鐵尾礦骨料特性及其對(duì)混凝土性能的影響

李世華 王小亮 梁麗敏 林 華

（1.云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司，云南 昆明 650501；2.云南省高性能混凝土工程研究中心，云南 昆明 650501）

0 引言

隨著我國(guó)天然砂石資源的日益緊缺和國(guó)家固體廢棄物資源化利用的迫切要求，利用尾礦制備高性能混凝土是工程界亟待解決的重大課題。鐵尾礦骨料是經(jīng)過礦廠選礦排放出來(lái)的尾礦經(jīng)過破碎、篩選、整形、除塵等一系列工序制成的混凝土骨料。2019年，我國(guó)尾礦總產(chǎn)生量約為12.72億t，其中鐵尾礦占尾礦總產(chǎn)生量的40.9%[1]。目前，在混凝土行業(yè)中鐵尾礦的主要利用途徑為采用鐵尾礦砂石代替粗細(xì)骨料[2-3]或者鐵尾礦粉作為摻合料[4-5]進(jìn)行混凝土的配制。國(guó)內(nèi)關(guān)于鐵尾礦骨料特性及其混凝土性能的研究已取得一些研究成果，并在房建工程、市政工程、配重混凝土工程及部分橋梁工程中得到應(yīng)用[6-7]，但在高速公路橋梁高性能混凝土中的應(yīng)用還很少見。同時(shí)，受礦石產(chǎn)地和選礦工藝等因素影響，不同地區(qū)的鐵尾礦成分和含量存在差異，且鐵尾礦骨對(duì)混凝土熱物理性能的影響研究相對(duì)較少。因此，該文結(jié)合高速公路工程高性能混凝土對(duì)骨料的技術(shù)要求，對(duì)比分析了鐵尾礦骨料和天然骨料在常規(guī)性能指標(biāo)、化學(xué)成分、熱物理性能參數(shù)及其對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和熱物理性能的影響，為鐵尾礦骨料在高速公路工程高性能混凝土中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 鐵尾礦骨料的特性

鐵尾礦骨料選用新平縣大紅山石場(chǎng)生產(chǎn)的5mm～20mm連續(xù)級(jí)配碎石。石灰?guī)r骨料采用新平縣小海洽石場(chǎng)生產(chǎn)的5mm～20mm連續(xù)級(jí)配碎石。按照《建設(shè)用碎石、卵石》GB/T 14684-2011測(cè)試了骨料的顆粒級(jí)配、表觀密度、空隙率、吸水率、針片狀顆粒含量、壓碎指標(biāo)、堅(jiān)固性、含泥量、泥塊含量等指標(biāo)。按照《水泥化學(xué)分析方法》GB/T 176-2017測(cè)試了骨料的化學(xué)成分。按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT 50081-2019測(cè)試了骨料的熱物理性能。

1.1 常規(guī)性能

圖1是骨料的累計(jì)篩余試驗(yàn)曲線。由圖1可知，2種骨料在5mm～10mm和10mm～20mm級(jí)配含量上略有差異，且鐵尾礦骨料在10mm和4.75mm以下含量略高。相較而言，鐵尾礦骨料的顆粒級(jí)配較石灰?guī)r骨料略差。骨料的級(jí)配受到礦山品質(zhì)、破碎整形、粉含量控制等制備工藝的影響，在個(gè)別粒徑和級(jí)配區(qū)間有細(xì)微的差別，但整體上各區(qū)間和范圍分布均在連續(xù)級(jí)配區(qū)間內(nèi)，其級(jí)配符合橋梁高性能混凝土骨料的顆粒級(jí)配要求。

圖1 骨料的累計(jì)篩余試驗(yàn)曲線

表1是骨料的常規(guī)物理力學(xué)性能指標(biāo)。由表1可知，綜合對(duì)比鐵尾礦碎石和石灰石碎石在常規(guī)性能指標(biāo)方面的差異，主要表現(xiàn)在表觀密度、壓碎指標(biāo)、針片狀顆粒含量、空隙率吸水率和堅(jiān)固性指標(biāo)上。鐵尾礦碎石的壓碎指標(biāo)值和堅(jiān)固性指標(biāo)值顯著低于石灰?guī)r粗碎石，其分別較石灰?guī)r碎石降低5.1%和2.0%，表明鐵尾礦碎石強(qiáng)度較高，耐久性更好。但同時(shí)，鐵尾礦碎石的針片狀顆粒含量和空隙率較高，分別較石灰?guī)r碎石增加1.5%和2.0%，表明鐵尾礦碎石的粒形相對(duì)較差，對(duì)混凝土的工作性能會(huì)產(chǎn)生不利影響。針片狀顆粒含量較高的原因與骨料的破碎工藝聯(lián)系比較密切，可通過一定的工藝進(jìn)行改善，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意控制其含量。綜合鐵尾礦骨料在常規(guī)性能方面的表現(xiàn)，根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T 3650關(guān)于粗集料技術(shù)指標(biāo)的規(guī)定，鐵尾礦骨料整體上符合Ⅱ類粗集料的要求，符合公路工程高性能混凝土配制的要求。

