠比下，混凝土試件均較為密實(shí)，在規(guī)范要求的壓力和時(shí)間內(nèi)，未發(fā)生滲穿現(xiàn)象。因此，采用滲水高度對(duì)混凝土的滲透性進(jìn)行衡量。由圖3可見(jiàn)，鐵尾礦砂的摻入對(duì)混凝土抗?jié)B性的提高具有一定的促進(jìn)作用，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土的滲水高度由28.5mm逐漸降低為24mm。這主要?dú)w因于鐵尾礦砂較高的粉塵含量，可對(duì)混凝土內(nèi)的孔隙進(jìn)行有效填充，減少大孔和聯(lián)通孔隙數(shù)量，改善孔隙結(jié)構(gòu)和分布情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)鐵尾礦砂原料指標(biāo)、鐵尾礦砂混凝土的力學(xué)性能、干縮性能和抗?jié)B性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：（1）鐵尾礦砂粒度較細(xì)，0.075mm～0.6mm之間顆粒含量占73%，屬特細(xì)砂范疇。鐵尾礦砂吸水率較高，超過(guò)規(guī)范要求的2%，其他性能滿足規(guī)范的要求。鐵尾礦砂顆粒粗糙、棱角多，對(duì)混凝土工作性不利。當(dāng)摻量較高時(shí)，容易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生離析和泌水現(xiàn)象。（2）當(dāng)鐵尾礦砂摻量較高時(shí)，混凝土7d齡期的抗壓強(qiáng)度降幅較大，但90d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度降幅有所減小。鐵尾礦砂對(duì)混凝土抗壓彈性模量、劈裂強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度影響不大。本試驗(yàn)中，鐵尾礦砂摻量為60%時(shí)，其抗彎拉強(qiáng)度仍滿足規(guī)范要求的5.0Mpa。（3）隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土干縮應(yīng)變逐漸增加，抗?jié)B性能呈現(xiàn)提升的趨勢(shì)。

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