鐵尾礦砂石對C50混凝土性能的影響

郝晉高，杜利鵬

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012）

礦產(chǎn)資源是社會發(fā)展重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，我國有超過80%[1]以上的原材料來自于礦產(chǎn)資源。隨著工業(yè)化的發(fā)展，礦產(chǎn)資源的需求大幅增加，但同時由于礦產(chǎn)資源開發(fā)技術(shù)水平的制約，我國礦業(yè)生產(chǎn)的尾礦已達(dá)到100億t以上，并呈逐年增加的態(tài)勢。我國目前堆存尾礦近50億t，其中堆存的鐵尾礦高達(dá)十幾億t，占全部尾礦堆存總量的1/3。同時我國鐵尾礦的利用率很低，不到10%，所以，如何實現(xiàn)鐵尾礦的綜合利用，已經(jīng)成為許多學(xué)者共同關(guān)注的問題。

目前，國內(nèi)的很多學(xué)者已經(jīng)開展了大量的鐵尾礦綜合利用的研究，如鐵尾礦可用于水泥膠凝材料[2]、混凝土[3-4]、加氣混凝土[5]、建筑砂漿等。而且《建設(shè)用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）規(guī)定混凝土中可以用礦山廢石生產(chǎn)的碎石，這進一步擴大了鐵尾礦的應(yīng)用范圍。該實驗在前人研究成果的基礎(chǔ)上采用鐵尾礦砂石取代混凝土中粗細(xì)集料，研究鐵尾礦砂石對混凝土力學(xué)性能、抗凍性、抗?jié)B性的影響，為鐵尾礦砂石在混凝土中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 原材料

1.1 水泥

水泥為冀東普通硅酸鹽水泥P.O42.5，其物理力學(xué)性能見表1。

表1 試驗用水泥的物理力學(xué)性能

1.2 細(xì)集料

細(xì)集料為天然砂和山西運城鐵尾礦砂。天然砂細(xì)度模數(shù)2.9，含泥量2.2%，泥塊含量1.0%，堅固性質(zhì)量損失率6%，篩分結(jié)果見表2；鐵尾礦砂細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量2.8%，泥塊含量0.8%，堅固性質(zhì)量損失率7%，篩分結(jié)果見表3。

表2 天然砂篩分結(jié)果

表3 尾礦砂篩分結(jié)果

1.3 粗集料

粗集料為石灰?guī)r碎石和山西運城鐵尾礦石。碎石含泥量0.7%，泥塊含量0.4%，針片狀顆粒含量3.7%，吸水率0.5%，堅固性質(zhì)量損失率6%，篩分結(jié)果見表4，壓碎指標(biāo)11.2%；尾礦石含泥量0.3%，泥塊含量0.1%，針片狀顆粒含量2.8%，吸水率0.8%，堅固性質(zhì)量損失率4%，壓碎指標(biāo)8.8%，篩分結(jié)果見表5。

表4 石灰?guī)r碎石篩分結(jié)果

表5 尾礦石篩分結(jié)果

從表4和表5看出，石灰?guī)r碎石為5～25 mm連續(xù)級配；尾礦石為16～25 mm單粒級級配，19.0 mm以上顆粒偏多，16.0 mm以下顆粒偏少。

1.4 粉煤灰

粉煤灰為山西神頭Ⅰ級粉煤灰，需水量比93%，細(xì)度8.1%，燒失量3.0%，含水量0.3%，三氧化硫0.4%。

1.5 礦粉

礦粉為星原集團水泥建材公司S95級礦粉，比表面積452 m2/kg，7 d活性指數(shù)81%，28 d活性指數(shù)101%，流動度比 108%，燒失量 0.11%，密度2.87 g/cm3，三氧化硫0.62%。

1.6 減水劑

減水劑為山西康特爾高性能減水劑，減水率28%，氯離子含量0.04%，總堿量1.91%，pH值6.89。

1.7 拌合水

拌合及養(yǎng)護用水均為自來水。

2 試驗方法及配合比設(shè)計

分別用普通碎石和鐵尾礦石作粗集料、以天然河砂和鐵尾礦砂作細(xì)集料，用粉煤灰和礦粉取代部分水泥，按固定水膠比配制混凝土，研究鐵尾礦砂石對混凝土工作性、力學(xué)性能和耐久性能的影響，試驗配合比見表6。試驗方法依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2002）測試混凝土工作性；依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）測試混凝土抗壓強度；依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）測試混凝土抗凍性、抗?jié)B性。

