鐵尾礦粉和粉煤灰復(fù)摻對(duì)水泥基材料性能影響的試驗(yàn)研究

門武磊 ，楊迎春 ，盧心儀 ，張豪友 ，張翔飛 （安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230000）

1 引言

鐵尾礦是大量鐵礦石開(kāi)采后經(jīng)過(guò)選取利用所產(chǎn)生的工業(yè)固體廢渣，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的鐵尾礦堆放量達(dá)30億t[1]，但利用率較低僅有10%左右[2]，大量尾礦堆積不僅占用土地，還危害周邊大氣、河流及地下水等[3]。粉煤灰是熱力發(fā)電廠排放出的粉狀固體廢棄物，由于我國(guó)目前主要電力來(lái)源還是燃煤熱發(fā)電，粉煤灰的產(chǎn)量非常大，除了占據(jù)大量土地，污染地下水外，還因?yàn)槠漕w粒小容易隨風(fēng)而起，是現(xiàn)在的霧霾和空氣污染的主要原因之一。因此開(kāi)展對(duì)鐵尾礦和粉煤灰的綜合利用工作，不僅能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的理念，同時(shí)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)的現(xiàn)實(shí)意義。

在鐵尾礦替代混凝土的細(xì)骨料方面，Zhao等人指出當(dāng)鐵尾礦替代率不超過(guò)40%時(shí)，其替代天然砂來(lái)制造超高性能混凝土是可行的[4]。鄭永超等人研究發(fā)現(xiàn)將鐵尾礦進(jìn)行機(jī)械活化80min以上時(shí)，可以激發(fā)出較高水準(zhǔn)的活性[5]。在現(xiàn)有研究中，關(guān)于鐵尾礦水泥基材料大多研究方向都是將鐵尾礦粉取代天然砂作為水泥基材料的細(xì)骨料，國(guó)內(nèi)外有許多研究成果。粉煤灰在不同摻量和工藝條件下作為水泥生產(chǎn)配料的國(guó)內(nèi)外研究也有很大的進(jìn)展。但將磨細(xì)的鐵尾礦粉和粉煤灰復(fù)摻作為摻和料，對(duì)水泥基材料性能影響的研究成果較少。

故本文將鐵尾礦和粉煤灰復(fù)摻到水泥基材料中，研究復(fù)摻代替水泥的情況下的水泥基材料工作性能和強(qiáng)度特性，分析其性能改變的原因，探索其水化原理。為鐵尾礦粉煤灰作為礦物摻合料投入工程使用提供理論依據(jù)，達(dá)到綠色節(jié)能的理念，降低混凝土的生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原料

鐵尾礦粉選用江西贛州鐵礦，鐵尾礦中含有大量的 SiO2、Fe3O4、Al；粉煤灰選用合肥電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，其細(xì)度和需水量等都符合Ⅰ級(jí)粉煤灰指標(biāo)；P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料石英砂為廈門艾斯歐生產(chǎn)的中國(guó)ISO水泥膠砂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)砂；拌合和養(yǎng)護(hù)水均為城市管網(wǎng)自來(lái)水。粉煤灰化學(xué)成分見(jiàn)表1，P.O42.5水泥化學(xué)成分見(jiàn)表2。

粉煤灰化學(xué)成分 表1

硅酸鹽水泥化學(xué)成分 表2

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1 不同比例摻合料對(duì)水泥基材料需水量的影響

通過(guò)對(duì)不同摻合比例的組別標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的比較，研究不同代替率下的膠凝材料是否具有減水效果，從而得出有關(guān)工作性的結(jié)論。需水量試驗(yàn)各組水泥基材料配合比見(jiàn)表3。

2.2.2 不同比例摻合料對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響

將鐵尾礦裝入球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行機(jī)械研磨。球磨機(jī)中的皓球每罐裝入12顆，其中直徑10m、8mm、5mm、3mm 的皓球分別裝入1、3、6、2顆。本文根據(jù)粉煤灰和鐵尾礦不同的的替代比例分成6組，對(duì)比不同代替率下的水泥基材料強(qiáng)度變化，為實(shí)際工程應(yīng)用提供依據(jù)。強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)z砂材料配合比見(jiàn)表4。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

需水量試驗(yàn)各組水泥基材料配合比 表3

強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)z砂材料配合比 表4

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間安定性檢驗(yàn)方法》（GB/T1346-2011）測(cè)定水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時(shí)間。水泥砂漿工作性、力學(xué)性能參照《水泥基砂漿應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB/T50448-2008），《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB/T17671-1999），《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T70-2009），水泥砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的試件尺寸為40mm×40mm×160mm，試塊放入水中養(yǎng)護(hù)28d。

3 結(jié)果與討論

3.1 水泥基材料標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量試驗(yàn)結(jié)果與分析

鐵尾礦-粉煤灰復(fù)摻作摻合料對(duì)水泥基材料用水量的影響見(jiàn)圖1。

由圖1通過(guò)五組有代替物的水泥基材料組合和純水泥組的對(duì)比，可以看出，用鐵尾礦代替部分水泥時(shí)對(duì)水泥凈漿有比較好的減水效果，而粉煤灰的減水效果微乎其微，甚至是可以忽略。當(dāng)鐵尾礦代替率從無(wú)到30%時(shí)（兩者總代替率為30%不變），減水效果最為明顯，隨著鐵尾礦代替率上升粉煤灰代替率下降，需水量一直在下降，但是下降速度會(huì)慢慢變小。

