石灰摻量對鐵尾礦蒸壓混凝土性能的影響

董越，楊志強，2，高謙*，丁向群，楊曉柄，李立濤，肖柏林

1.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；

2.金川集團股份有限公司鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室，甘肅金昌737100；

3.沈陽建筑大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110168

石灰摻量對鐵尾礦蒸壓混凝土性能的影響

董越1，楊志強1，2，高謙1*，丁向群3，楊曉柄1，李立濤1，肖柏林1

1.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；

2.金川集團股份有限公司鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室，甘肅金昌737100；

3.沈陽建筑大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110168

通過正交試驗對不同配比的鐵尾礦蒸壓混凝土的強度進行極差分析，在得到較優配比的前提下，通過改變石灰摻量研究石灰摻量對鐵尾礦蒸壓混凝土的力學性能和抗凍性能的影響.實驗結果表明：蒸養條件提高了鐵尾礦的活性；在蒸養條件下，石灰摻量對鐵尾礦蒸壓混凝土的抗壓強度有顯著影響，隨著石灰摻量的增加，其強度先升高后降低，石灰摻量為60%時取得最高強度值；石灰摻量對鐵尾礦蒸壓混凝土的抗凍性也有顯著影響，隨著石灰摻量的增加，其質量損失、強度損失均先升高后降低，60%石灰摻量試樣的抗凍性最差，50%石灰摻量試樣的抗凍性最好；在蒸養條件下，不同石灰摻量鐵尾礦蒸壓混凝土的主要水化產物為托勃莫來石、C-S-H和硬硅鈣石，但含量和結晶程度差異較大；50%石灰摻量試樣中存在結晶程度較好的托勃莫來石適量的穿插在C-S-H的網絡結構中，試樣抗凍性最好.

蒸養；鐵尾礦；石灰摻量；力學性能；抗凍性能；混凝土

1 引言

隨著各國節能減排相關政策的推行以及人們自身環保意識的增強，我國礦山生產過程中產生的大量工業廢棄物的開發利用已成為重要的研究方向，尤其是金屬尾礦的開發利用顯得更為迫切.由于金屬尾礦的主要成分為石英，因此理論上可作為混凝土摻合料或骨料［1］.因此，利用金屬尾礦制備混凝土不僅可以減少金屬尾礦的堆存，還可以降低混凝土生產成本［2-4］，達到真正意義上節能減排的目的.

鐵尾礦蒸壓混凝土是以鐵尾礦、石灰、水泥、石膏以及其他少量外加劑為原料，經粉料的混合、漿料的攪拌澆筑、蒸壓養護等工藝過程制成的實心混凝土.鐵尾礦蒸壓混凝土是以工業廢料鐵尾礦為主要原料，以此來代替砂和部分水泥，是節能、節土、廢物利用的新型綠色建筑材料.特別是在民用住宅中，鐵尾礦蒸壓混凝土在隔墻、隔斷等墻體材料方面有著其他建筑材料所不可替代的優勢.

鐵尾礦蒸壓混凝土的抗凍性是衡量其耐久性的重要指標之一，對材料的實用性、可行性等有著重要的指導意義.本實驗通過改變石灰摻量，對不同石灰摻量下的鐵尾礦蒸壓混凝土進行強度、吸水率的測量以及凍融條件下的質量損失、強度損失的測量，并結合微觀分析，研究了石灰摻量對鐵尾礦蒸壓混凝土力學性能和抗凍性的影響.

2 實驗部分

2.1 原材料

鐵尾礦：選自遼寧本溪，化學組成如表1所示，經含水量測定，其含水率為4.63%；水泥：冀東P·O42.5水泥；石灰：生石灰，市售，氧化鈣含量≥75%；石膏：二水石膏，市售；減水劑：聚羧酸減水劑，減水率＞30%.

表1 鐵尾礦的化學組成（質量分數/%）Tab.1Chemical compositions of the iron ore tailings（mass fraction/%）

2.2 研究方法

實驗參照GB50107—2010混凝土強度檢測評定標準進行.

將鐵尾礦、石灰、水泥、石膏等粉料分別磨細至適當細度并進行充分混合，按照0.45的水料比加水攪拌并澆筑至100 mm×100 mm×100 mm的模具中，靜停后將試樣進行蒸壓養護，采用RGM-100A試驗機測量不同石灰摻量試樣的3 d、7 d和28 d抗壓強度；通過試樣質量的稱量，計算其吸水率；通過凍融循環實驗，測量并計算其質量損失和抗壓強度損失，用以分析石灰摻量對試樣力學性能的影響.并利用Ultima IV多功能X射線衍射儀（XRD）分析試樣的水化產物組成，利用NTB-4B掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣的微觀形貌，用以分析石灰摻量對試樣抗凍性的影響.

3 結果與討論

3.1 正交試驗與極差分析

利用9組方案的正交試驗開展了不同配比鐵尾礦蒸壓混凝土的強度實驗，實驗方案及結果如表2所示.利用9組實驗方案及強度結果作為正交試驗樣本，并對其進行了極差分析，極差分析結果及最優決策如表3所示.