表1 骨料常規(guī)物理力學(xué)性能指標(biāo)

在橋梁高性能混凝土中，既要求混凝土具有良好的力學(xué)性能和耐久性能，保證混凝土結(jié)構(gòu)的安全性，同時(shí)對(duì)箱梁、T梁等橫向受力構(gòu)件的自重有一定的限制性要求，以保證橋梁的使用壽命。和石灰?guī)r碎石骨料相比，鐵尾礦骨料的表觀密度要高很多，配制的混凝土設(shè)計(jì)容重較高，對(duì)箱梁、預(yù)制T梁等橫向受力的構(gòu)件極為不利，會(huì)影響橋梁的整體耐久性和結(jié)構(gòu)安全性。因此，在橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鐵尾礦骨料可用于大體積承臺(tái)、薄壁空心高墩的混凝土配制。

1.2 化學(xué)礦物組成

表2為鐵尾礦骨料和石灰?guī)r骨料的化學(xué)組成分析。由表2可知，從鐵尾礦骨料和石灰?guī)r骨料的主要化學(xué)組成來(lái)看，鐵尾礦骨料的SiO2含量最大，其次為Al2O3、Fe2O3、MgO和CaO等成分。而石灰?guī)r骨料的化學(xué)成分以CaO為主，其次為SiO2和MgO等成分。其中，鐵尾礦骨料的Fe2O3含量和Na2O含量要比石灰?guī)r骨料高出很多。骨料化學(xué)組成的不同在很大程度上決定了其主要的礦物成分。通過巖相送檢分析其礦物組成，鐵尾礦骨料的主要礦物成分為石英和斜長(zhǎng)石，石灰?guī)r骨料以方解石和白云石為主，均不存在堿活性。

表2 骨料化學(xué)組成分析

骨料對(duì)混凝土性能的影響，除常規(guī)性能指標(biāo)之外，還與骨料自身的化學(xué)礦物組成有很大的關(guān)系，化學(xué)礦物組成的不同對(duì)骨料的性能及混凝土的性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。骨料的SiO2含量高，巖石硬度大，抗壓強(qiáng)度較高，會(huì)極大地提高混凝土骨架的支撐作用，對(duì)混凝土的強(qiáng)度具有明顯地提高作用。同時(shí)，鐵尾礦骨料的Fe2O3含量較高，鐵元素的大量存在會(huì)影響骨料和混凝土的熱物理性質(zhì)。在橋梁高性能混凝土中，采用鐵尾礦骨料配制混凝土?xí)r，還應(yīng)考慮鐵尾礦骨料的熱物理性質(zhì)及其對(duì)混凝土性能的影響。

1.3 熱物理性能

骨料在混凝土各材料組成中體積占比最大，對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能、熱物理性能等影響較大。劉凱等[8]采用廣義灰關(guān)聯(lián)理論研究了骨料的體積分?jǐn)?shù)、溫度、水膠比和砂率對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)果表明骨料體積分?jǐn)?shù)、溫度、水灰比對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響較大。在橋梁高性能混凝土的設(shè)計(jì)中，由于橋梁構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，具有大體積混凝土的特點(diǎn)，在研究骨料對(duì)混凝土性能的影響時(shí)，除了工作性能、力學(xué)性能和耐久性能之外，還應(yīng)關(guān)注骨料的熱物理性能及其對(duì)混凝土熱物理性能的影響，從而能夠在混凝土的水化過程中實(shí)現(xiàn)混凝土水化溫升、降溫、溫差等關(guān)鍵溫度控制指標(biāo)的預(yù)測(cè)和控制，降低混凝土由溫度應(yīng)力引起的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

鐵尾礦骨料作為鐵礦石選礦后產(chǎn)生的固體廢棄物，化學(xué)組成中Fe2O3含量較高，在用于混凝土的配制時(shí)，需要充分考慮Fe2O3對(duì)骨料熱物理性能的影響。表3是鐵尾礦骨料和石灰?guī)r骨料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和線膨脹系數(shù)對(duì)比。