圖1 鐵尾礦-粉煤灰復(fù)摻作摻合料對(duì)水泥基材料用水量

3.2 水泥基材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 抗折強(qiáng)度

鐵尾礦-粉煤灰復(fù)摻作摻合料對(duì)水泥基材料抗折強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，用水泥凈漿制成的試塊抗折強(qiáng)度最大，無(wú)論如何加入摻合料，都只會(huì)損失水泥基材料的抗折強(qiáng)度，但基本都具有合格的強(qiáng)度（60%）；在摻入摻合料的組別內(nèi)，單摻30%粉煤灰的抗折強(qiáng)度最高，接近純水泥組；特別是復(fù)摻10%鐵尾礦和20%粉煤灰的情況下，會(huì)對(duì)抗折強(qiáng)度產(chǎn)生很大影響，抗折強(qiáng)度基本削減到純水泥時(shí)的一半，是比較差的摻合比例。從大體上來(lái)說(shuō)，抗折強(qiáng)度隨著鐵尾礦代替率的增多而有所降低，但是效果并不明顯。從試塊斷裂情況來(lái)看，有較多粉煤灰的試塊斷裂面更密實(shí)，氣孔更少。

圖2 鐵尾礦-粉煤灰復(fù)摻作摻合料對(duì)水泥基材料抗折強(qiáng)度的影響

3.2.2 抗壓強(qiáng)度

鐵尾礦-粉煤灰復(fù)摻作摻合料對(duì)水泥基材料抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖3。

試塊折斷后的兩塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，每一組可得到6個(gè)抗壓試驗(yàn)試塊，但其中一塊留作長(zhǎng)期強(qiáng)度觀察組所以在本論文中每組只有5個(gè)強(qiáng)度值。由圖3可以看出，用水泥凈漿制成的試塊抗壓強(qiáng)度最大，用粉煤灰鐵尾礦代替部分水泥之后會(huì)使抗壓強(qiáng)度下降，但都是有效的合格強(qiáng)度。單用30%粉煤灰代替水泥時(shí)的強(qiáng)度在有代替組內(nèi)的抗壓強(qiáng)度是最高的，最接近純水泥的強(qiáng)度。當(dāng)鐵尾礦替代率為20%、粉煤灰替代率為10%的時(shí)候，抗壓強(qiáng)度會(huì)有一個(gè)局部峰值，其強(qiáng)度僅次于30%單摻粉煤灰的抗壓強(qiáng)度。

圖3 鐵尾礦-粉煤灰復(fù)摻作摻合料對(duì)水泥基材料抗壓強(qiáng)度的影響

3.2.3 小結(jié)

用鐵尾礦粉煤灰對(duì)部分水泥做替代，會(huì)使強(qiáng)度有所下降，但是絕大強(qiáng)度都超過(guò)了純水泥的70%，所以說(shuō)復(fù)摻這兩種材料是可行的。其中鐵尾礦對(duì)強(qiáng)度的影響更甚，在用較多的鐵尾礦對(duì)水泥進(jìn)行代替之后，會(huì)越發(fā)的降低水泥砂漿試塊的強(qiáng)度，無(wú)論是抗折強(qiáng)度還是抗壓強(qiáng)度。粉煤灰更類似水泥，可以很好的成為水泥的部分替代品，可能是因?yàn)榉勖夯沂窃谌紵螽a(chǎn)生的，更具有火山灰活性，其顆粒也更小，更接近水泥的細(xì)度。雖然本次試驗(yàn)使用的鐵尾礦經(jīng)過(guò)兩個(gè)小時(shí)的研磨并且篩分過(guò)，但畢竟是機(jī)械研磨，并不能很好激發(fā)其活性，其顆粒也還是封閉式的，與水泥膠砂材料不能結(jié)合的那么緊密而產(chǎn)生較高強(qiáng)度，過(guò)多的鐵尾礦甚至?xí)沟迷噳K粉化，粘結(jié)力很低，其性質(zhì)更接近于天然砂。對(duì)比抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)，代替率為30%的情況下，鐵尾礦為20%、粉煤灰為10%是一個(gè)雙優(yōu)的選擇。

4 結(jié)論

①在水泥基材料中用部分鐵尾礦和粉煤灰代替水泥，從工作性能和強(qiáng)度方面來(lái)說(shuō)，是可行性的。

②鐵尾礦因?yàn)槠湮暂^差所以會(huì)給水泥膠砂帶來(lái)減水效果，但是因?yàn)槠漕w粒較大，會(huì)使膠凝材料的粘結(jié)性下降；而粉煤灰的減水效果甚微，但是由于粉煤灰的顆粒細(xì)小，填充了膠砂中一些空隙，使得構(gòu)件更加密實(shí)，在長(zhǎng)期的水化后，其強(qiáng)度會(huì)得到提高。

③水泥的代替率總量30%，其中鐵尾礦20%，粉煤灰10%。從減水效應(yīng)、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度3個(gè)方面綜合來(lái)說(shuō)，這是綜合效益最好的比例，在達(dá)到復(fù)摻后最大抗壓強(qiáng)度和較大抗折強(qiáng)度的同時(shí)有很好的減水效果。