鐵尾砂細(xì)集料配制噴射混凝土的試驗(yàn)研究

楊如仙，劉書程，朱志剛

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430040；2.中交二航武漢港灣新材料有限公司，湖北麻城 438300；3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（創(chuàng)新平臺(tái)），湖北武漢 430040）

0 引言

鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)過(guò)破碎、篩分、研磨、分級(jí)等工藝處理以后剩余和被廢棄的部分。根據(jù)2018年《中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，截止2017年底，我國(guó)每年排放尾礦量近15億t，全國(guó)累計(jì)堆存量尾礦近600億t、廢石近400億t。我國(guó)鐵尾礦總量大、種類多、顆粒細(xì)，其長(zhǎng)期堆放會(huì)帶來(lái)環(huán)境和安全問(wèn)題。近年來(lái)國(guó)家頒布了一系列政策鼓勵(lì)綜合利用工業(yè)固體廢棄物。而大宗工業(yè)固體廢棄物最大的應(yīng)用市場(chǎng)是建材行業(yè)，約有70%的工業(yè)固體廢棄物的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榻ú男袠I(yè)[1]。

噴射混凝土采用噴漿機(jī)將混凝土拌合物直接噴射到工作面，具有原材料廣、施工便利且速度快、對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛的應(yīng)用到大壩、隧道、礦井支護(hù)等工程中。通常噴射混凝土在應(yīng)用中存在回彈率高、粉塵大、強(qiáng)度低等問(wèn)題[2]，本研究擬采用鐵尾礦砂作為骨料解決以上問(wèn)題，探索研究鐵尾礦砂在噴射混凝土中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

鐵尾礦：安徽某鐵尾礦企業(yè)堆存的鐵尾礦，鐵尾礦的化學(xué)成分見(jiàn)表1、性能指標(biāo)見(jiàn)表2，礦物組成見(jiàn)圖1。由表1可知該鐵尾礦SiO2含量低于65%為低硅型鐵尾礦，由圖1可知該鐵尾礦的主要礦物組成為鈉長(zhǎng)石和鈣長(zhǎng)石，含有少量的石英和黃鐵礦，該鐵尾礦磁性指數(shù)4.67%，細(xì)度模數(shù)1.3，級(jí)配曲線見(jiàn)圖2，堆積密度1 450 kg/m3，緊密密度1 680 kg/m3，950益的燒失量為5.87%。

表1 鐵尾礦的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of iron tailings

表2 鐵尾砂性能指標(biāo)Table 2 Performance index of iron tailings

圖1 鐵尾礦砂的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of iron tailing sand

圖2 鐵尾礦砂級(jí)配曲線Fig.2 Iron tailing sand gradation curve

礦粉：S95級(jí)礦粉，燒失量0.4%，7 d活性指數(shù)78%，28 d活性指數(shù)101%。

硅灰：SiO2含量92%，95%的顆粒粒徑在2滋m以下，平均粒徑0.12滋m，比表面積大于8 000 m2/kg，密度約2 200 kg/m3。

天然砂：普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度約2 670 kg/m3，有害物質(zhì)在規(guī)定含量以下。

粗骨料：石灰石，表觀密度為2 650 kg/m3，堆積密度為1 478 kg/m3，有害物質(zhì)在規(guī)定的含量以下。

減水劑：武漢某材料公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率25%。

速凝劑：武漢某材料公司生產(chǎn)的混凝土速凝劑，灰色粉狀，固體，速凝劑摻量為膠凝材料用量的3%~5%。

1.2 試驗(yàn)方法

參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)混合砂噴射混凝土配合比，通過(guò)調(diào)整水膠比、速凝劑、減水劑摻量，控制噴射混凝土初凝時(shí)間在30~45 min內(nèi)，坍落度控制在160 mm以下，回彈率小于40%，噴射混凝土配比方案如表3所示。