表3 骨料的熱物理參數(shù)

對(duì)比鐵尾礦骨料和石灰?guī)r骨料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容差異可知，鐵尾礦骨料的導(dǎo)熱系數(shù)較石灰?guī)r骨料增加27.3%，比熱容較石灰?guī)r骨料降低14.6%，見表4。用于混凝土的配制時(shí)，混凝土內(nèi)部經(jīng)由水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可以通過混凝土實(shí)現(xiàn)均勻、快速的分散。熱量的擴(kuò)散會(huì)降低混凝土芯表溫差，減少內(nèi)部的溫度聚集和溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。對(duì)比鐵尾礦骨料和石灰?guī)r骨料的線膨脹系數(shù)差異可知，鐵尾礦骨料的線膨脹系數(shù)較石灰?guī)r骨料增加15%。說明在混凝土水化放熱和環(huán)境溫度升高的過程中，鐵尾礦混凝土骨料受熱產(chǎn)生的線性膨脹程度較石灰?guī)r骨料高，混凝土骨架整體的體積穩(wěn)定性降低。綜合鐵尾礦骨料在熱物理性能方面的表現(xiàn)，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，采取合理有效的降溫和保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施，可以有效地降低由溫度應(yīng)力和體積膨脹引起的開裂風(fēng)險(xiǎn)，抵消由導(dǎo)熱系數(shù)帶來(lái)的不利影響。

表4 混凝土配合比

2 鐵尾礦骨料對(duì)混凝土性能的影響

鐵尾礦骨料由于受到表觀密度的影響，混凝土的設(shè)計(jì)容重較普通骨料混凝土的容重高，考慮混凝土容重對(duì)構(gòu)件耐久性和安全性的影響，在高速公路橋梁高性能混凝土中，通常用于大體積承臺(tái)、薄壁空心高墩等非橫向受力的構(gòu)件中。該文以連續(xù)剛構(gòu)橋墩柱C50混凝土為研究對(duì)象，對(duì)比研究鐵尾礦骨料和石灰?guī)r骨料對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和熱物理性能的影響。

2.1 試驗(yàn)其他原材料及配合比

所用水泥為華寧玉珠水泥有限公司生產(chǎn)的P·O52.5水泥，其比表面積為373m2/kg，燒失量為3.11%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.8%，3d抗壓強(qiáng)度為37.9MPa，28d抗壓強(qiáng)度為58.5MPa。所用粉煤灰為昆明環(huán)恒粉煤灰有限責(zé)任公司生產(chǎn)的F類I級(jí)粉煤灰，SO3含量為0.6%，需水比為97.7%，細(xì)度為13.6%，28d活性指數(shù)為83.1%。細(xì)骨料選用天生壩砂場(chǎng)生產(chǎn)的河砂，二區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，含泥量為1.8%，泥塊含量為0.3%，空隙率為37.9%，堅(jiān)固性為5%。外加劑選用上海三瑞新材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，固含量為12%，減水率為28%，泌水率比為26.7%，28d收縮率比為94%。水為試驗(yàn)室普通自來(lái)水。

為更好對(duì)比鐵尾礦骨料和石灰?guī)r骨料對(duì)混凝土性能的影響，試驗(yàn)除粗骨料種類不同外，其他配合比參數(shù)均不變。墩柱C50混凝土的配合比參數(shù)見表4。混凝土的工作性能參照《普通混凝土拌和物性能測(cè)試方法》GB/T 50080-2016進(jìn)行測(cè)試，混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量和熱物理性能參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081-2019進(jìn)行測(cè)試。

2.2 工作性能及力學(xué)性能

高速公路工程所用混凝土的配合比具有膠凝材料用量較大、拌合物黏度較高的特點(diǎn)。采用鐵尾礦骨料配制時(shí)，混凝土的設(shè)計(jì)容重較高。因此，鐵尾礦骨料的引入對(duì)混凝土的力學(xué)性能和工作性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

表5是混凝土的工作性能試驗(yàn)結(jié)果。由表5可知，鐵尾礦骨料混凝土的坍落度為210mm，擴(kuò)展度為550mm。與石灰?guī)r骨料混凝土相比，坍落度和擴(kuò)展度略降低，但總體降低幅度較小，均符合設(shè)計(jì)和泵送施工的要求。但鐵尾礦骨料混凝土的倒提時(shí)間較石灰?guī)r骨料混凝土有明顯的增加，倒提時(shí)間增加3s。作為混凝土泵送施工性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一，倒提時(shí)間的增加說明鐵尾礦骨料混凝土的流動(dòng)速度慢，粘滯阻力增大，在泵送過程中會(huì)增加泵送壓力和泵送難度，影響混凝土的泵送施工質(zhì)量。