表2 鐵尾礦蒸壓混凝土正交試驗樣本Tab.2Test orthogonal samples of autoclaved aerated concrete prepared with iron ore tailings

表3 正交試驗數據極差分析結果Tab.3Range analysis results of orthogonal experimental data

由表3可知，對3 d、28 d和（3+28）d的強度結果分別進行極差分析，其最優決策大致相同.在3 d、28 d和（3+28）d強度數據的極差分析中，石灰摻量的相對權值均為最大，分別是2.7、7.3和6.0，說明無論在哪個齡期，石灰摻量對強度的增長都起主要作用；對3d強度的極差分析中，石膏摻量的相對權值次之，為1.7，說明對于3 d強度，石膏摻量對強度起次要作用；對28 d強度和（3+28）d強度的極差分析中，均為鐵尾礦摻量的相對權值次之，分別為6.0和3.4，說明對于28 d強度和（3+28）d強度，石灰和鐵尾礦的質量比對強度起主要作用.因此，通過極差分析得到石灰、水泥、石膏和鐵尾礦的最優配比為60∶10∶3∶100.由于石灰的堿激發作用，使其對蒸壓混凝土的強度貢獻最大，而對蒸壓混凝土的中后期強度增長起主要作用的是石灰與鐵尾礦的質量比.因此，為探究石灰摻量對蒸壓混凝土性能的影響規律，通過改變石灰摻量，采用改變單一變量的方法進行實驗，實驗方案如表4所示.

表4 鐵尾礦蒸壓混凝土實驗方案Tab.4The experimental scheme of autoclaved aerated concrete prepared with iron ore tailings（mass ratio）

3.2 石灰摻量對試樣物理、力學性能的影響

不同鐵尾礦蒸壓試樣的物理、力學性能隨石灰摻量變化的結果如圖1和圖2所示.

圖1 石灰摻量-抗壓強度關系曲線Fig.1Effects of lime contents on compressive strength

圖2 石灰摻量-吸水率關系曲線Fig.2Effects of lime contents on water absorption

由圖1可知，石灰摻量對鐵尾礦蒸壓混凝土的抗壓強度有顯著影響，在石灰摻量為60%時，試樣的抗壓強度達到最高且28 d內的抗壓強度增長幅度最大.隨著石灰摻量的增加，試樣的抗壓強度先不斷上升，再急劇下降，且在石灰摻量較高的情況下，強度下降較快.由圖2可知，石灰摻量與鐵尾礦蒸壓混凝土的吸水率也存在著一定的關系.隨著石灰摻量的增加，試樣的吸水率也增加，并且增加幅度變大.

3.3 石灰摻量對試樣抗凍性的影響

對鐵尾礦蒸壓混凝土分別進行3、6、9、12、15次凍融循環實驗，并測量其質量和抗壓強度，結果如圖3和圖4所示.

隨著凍融循環次數的增加，不同石灰摻量的鐵尾礦蒸壓混凝土的抗壓強度均呈下降趨勢.隨著石灰摻量的增加，試樣的質量損失率呈現出先上升后下降的趨勢，其抗壓強度損失率呈現先急劇上升后緩慢下降的趨勢.凍融循環15次后除石灰摻量60%的試樣質量損失率大于5%，且產生了嚴重的剝落現象之外，其他石灰摻量的鐵尾礦蒸壓試樣的質量損失率都小于5%.在凍融循環15次后，石灰摻量在40%～70%范圍內的試樣抗壓強度損失率都小于25%.在以上4個石灰摻量中，石灰摻量為50%的鐵尾礦蒸壓試樣的抗凍性最好，石灰摻量為60%的鐵尾礦蒸壓試樣的抗凍性最差.

3.4 機理分析

圖3 石灰摻量-質量損失率關系曲線Fig.3Effects of lime contents on mass loss rates

圖4 石灰摻量-抗壓強度損失率關系曲線Fig.4Effects of lime contents on strength loss rates

鐵尾礦蒸壓混凝土的水化產物的組成和結構的搭接方式決定了其性能.為了對鐵尾礦蒸壓混凝土的水化產物種類及其結構進行研究，對不同石灰摻量的試樣進行了X射線衍射分析和SEM形貌觀察，結果如圖5和圖6所示.

圖5 不同石灰摻量鐵尾礦蒸壓混凝土的XRD曲線Fig.5XRD patterns of iron tailings autoclaved concrete with different lime contents

圖6 28d不同石灰摻量鐵尾礦蒸壓混凝土的水化產物Fig.6Hydration products of iron tailings autoclaved concrete with different lime contents at 28 d

由圖5可知，鐵尾礦蒸壓混凝土的水化產物以托勃莫來石、水化硅酸鈣、硬硅鈣石和方解石為主，并含有少量石英相.