表3 噴射混凝土配合比方案Table 3 Mix ratio scheme of spray concrete

1）噴射回彈率測(cè)定方法

噴射回彈率采用質(zhì)量法進(jìn)行測(cè)定。在噴射部位的地面上鋪設(shè)1層帆布，將稱量好質(zhì)量的試樣噴射到墻壁上，然后收集完成后的回彈料并稱量質(zhì)量，回彈料的質(zhì)量與噴射前的質(zhì)量比值即為此試樣的回彈率。

2）噴射混凝土強(qiáng)度測(cè)定方法

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)定噴射混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)試塊為100 mm伊100 mm伊100 mm的棱柱體，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，并測(cè)試1 d、3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度。

3）噴射混凝土粉塵濃度測(cè)定方法

按照AQ/T 4268—2015《工作場(chǎng)所空氣中粉塵濃度快速檢測(cè)方法——光散射法》測(cè)定噴射混凝土工作面的總粉塵濃度，采用CCZ3000直讀式粉塵濃度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，按照GBZ/T 192.1—2007《工作場(chǎng)所空氣中粉塵測(cè)定 第1部分：總粉塵濃度》的采樣原則與要求，確定工作場(chǎng)所的監(jiān)測(cè)點(diǎn)和檢測(cè)位置。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工作性能

由表4可知，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，坍落度呈逐漸下降的趨勢(shì)。這是由于鐵尾礦砂細(xì)度模數(shù)較小，顆粒分布較集中、不合理，隨著尾礦砂摻量的增加，混合砂的細(xì)度模數(shù)逐漸降低，由于鐵尾礦砂的顆粒形狀為多棱角、表面粗糙、吸水率較大，在同等條件下比天然砂混凝土的流動(dòng)性差，故坍落度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)[3-4]。在鐵尾礦砂摻量為20%時(shí)，鐵尾礦砂摻量較少，能和天然砂、粗集料互補(bǔ)形成連續(xù)的顆粒級(jí)配，混合砂的細(xì)度模數(shù)略有降低，故坍落度與天然砂混凝土相比略有減小。隨著鐵尾礦砂摻量的增加混凝土的初凝時(shí)間略有增加，但仍在設(shè)計(jì)規(guī)程的范圍內(nèi)。摻入鐵尾礦砂后混凝土的回彈率明顯降低且均低于10%。隨著鐵尾礦砂摻量的增加，工作面的粉塵濃度逐漸降低，這主要是因?yàn)殍F尾礦砂的吸水性較天然砂要強(qiáng)很多，另外與鐵尾礦砂顆粒較細(xì)有關(guān)，鐵尾礦砂中0.15 mm以下的顆粒占35.5%，這些細(xì)顆粒相當(dāng)于粉體填充料填充于混凝土骨料間的空隙，使混凝土漿體量增加，提高了混凝土的黏聚性，從而有效的降低噴射混凝土的回彈率和粉塵濃度[2]。鐵尾礦砂的加入降低了混凝土的坍落度，流動(dòng)性差，初凝時(shí)間有所延長(zhǎng)，這些均可以通過(guò)外加劑來(lái)調(diào)節(jié)，并不影響鐵尾礦砂摻入后混凝土整體的工作性能，鐵尾礦混凝土在回彈率方面的性能遠(yuǎn)高于天然砂噴射混凝土，回彈率降低，工作面的粉塵濃度降低。

表4 工作性能Table 4 Work performance

2.2 力學(xué)性能

分別測(cè)試各配比的混凝土1 d、3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 各配合比不同齡期的抗壓強(qiáng)度Fig.3 The compressive strength of each mixture ratio at different ages

圖4 各配合比不同齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.4 The splitting tensile strength of each mixture ratio at different ages