表5 混凝土的工作性能試驗(yàn)結(jié)果

圖2是混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知，鐵尾礦骨料混凝土的3d、7d和28d抗壓強(qiáng)度分別較石灰?guī)r骨料混凝土增加7.9%、10.5%和5.9%。由圖3可知，鐵尾礦骨料混凝土的28d抗折強(qiáng)度和28d彈性模量分別較石灰?guī)r骨料混凝土增加16.9%和5.1%。可見，和石灰?guī)r碎石相比，鐵尾礦骨料混凝土的各齡期抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和靜彈性模量均呈增大趨勢(shì)。鐵尾礦骨料的壓碎指標(biāo)、堅(jiān)固性較小，骨料的整體強(qiáng)度較高，在混凝土中起到的骨架支撐強(qiáng)度較大，增大了混凝土的整體抗壓強(qiáng)度和剛度。

圖2 混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖3 混凝土的抗折強(qiáng)度和彈性模量

從混凝土的工作性能和力學(xué)性能整體變化情況來(lái)看，鐵尾礦骨料對(duì)混凝土的影響呈現(xiàn)兩極化，一方面較高的設(shè)計(jì)容重必然會(huì)增加混凝土的泵送施工難度，特別是在超高泵送過程中，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)鐵尾礦骨料對(duì)混凝土泵送施工帶來(lái)的不利影響；另一方面，鐵尾礦骨料對(duì)混凝土的力學(xué)性能有一定的提高作用，對(duì)墩柱等非橫向受力構(gòu)件，具有非常有利的效果。

2.3 熱物理性能

由于粗骨料占混凝土體積的大部分，因此對(duì)混凝土熱物理性能的影響最大。骨料種類的不同，其本質(zhì)是骨料中礦物成分含量的不同導(dǎo)致了骨料的熱物理性能和硬化后混凝土性能的不同。鐵尾礦骨料的導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)比其他2種骨料高，表現(xiàn)在配制出的混凝土參數(shù)上有相同的規(guī)律，但是混凝土作為一個(gè)復(fù)雜組分的復(fù)合材料，還受水泥、礦物摻合料、細(xì)骨料等其他原材料組分影響。表6是混凝土的熱物理性能參數(shù)。

表6 混凝土的熱物理性能參數(shù)

從表6的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，鐵尾礦骨料的引入提高了混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)，降低了比熱容。在大體積混凝土的水化放熱過程中，導(dǎo)熱系數(shù)的增加降低了由溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力導(dǎo)致的開裂風(fēng)險(xiǎn)，但線膨脹系數(shù)的增加導(dǎo)致由溫度升高引起的膨脹開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，在保證鐵尾礦混凝土的工作性能和力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)考慮骨料對(duì)混凝土綜合性能的影響，采用有效合理的技術(shù)措施避免鐵尾礦骨料的不利影響，保證混凝土的整體性能符合施工設(shè)計(jì)要求和橋梁的耐久性要求。在鐵尾礦骨料的應(yīng)用過程中，應(yīng)綜合考慮骨料對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和線膨脹系數(shù)3個(gè)參數(shù)的綜合影響，尤其是高溫環(huán)境下鐵尾礦骨料的應(yīng)用，以便對(duì)混凝土的溫度控制和開裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估。

3 結(jié)論

鐵尾礦骨料的表觀密度較大，壓碎指標(biāo)、吸水率較低，針片狀顆粒含量較高，整體性能符合高速公路高性能混凝土的配制要求，但受表觀密度的影響，用于混凝土配制時(shí)，混凝土設(shè)計(jì)容重較高。

鐵尾礦骨料的Fe2O3含量較天然骨料高，鐵元素的存在對(duì)骨料的熱物理性能影響較大。鐵尾礦骨料提高了混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)，降低了比熱容，在增加混凝土溫升開裂風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，可有效地降低混凝土的溫差。

綜合鐵尾礦骨料在常規(guī)性能、化學(xué)礦物成分組成和對(duì)混凝土性能的影響，鐵尾礦骨料用于承臺(tái)、墩柱等非橫向受力的混凝土結(jié)構(gòu)是可行的。