表6 尾礦砂石對混凝土性能的影響

3 試驗結(jié)果分析

3.1 尾礦集料對混凝土工作性能及抗壓強度的影響

表7 尾礦砂及尾礦石對混凝土工作性能及抗壓強度的影響

從表7中可以看出，在配合比相同的情況下，尾礦砂混凝土的坍落度小于普通混凝土，尾礦石混凝土的坍落度與普通混凝土接近。原因可能是天然砂顆粒粒型較好，使得天然砂混凝土拌合過程中黏滯阻力較小；而尾礦砂顆粒表面較為粗糙、多棱角，拌合黏滯阻力增大，坍落度減小。同樣原因也導(dǎo)致尾礦砂混凝土有輕微離析情況，由于尾礦砂表面粗糙、多棱角、顆粒間機械咬合力大，使得拌合物流變性能較差，容易出現(xiàn)漿體和骨料的分離，導(dǎo)致離析。含氣量結(jié)果也反映出類似情況，由于尾礦砂顆粒粒型的原因，在尾礦混凝土拌合過程，相比普通混凝土拌合困難，更難將空氣裹入拌合物中，導(dǎo)致含氣量降低。

從表7還可以看出，尾礦砂石混凝土與普通混凝土強度相當(dāng)。編號1和編號4相比，尾礦砂石混凝土7 d強度較普通混凝土低，降低幅度達(dá)6.6%，而28 d強度已經(jīng)與普通混凝土強度相當(dāng)，甚至有少量增幅，為1%；編號1和編號3相比，無論7 d和28 d強度都沒有太大變化，即尾礦砂對混凝土的強度影響基本不大。分析以上原因，可能是由于尾礦砂石由于表面結(jié)構(gòu)粗糙，導(dǎo)致吸水率變大，進一步降低了水膠比改善了混凝土內(nèi)部界面結(jié)構(gòu)，同時由于尾礦石母巖強度較普通碎石高，導(dǎo)致后期強度尾礦砂石混凝土有不小的增幅。

3.2 尾礦集料對混凝土抗凍性能的影響

尾礦砂石對混凝土抗凍性能的影響見表8。

表8 尾礦砂石對混凝土抗凍性能的影響 %

從表8對比動彈性模量和質(zhì)量變化率試驗結(jié)果可知，尾礦砂混凝土抗凍性能優(yōu)于天然砂石普通混凝土。這是由于尾礦砂吸水率較天然砂吸水率大，減小了拌合物的自由水，改善了尾礦砂石混凝土的界面過渡結(jié)構(gòu)，抗凍性能提高。這也與表7中尾礦砂石混凝土拌合物含氣量低的結(jié)果一致（含氣量低表現(xiàn)在尾礦砂石硬化混凝土內(nèi)部孔隙率降低，抗凍性能更好）。

3.3 尾礦集料對混凝土抗?jié)B性能的影響

尾礦砂石對混凝土抗?jié)B性能（抗水滲透能力及抗氯離子滲透能力）的影響見表9。

表9 尾礦砂石對混凝土抗?jié)B性能影響

從表9中可知，尾礦砂石混凝土的抗?jié)B水能力和抗氯離子滲透能力稍優(yōu)于普通碎石混凝土，表明尾礦砂石對混凝土的抗?jié)B能力影響不大，分析原因，一方面低水膠比降低了混凝土內(nèi)部孔隙率，同時尾礦砂石吸水率較普通混凝土吸水率大，在相同用水量的情況下，減少了自由水，使尾礦砂石混凝土結(jié)構(gòu)更加密實，提高了抗?jié)B性能；另一方面該試驗中摻入粉煤灰和礦粉，增加了水化產(chǎn)物的數(shù)量，改善了產(chǎn)物形態(tài)，各級孔的結(jié)構(gòu)有所改善，降低了氯離子在混凝土內(nèi)部的擴散性，提高了抗?jié)B性能。

4 結(jié)論

a）鐵尾礦砂篩選屬于中砂偏粗，級配可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；尾礦石篩選后屬于16～25 mm單粒級級配，19.0 mm以上顆粒偏多，16.0 mm以下顆粒偏少。

b）鐵尾礦砂石顆粒表面形貌粗糙，用尾礦砂配制的混凝土工作性較普通混凝土差，易離析。

c）鐵尾礦砂石可以用于C50混凝土的配制，7 d抗壓強度較普通混凝土略低，28 d強度基本接近普通混凝土強度。

d）鐵尾礦砂石混凝土抗凍性、抗水滲透能力、抗氯離子滲透能力優(yōu)于普通混凝土。