鐵尾礦砂對水工高性能混凝土的試驗研究

董 亮

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

鐵尾礦是指鐵礦山企業在選礦分選作業中排放的工業固體廢棄料，其礦物主要成分是硅酸鹽。隨著山西省鋼鐵工業的迅速發展，鐵尾礦在固體工業廢棄物中所占的比例也越來越大，而鐵尾礦的大量堆存也給大自然及人類的生命財產安全帶來一些困擾：占用土地資源、污染環境以及潰壩帶來的安全隱患問題，尤其是資源的浪費[1]。因此，如何將鐵尾礦再次利用，成為我們亟待解決的問題[2- 3]。

高性能混凝土，是一種具有卓越耐久性的優質混凝土[4- 5]，其卓越性能主要表現在高強度、高抗滲性、良好的工作性能與體積的高穩定性[6]，而水工高性能混凝土又因水利工程獨特的施工使用環境，對其耐久性有特殊的技術要求[7]。

本研究擬采用鐵尾礦砂取代天然砂配制水工高性能混凝土，既可以解決尾礦堆積帶來的資源浪費問題，又大大減少河砂的開采量，對環境也起到了一定的保護作用。

1 試驗概況

1.1 原材料

高性能水工混凝土的主要特點之一是低水膠比，為了有效確保其良好的流動性，應在水泥中摻入高效減水劑[8]，因此水泥應合理地選擇低水膠比的水泥，本試驗擬選用425#硅酸鹽水泥[9]，其主要化學成分見表1；減水劑將采用中道弘/CDA—1，減水率一般為10%～15%；粉煤灰選用I級低鈣(F)粉煤灰[10]；粗骨料主要采用天然礦山碎石5～10mm、10～20mm二級級配[10]；細骨料采用天然細砂、人工機制砂及靈丘縣豪洋礦業鐵尾礦砂，鐵尾礦砂主要化學成分及性能檢測見表2。

表1 425#硅酸鹽水泥化學成分表 單位：%

表2 鐵尾礦砂主要成分及性能檢測表

1.2 配合比設計方案

本設計試驗根據DLT 5330—2015《水工混凝土配合比設計規程》及已有的資料和相關科學技術文獻資料[11]，對鐵尾礦砂水工高性能混凝土進行配合比設計，配合比各參數試用范圍見表3。

表3 配合比各參數取值范圍表

在進行混凝土配合比試配前，將對使用階段投入的各項準備原材料質量進行了一次比較試驗以及結果的定期檢測和綜合分析，以保證各項使用階段原材料的主要結構組成部分、化學成分、物理性能及使用原材料的整體化學性能均勻并可以完全滿足水工高性能混凝土準備用料的安全性技術要求[12- 13]。

首先在上述試驗中確定的基準混凝土配合比試配基礎上[14]，粗骨料將選用優質石灰石，分析研究不同種類的細骨料(天然細砂、人工機制砂和鐵尾礦砂)及鐵尾礦砂與天然砂不同選用比例摻量的混合砂對混凝土各項結構性能的直接影響變化[16]。根據上述配合比進行試驗設計方案，在試配方案的基礎上，本次試驗分成以下6組細骨料混合試驗進行分析研究，具體試驗情況見表4。

表4 配合比組合試驗表

2 組合試驗結果分析

2.1 拌和性能試驗結果分析

由表5可知，無論使用的是鐵尾礦砂配制的混凝土還是不同比例的混合砂配制的混凝土，和易性和黏聚性均較好且基本無析水滲漏情況發生，坍落度及擴展度結果也足夠滿足規范施工要求，因此，使用鐵尾礦砂配制水工高性能混凝土，其拌和泵送性能比較適宜。

表5 拌和性能結果試驗表

2.2 力學性能試驗結果分析

在實驗室制作尺寸為 150mm×150mm×150mm的鐵尾礦砂水工混凝土試塊[15]，試件制作成型，將其按標準養護28d后脫模并將其表面覆蓋，最后裝入壓力機試驗，按規范要求分析試塊力學性能各項指標，試驗結果見表6，如圖1～圖3所示。

圖1 不同細集料混凝土的抗壓強度關系

圖2 不同細集料混凝土的劈裂抗拉強度關系

圖3 不同細集料混凝土的彈性模量關系

從以上力學性能試驗數據分析，無論是鐵尾礦砂混凝土還是不同摻量鐵尾礦砂的混合砂混凝土，各項指標均滿足現行標準中對水工混凝土的要求。

2.3 耐久性能試驗結果分析

(1)抗凍性

在實驗室內制作成型的 100mm×100mm×400mm 棱柱體試塊，脫模后放入18～22℃的水中連續浸泡 4d，然后在標準養護室中養護至 28 d即可取出，測量每個基頻試件的縱向基頻初始化的質量和確定試件的橫向基頻。然后將試件放在混凝土快速凍融試驗機中，進行凍融循環實驗，試驗結果見表7。

表7 抗凍性試驗結果表

由表7可知，全尾礦砂配制水工高性能混凝土的整體抗凍性優于天然砂混凝土的抗凍性，由機制砂和尾礦砂混合配制的水工高性能混凝土的抗凍性可達到F260，由天然河砂和尾礦砂配制的混凝土的抗凍性能達到F270，尾礦砂對水工高性能混凝土的抗凍能并無明顯的負面影響。

(2)抗滲性

根據實驗室抗滲儀型號及規范要求制作的150mm×150mm圓柱體試件，將制作好的試件脫模并按規定養護28d[17]，取出后刷去表面水泥漿膜放入抗滲儀進行試驗，實驗結果見表8。

表8 抗滲性試驗結果表

由表8可知，全尾礦砂配制的水工高性能混凝土的整體抗滲透性稍弱于天然砂混凝土的抗滲透性，由機制砂和尾礦砂混合配制的水工高性能混凝土的抗滲透性性能略優于由天然河砂和尾礦砂配制的混凝土(且均大于W8)，尾礦砂對水工高性能混凝土的抗滲性能并無明顯的負面影響。

3 結論

(1)鐵尾礦砂單獨作為細集料用于水工混凝土，按照特細砂混凝土配制原則采取低砂率、足夠膠凝材料體系，適當引入微量氣泡增加和易性等技術措施，可以配制出滿足水工結構使用要求的高性能混凝土。

(2)與機制砂組成混合砂：機制砂偏粗，尾礦砂則較細，將他們搭配組成混合砂，只要完善優化顆粒級配，就可以配制出性能優良、力學等性能達到水工結構使用要求的高性能混凝土。

(3)與天然砂組成混合砂：鐵尾礦砂與機制砂組成混合砂做細集料用于配制水工混凝土，通過適當調整二者混合比例搭配成級配合理的混合砂，就可以配制出性能優良、力學等性能達到水工結構使用要求的高性能混凝土。對于水工高性能混凝土，通過合理搭配混合砂比例使用優質礦物摻和料和聚羧酸減水劑可以配制出 28d抗壓強度達到94MPa、抗凍F280及抗滲W8的高性能混凝土，證明了鐵尾礦砂可以應用于水工高性能混凝土中。

通過一系列對比試驗研究，從鐵尾礦砂混凝土和鐵尾礦混合砂混凝土拌合物性能、基本力學性能和耐久性能等試驗數據可以看出，鐵尾礦砂配制混凝土只要級配合理、配合比設計科學，各項性能指標可以滿足混凝土結構施工的基本技術要求，能達到水工高性能混凝土相關性能指標水平。但鐵尾礦砂配制的水工混凝土能否應用于大規模水利工程中，還需通過長時間的工程實踐來檢驗。