由圖3、圖4可知，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，各齡期混凝土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度都呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殍F尾砂顆粒較細(xì)，適當(dāng)摻量的鐵尾礦砂，可以填補(bǔ)集料和砂之間的空隙，從而使集料之間形成密實(shí)骨架，另外，鐵尾礦砂具有多棱角的顆粒形狀，接觸點(diǎn)多，在水泥水化時(shí)能和砂石形成更加牢固的骨架，從而使混凝土的強(qiáng)度增加。但是隨著鐵尾礦砂摻量的進(jìn)一步增加，鐵尾礦砂破壞了集料的級(jí)配梯度，導(dǎo)致級(jí)配間斷，降低了骨架密實(shí)度，從而導(dǎo)致了混凝土強(qiáng)度的降低[5-7]。摻入20%鐵尾礦的混凝土各齡期抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度均為最大值，性能最優(yōu)。鐵尾礦摻入量小于80%的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度都超過(guò)設(shè)計(jì)要求30 MPa。總體來(lái)說(shuō)，當(dāng)摻入比例在20%左右時(shí)，由于其各齡期強(qiáng)度達(dá)到最大，最能滿足噴射混凝土施工工藝早期硬化階段早凝早強(qiáng)的要求。

2.3 耐久性能

噴射混凝土的耐久性能應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，耐久性能試驗(yàn)方法按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

1）抗凍性能

按照凍融150次循環(huán)后各配比混凝土的強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率變化如圖5所示。

圖5 不同配合比混凝土凍融強(qiáng)度、質(zhì)量損失率Fig.5 Freeze-thaw strength and mass loss rate of concrete with different mix ratio

由圖5可知，凍融150個(gè)循環(huán)后，鐵尾礦摻量為20%時(shí)混凝土的強(qiáng)度損失率最小，隨著鐵尾礦砂摻量繼續(xù)增加，強(qiáng)度損失率逐漸增大，但強(qiáng)度損失率均小于25%。摻入鐵尾礦混凝土凍融前后質(zhì)量損失率都比天然砂混凝土稍小，質(zhì)量損失率都小于5%。摻入鐵尾礦的混凝土凍融前后強(qiáng)度和質(zhì)量損失率和天然砂混凝土相差不大，說(shuō)明鐵尾礦砂混凝土和天然砂混凝土的抗凍性基本接近，其中，摻20%鐵尾礦砂的混凝土強(qiáng)度、質(zhì)量損失率都最小，抗凍融性能最優(yōu)。

2）抗碳化性能

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的碳化試驗(yàn)方法對(duì)各配比的混凝土進(jìn)行測(cè)試。混凝土各配比28 d的抗碳化性能試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，摻入鐵尾礦的混凝土經(jīng)28 d碳化后碳化深度都小于5 mm，抗碳化性能良好，鐵尾礦摻量為20%時(shí)碳化性能最好。這是因?yàn)椋F尾礦摻量為20%時(shí)，混凝土骨料級(jí)配合理，混凝土骨架密實(shí)，強(qiáng)度較高則其抗碳化能力也較強(qiáng)。隨著鐵尾礦摻量的繼續(xù)增加，由于鐵尾礦顆粒較細(xì)，導(dǎo)致混凝土骨料級(jí)配不合理，混凝土強(qiáng)度下降，其抗碳化性能也逐漸降低，碳化深度逐漸增大[8]。

圖6 不同配合比混凝土碳化深度Fig.6 Carbonation depth of concrete with different mix ratio

3 結(jié)語(yǔ)

1）隨著鐵尾礦摻量的增加，混凝土的坍落度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，初凝時(shí)間呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，摻入鐵尾礦砂后混凝土的回彈率均低于10%，性能遠(yuǎn)高于天然砂噴射混凝土，回彈損失減少，工作面的粉塵濃度降低。

2）隨著鐵尾礦砂摻量的增加各齡期混凝土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度都呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，并在摻量為20%時(shí)達(dá)到最大值，且高于100%天然砂對(duì)比樣。

3）摻入鐵尾礦的混凝土凍融前后強(qiáng)度和質(zhì)量損失率和天然砂混凝土相差不大，鐵尾礦砂混凝土和天然砂混凝土的抗凍性基本接近；摻入鐵尾礦的混凝土經(jīng)28 d碳化后碳化深度均小于5 mm，抗碳化性能良好，鐵尾礦摻量為20%時(shí)，混凝土的抗凍性、碳化性能最優(yōu)。

4）綜合鐵尾礦混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性，從最大摻量利用鐵尾礦的原則出發(fā)，鐵尾礦摻量為80豫以下的配合比均可配制強(qiáng)度等級(jí)為C30的噴射混凝土。