通過不同石灰摻量試樣的XRD對比可知，石灰摻量對水化產物的種類、結晶狀態以及含量都有較大的影響［5］.隨著石灰摻量的增加，石英相的含量和結晶程度都明顯下降，而碳酸鈣的含量與結晶程度則逐漸上升；水化產物中托勃莫來石的含量與結晶程度明顯下降，硬硅鈣石的含量與結晶程度略有下降.

結合圖6的掃描電鏡照片可知，石灰摻量40%的試樣中存在著較多未參與水化反應的鐵尾礦顆粒，結構搭接松散；石灰摻量50%的試樣中存在著大量結晶度較低的C-S-H，并且其中穿插著一些結晶較好的非連生體的托勃莫來石，這使得在以C-S-H形成網絡結構的同時，結晶程度較好的托勃莫來石穿插在其中，使結構的搭接更為致密；石灰摻量60%的試樣中存在著大量結晶度較低的C-S-H，形成空間網絡狀結構，并且其中穿插的托勃莫來石晶體明顯減少；石灰摻量70%的試樣中存在著較多長度小于3 μm的針狀晶體.

鐵尾礦蒸壓混凝土中石灰摻量決定了水化產物的晶型及結晶程度，水化產物的結晶程度決定了水化產物的膠凝性能和強度.石灰摻量過高，試樣強度必然降低，而石灰摻量不足則對生成的水化產物產生不利影響.試樣的水化產物中，結晶程度較低的C-S-H中由于有適當數量結晶程度較好的托勃莫來石穿插在其中，使得其強度顯著提高.而過多的托勃莫來石甚至單一結晶程度較好的托勃莫來石連生體的存在，則會導致強度降低［6-7］.

鐵尾礦蒸壓混凝土中水化產物的晶型和含量對試樣的力學性能有直接的影響，進而對試樣抗凍性的改善起著重要作用.托勃莫來石的結晶程度越好，含量越多，收縮越小，強度有所下降，但有助于抗凍性的改善；C-S-H凝膠含量越多，則強度越高，但收縮越大，會影響其抗凍性能［8-15］.這就解釋了60%石灰摻量的試樣具有28 d齡期最高的強度，其質量損失率和抗壓強度損失率也最大的原因.

4 結語

1）在石灰摻量40%～70%的范圍內，隨著石灰摻量的增加，鐵尾礦蒸壓混凝土的強度先升高后降低，且在石灰摻量為60%時取得最高強度值.質量損失率、抗壓強度損失率也有著相似的規律.

2）在石灰摻量40%～70%的范圍內，隨著石灰摻量的增加，鐵尾礦蒸壓混凝土的抗凍性能先下降后上升，其中60%石灰摻量試樣的抗凍性最差，50%石灰摻量試樣的抗凍性最好.

3）不同石灰摻量鐵尾礦蒸壓混凝土的主要水化產物為托勃莫來石、C-S-H和硬硅鈣石，但含量和結晶程度差異較大.50%石灰摻量試樣中存在結晶程度較好的托勃莫來石適量的穿插在C-S-H的網絡結構中，而60%石灰摻量試樣中存在由大量結晶程度不好的C-S-H搭接而成的空間網絡結構.

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本文編輯：苗變

Influence of Lime Content on Properties of Autoclaved Concrete Prepared with Iron Ore Tailings

DONG Yue1，YANG Zhiqiang1，2，GAO Qian1*，DING Xiangqun3，YANG Xiaobing1，LI Litao1，XIAO Bolin1
1.Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mine Ministry of Education，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Nickel and Cobalt Resources，Jinchuan Group Co.LTD，Jinchang 737100，China；3.School of Materials Science and Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China

The range analysis of the strength of autoclaved concrete was carried on after the orthogonal experiment，and the optimum ratio was obtained.Then the mechanical properties and frost resistance of autoclaved concrete were studied with different lime contents.The experimental results show that the condition of steam curing improves the activity of iron ore tailings；under steam curing，lime content has a significant influence on the compressive strength of the autoclaved concrete prepared with iron tailings，with the increase of lime content，their strength decreases after the first increases，and the sample of 60%lime content gets the highest strength；lime content also has a significant influence on the frost resistance of the autoclaved concrete prepared with iron tailings，the mass and strength loss of concrete decreases after the first increases with the increase of lime content，and the sample with 60%lime content shows the worst frost resistance，but it has the best frost resistance with 50%lime content；In steam curing condition，the main hydration products of iron tailings autoclaved concrete with different lime contents are tobermorite，C-S-H and xonotlite，but their contents and the degrees of crystalline are different.The tobermorite with better degree of crystallization interspersed in the network structure of C-S-H appropriately in the sample of 50%lime content，and the sample obtained the best frost resistance.

autoclaved curing；iron ore tailings；lime content；mechanical property；frost resistance；concrete

TD861

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.06.011

1674-2869（2016）06-0571-06

2016-03-15

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（SS2012AA062405）；國家自然科學基金（51078241）

董越，博士研究生.E-mail：B20150050@xs.ustb.edu.cn

*通訊作者：高謙，教授.E-mail：gaoqian@ces.ustb.edu.cn