鐵尾礦砂對混凝土抗碳化性能影響的試驗研究

劉宗星

（山東華森建材集團有限公司，山東 濟南 250101）

0 前言

目前我國多數地區在生產混凝土時多以天然砂作為主要的細骨料，而天然砂為地方性資源，短期內不可再生，也不利于長距離運輸。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，那么就需要采用異地運輸的方式獲取天然砂，這會導致混凝土原材料成本不斷地增加[1-3]。鐵尾礦砂是礦山開采的原礦石經選礦或其它工藝回收有效組分后廢棄的固體物料，呈細粉狀，粒徑一般在 4.75mm 以下，一般堆存于尾礦庫中，是工藝固體廢棄物的主要組成部分。鐵尾礦是一種材料性能與天然砂相近的細骨料[4-6]，具有表面粗糙、多棱角的特點。

在一般大氣環境條件下，混凝土碳化是鋼筋銹蝕的重要前提。鋼筋不斷銹蝕促使混凝土保護層開裂，產生沿筋裂縫和剝落，進而導致粘結力減小、鋼筋受力面積減小、結構耐久性和承載力降低等不良后果[7-8]。

本文利用兩種鐵尾礦砂復摻（復配比例為細鐵尾礦砂 : 粗鐵尾礦砂=2:8），研究鐵尾礦砂混凝土碳化深度隨水灰比、試驗養護齡期、粉煤灰摻量的變化規律。

1 原材料、試驗儀器、試驗方案設計

1.1 原材料

水泥：山水集團濟南山水水泥廠 P·O42.5 水泥，密度 3.15g/cm3，比表面積 362kg/m2，安定性合格（試餅法），3d 抗壓強度 20.6MPa，28d 抗壓強度 48.3MPa。

粉煤灰：山東濟南黃臺電廠 F 類 Ⅱ級灰，細度16.6%，需水量比 96.5%，燒失量 1.32%。

普通硅酸鹽水泥和粉煤灰的化學成分見表 1。

表 1 水泥和粉煤灰的化學成分 %

細骨料：山東濟南某鐵尾礦堆放廠的兩種不同細度的鐵尾礦砂：Ⅲ 區特細砂，細度模數 1.2，表觀密度 2870kg/m3；Ⅱ區中砂，細度模數 2.8，表觀密度2860kg/m3，兩種鐵尾礦砂的篩分試驗結果見表 2。

粗骨料：山東濟南港溝某石料廠 5～16mm、10～31.5mm 兩級配碎石（3:7）。

外加劑：山東華森建材集團有限公司的聚羧酸高性能減水劑；引氣劑、消泡劑和緩凝劑均來自當地化工市場。

水：為飲用水，符合混凝土用水標準 JGJ 63—2006《混凝土用水標準》中規定的拌合用水要求。

表 2 鐵尾礦砂篩分結果 %

1.2 試驗儀器

混凝土攪拌機 J60、混凝土含氣量測定儀、萬能壓力試驗機、混凝土碳化儀、坍落度筒等。

1.3 試驗方法

使用 150mm×150mm×150mm 試模成型，在溫度(20±2)℃、相對濕度 (90±2)% 標準養護室內養護，養護至 24h 后脫模，脫模后放入 (20±5)℃ 標準養護室中養護至規定碳化齡期后取出，放入溫度 (60±2)℃ 的干燥箱中烘干 48 小時，然后留成型的兩個上下面，其余的各面用石蠟密封完好，放入標準碳化箱中進行碳化，碳化至 3d、7d、14d、28d，從碳化箱中取出，用壓力機把試塊沿未涂石蠟的側面從中間劈開，滴加 1% 酒精酚酞溶液，20s 后每隔 10mm 讀取碳化深度，并三個試塊取平均作為碳化深度試驗結果。

1.4 試驗方案設計

本文分兩種試驗方案進行，各組混凝土配合比見表 3。第 1 種方案為水灰比分別為 0.46、0.42、0.38、0.34、0.30，粉煤灰摻量都為 20%，試件標準養護齡期為 7d，試驗序號為 A；第 2 種方案為粉煤灰摻量分別為 0、10%、15%、20%、25%、30%、35% 和 40%，水灰比都為 0.38，試件標準養護齡期為 7d，試驗序號為B。

表 3 鐵尾礦砂混凝土配合比設計方案

2 試驗結果與分析

2.1 水灰比對鐵尾礦砂混凝土碳化深度的影響

表 4 為水灰比對鐵尾礦砂混凝土碳化性能影響的試驗結果。

表 4 水灰比對鐵尾礦砂混凝土碳化深度的影響

從表 4 中可以看出：隨著水灰比的增加，混凝土抗碳化性能降低；隨著碳化齡期的延長，混凝土的碳化深度增加。即水灰比越大，混凝土抗碳化能力越弱，混凝土碳化時間越長其碳化深度越大。

主要原因是：水灰比是影響混凝土內部結構的重要因素，水灰比越大，混凝土內部結構密實性越差，即內部孔隙越多、大孔偏多、小孔偏少，因此，水灰比越大，CO2在混凝土內部就越易擴散，混凝土碳化性能越低。

2.2 粉煤灰摻量對鐵尾礦砂混凝土碳化深度的影響

表 5 是粉煤灰摻量對鐵尾礦砂混凝土碳化性能影響的試驗結果。

從表 5 中可以看出：在鐵尾礦砂混凝土中加入粉煤灰后，混凝土碳化深度將下降；且隨著粉煤灰摻量的不斷增加，混凝土的碳化深度先逐漸下降而后逐漸增大，當粉煤灰摻量在 25% 時，混凝土碳化深度達到最小值，再提高粉煤灰摻量，混凝土化深度將增大；另外，粉煤灰摻量對 3d、7d、14d 和 28d 碳化深度的影響規律基本一致。

表 5 粉煤灰摻量對鐵尾礦砂混凝土碳化深度的影響

2.3 試驗養護齡期對鐵尾礦砂混凝土碳化深度的影響

表 6 是養護齡期對鐵尾礦砂混凝土碳化性能影響的試驗結果。

表 6 養護齡期對鐵尾礦砂混凝土碳化深度的影響

從表 6 中可以看出：不論粉煤灰摻量高低，隨著養護齡期的延長，鐵尾礦砂混凝土碳化深度都下降。主要原因：隨著試件標準養護齡期的延長，混凝土漿體中熟料礦物水化較充分，水化產物（硅膠和鋁膠等）就越多，未水化熟料顆粒越少，細化混凝土內部結構，使混凝土內部結構更加致密，因此，CO2氣體向混凝土內部擴散的阻力就越大，使其抗碳化能力提高。

3 結論

（1）鐵尾礦砂混凝土抗碳化能力隨著水灰比的降低而增加。

（2）摻加粉煤灰可以使鐵尾礦砂混凝土抗碳化能力提高，當粉煤灰摻量為 25%，混凝土抗碳化能力最佳，再增加粉煤灰摻量，將降低混凝土抗碳化能力。

（3）鐵尾礦砂混凝土的抗碳化能力隨著標準養護齡期的延長而提高。