鐵尾礦砂和機制砂混摻制備混凝土的試驗研究

陸洋，顏世濤

（山東華森建材集團有限公司，山東 濟南 250101）

0 前言

砂和石是混凝土的生產過程中最重要且用量最多的原材料，對混凝土配制和性能產生巨大影響。如果混凝土的生產區域位于天然砂比較短缺的地區，例如西部地區等，那么就需要采用異地運輸的方式獲取天然砂，從而導致混凝土原材料成本不斷地增加[1-3]。隨著我國工業化地迅速發展，礦產資源的需求日益俱增，而我國大多數礦山資源品位較低，在選礦過程中產生大量的尾礦，導致尾礦量不斷增加，尾礦在工業固體廢棄物中所占的比例也越來越大，比如鐵尾礦砂等[4-5]。鐵尾礦是一種材料性能與天然砂相近的細骨料[6-8]，具有表面粗糙、多棱角、粉料多等特點。

本文利用鐵尾礦砂和機制砂混摻，研究鐵尾礦砂摻量對混凝土性能的影響，包括工作性能（流動性、粘聚性、含氣量、凝結時間和坍落度保坍情況等）與力學性能。

1 試驗原材料、試驗儀器、試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥：山東濟南山水集團水泥廠 P·O42.5 水泥，其性能指標如表 1 所示。

粉煤灰：山東濟南黃臺電廠 F 類Ⅱ級灰，需水量比102%，細度 18.5%，其性能指標如表 2 所示。

細骨料 1：機制砂，粗砂 Ⅲ 區，細度模數 3.40，表觀密度 2740kg/m3，篩分試驗結果如表 3 所示；細骨料 2：山東濟南某鐵尾礦堆放廠的鐵尾礦砂，細度模數1.52，表觀密度 2880kg/m3，篩分試驗結果見表 4。

粗骨料：山東濟南港溝石料廠 5～16mm、16～31.5mm 兩級配碎石，比例為 3:7。

外加劑：山東華森建材集團有限公司的聚羧高性能酸減水劑，引氣劑、消泡劑、緩凝劑等均來自當地化工市場。

水：為飲用自來水。

表 1 水泥的性能指標

表 2 Ⅱ 級粉煤灰的性能指標

表 3 機制砂篩分結果

表 4 鐵尾礦砂篩分結果

1.2 試驗儀器

混凝土攪拌機 S-60、混凝土振動臺、混凝土含氣量測定儀、萬能壓力試驗機、凝結時間測定儀、坍落度筒等。

1.3 試驗方法

混凝土含氣量、凝結時間測定儀、坍落度性能試驗測試按照國家標準 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。

混凝土試件制作與養護、抗壓強度測試按照國家標準 GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

2 鐵尾礦砂摻量對混凝土性能的影響

本文研究鐵尾礦砂部分取代機制砂時對混凝土性能的影響。以 C30 混凝土配合比為基準，初始坍落度

控制在 220～240mm，保坍 2h，含氣量控制在 1.5%～3.5%，其 C30 鐵尾礦砂混凝土試驗方案見表 5 所示。

表 5 C30 鐵尾礦砂混凝土試驗方案 kg/m3

2.1 鐵尾礦砂摻量對混凝土工作性能的影響

通過調整聚羧酸高性能減水劑中減水母液和保坍母液的比例，使各組混凝土初始坍落度都控制在 220～240mm；并適當調整外加劑中引氣劑或消泡劑用量，使鐵尾礦砂高性能混凝土含氣量控制在1.5%～3.5% 之間，其試驗結果見表 6 所示。

從表 6 中可以看出：

（1）鐵尾礦砂混凝土初始坍落度都控制在220～240mm 之間，含氣量控制在 1.5%～3.5% 之間時，當鐵尾礦砂不同摻量等量取代機制砂時，混凝土工作性能變化較大。隨著鐵尾礦砂摻量的不斷增加，混凝土流動性先變好而后流速減慢，粘度從一般到適當最后到大，包裹性從差逐漸變好，混凝土表面露石情況從露石嚴重到無露石。綜合鐵尾礦砂摻量對混凝土工作性能的影響，鐵尾礦砂最佳摻量應該在 20%～25% 之間。

表 6 鐵尾礦砂摻量對 C30 混凝土工作性能的影響

（2）對混凝土坍落度保持情況而言，當混凝土初始坍落度都控制在 220～240mm 之間，含氣量控制在1.5%～3.5% 之間時，當鐵尾礦砂不同摻量等量取代機制砂時，混凝土在不同時間（1h 和 2h）的坍落度基本無損失，即鐵尾礦砂的加入對混凝土坍落度保持情況影響不大。

（3）對混凝土表觀密度而言，當鐵尾礦砂不同摻量等量取代機制砂時，鐵尾礦砂混凝土表觀密度都大于純機制砂混凝土（1# 試樣）的表觀密度，隨著鐵尾礦砂摻量的不斷增加，混凝土表觀密度逐漸增大，摻量越高變化越明顯；當鐵尾礦砂摻量為 40% 時，混凝土表觀密度可達到 2535kg/m3。

（4）針對混凝土凝結時間而言，當鐵尾礦砂不同摻量等量取代機制砂時，隨著鐵尾礦砂摻量的不斷增加，混凝土凝結時間逐漸延長；當鐵尾礦砂摻量為 40%時，混凝土凝結時間延長 140min，說明鐵尾礦砂的加入，對混凝土凝結時間影響較大。

2.2 鐵尾礦砂摻量對混凝土力學性能的影響

研究鐵尾礦砂摻量對混凝土抗壓強度的影響，其試驗結果見表 7 所示。

表 7 鐵尾礦砂摻量對混凝土抗壓強度的影響 MPa

從表 7 中可以看出：與純機制砂混凝土抗壓強度相比，當鐵尾礦砂不同摻量等量取代機制砂后，混凝土抗壓強度都有不同程度的增加；隨著鐵尾礦砂摻量的不斷增加，混凝土抗壓強度先逐漸增大后有所下降，當鐵尾礦砂摻量為 25% 時，混凝土抗壓強度達到最大；另外，無論是 7d、28d 和 56d，鐵尾礦砂對混凝土抗壓強度的影響規律基本一致。

綜合考慮鐵尾礦砂摻量對混凝土工作性能、抗壓強度的影響，鐵尾礦砂的最佳摻量應控制在 25% 左右。

3 結論

（1）鐵尾礦砂細度模數較小、顆粒偏細且粉料較多，不宜單獨制備混凝土；可與機制砂混摻，以獲得滿足連續級配及細度模數的混合砂。

（2）鐵尾礦砂摻量對混凝土的工作性能影響較大，特別是對流動性、粘度的影響。

（3）鐵尾礦砂對混凝土凝結時間和表觀密度、抗壓強度影響都較大。

（4）綜合考慮鐵尾礦砂摻量對混凝土工作性能、抗壓強度的影響，鐵尾礦砂的最佳摻量應控制在 25%左右。