鐵尾礦砂摻量對混凝土力學性能、耐久性及水化特性的影響研究

程和平 陸 璐2，3

（1.常州工程職業(yè)技術(shù)學院建筑工程學院，江蘇 常州 213164；2.遼寧工程技術(shù)大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000）

鐵尾礦砂集中堆放不僅大量占用土地資源，而且鐵尾礦自身含有少量的放射性或者有毒性物質(zhì)會不斷侵入到地下，進而影響地下水資源和周圍耕地；此外，鐵尾礦砂堆對周圍居民的正常生活也有一定的影響［1-3］。近年來，相關(guān)科技工作者為了解決鐵尾礦砂污染環(huán)境、緩解天然砂石骨料緊缺問題，開展了鐵尾礦砂制備新型混凝土的研究，所制備的鐵尾礦砂混凝土力學性能和耐久性均可以滿足建筑結(jié)構(gòu)的使用要求［4-8］。對于利用廢棄鐵尾礦作為骨料制備混凝土材料，一般都是集中在混凝土的力學性質(zhì)、抗凍性能以及耐高溫性能方面的研究［9-10］，對于鐵尾礦砂混凝土的抗?jié)B性能、抗沖擊性能以及水化特性的相關(guān)報道較少，而這對鐵尾礦砂石在水工混凝土以及建筑地下結(jié)構(gòu)混凝土中的應(yīng)用是一個嚴重的制約。基于此，本研究以唐山某鐵尾礦砂為對象，探究不同鐵尾礦砂摻量下混凝土的力學性能、抗沖擊性能、耐久性及水化特性，為后續(xù)鐵尾礦砂混凝土作為建筑材料的使用提供試驗基礎(chǔ)。

1 試驗原料

試驗用骨料為唐山某鐵礦生產(chǎn)的尾礦砂，XRF分析結(jié)果如表1所示，級配曲線如圖1所示。

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由表1可知，該鐵尾礦砂主要成分為SiO2和Fe2O3，滿足制備混凝土材料的基本條件。

由圖1可知，該鐵尾礦砂0.15～4.75 mm粒級占90%以上，可將其作為集料應(yīng)用于混凝土混合料。

試驗用水泥為普通硅酸鹽水泥PO 42.5，安定性為0.30 mm、初凝時間為2.67 h，終凝時間為4.08 h，標準稠度為27.0%；試驗用減水劑為陰離子高效型聚羧酸減水劑；骨料采用當?shù)厣笆瘡S生產(chǎn)的機制砂和粒徑范圍5～15 mm的石子。

2 試驗方法

混凝土的養(yǎng)護周期分別設(shè)定為7 d和28 d（養(yǎng)護條件：溫度為20±2℃，濕度不低于95%）。試驗水灰比為0.45，水泥摻量為239 kg/m3，減水劑取水泥摻量的2%，石子摻量為1 147 kg/m3，鐵尾礦砂+機制砂合計摻量為733 kg/m3，機制砂摻量依次為733、659.7、586.4、531.1、439.8和366.5 kg/m3，則鐵尾礦砂摻量分別為0、73.3、146.6、219.9、293.2和 366.5 kg/m3，代表0、10%、20%、30%、40%和50%的添加量。

采用ETM305F-2型號的微機控制電子抗折強度和抗壓試驗機對混凝土試樣力學性能進行研究，采用全自動落錘沖擊試驗機對混凝土抗沖擊性能進行研究；按照文獻［11］的方法測定試樣的吸水率；按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GB/T 50082—2009）中的要求對混凝土進行抗碳化特性試驗［12］，采用混凝土抗?jié)B儀和滲水高度法來測定混凝土的抗?jié)B性能，采用CALVET熱導(dǎo)BT2.15Ⅱ型微量熱儀對不同鐵尾礦砂摻量情況下混凝土的水化放熱速率和水化放熱量進行測定［13］。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鐵尾礦砂摻量對混凝土抗折、抗壓強度的影響

鐵尾礦砂摻量對混凝土抗折強度和抗壓強度的影響如圖2所示。

由圖2可知，隨著鐵尾礦砂摻量的增大，混凝土7 d和28 d的抗壓強度均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當鐵尾礦摻量為10%時抗壓強度最大；混凝土7 d和28 d的抗折強度展現(xiàn)出與抗壓強度相似的變化規(guī)律，當鐵尾礦砂摻量為20%時抗折強度取得最大值。這是由于鐵尾礦中含有大量的氧化硅和三氧化二鋁的物質(zhì)，這些物質(zhì)會與水泥材料進行化學反應(yīng)，產(chǎn)生具有一定強度的化學產(chǎn)物且產(chǎn)物都較好地充填在混凝土內(nèi)部的孔隙骨架中，進而提升了混凝土整體的抗壓強度；但是隨著鐵尾礦摻量持續(xù)增大，鐵尾礦中氧化物在參加化學反應(yīng)后還有大量剩余，這些剩余的鐵尾礦之間也存在大量的孔隙，使得混凝土內(nèi)部整體性能下降，故混凝土的強度開始逐漸下降。

混凝土28 d的抗壓強度均大于7 d的抗壓強度，這是由于養(yǎng)護時間越長，混凝土內(nèi)部各物質(zhì)之間的化學反應(yīng)越充分，產(chǎn)生的化學物質(zhì)更好地填充在混合料內(nèi)部孔隙中，且混凝土整體性能上升。

2.2 鐵尾礦砂摻量對混凝土抗沖擊性能的影響

混凝土的抗沖擊性能反映了材料在動荷載作用下抵抗破壞的能力，這是研究混凝土防水材料時重要的考察指標［14］。鐵尾礦砂摻量對混凝土沖擊功和斷裂吸收能量的影響如圖3所示。

由圖3可知，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土的沖擊功及斷裂吸收能量先增大后減小，且沖擊功及斷裂吸收能量在鐵尾礦砂摻量為20%時取得最大值。這是由于混凝土混合料中水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成了一定量的氫氧化鈣，而鐵尾礦砂中含有的二氧化硅和三氧化二鋁與氫氧化鈣再次發(fā)生了化學反應(yīng)，生成了具有一定潤滑作用的水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣［15］，該物質(zhì)可以較好地進入混凝土內(nèi)部的裂隙中，彌補裂隙對混凝土強度劣化的缺點，且顆粒之間的摩擦作用相對減小，使得化學產(chǎn)物可以更好地填充在混凝土孔隙中，較為密實和少裂隙的混凝土可以更好地抵抗外部動荷載的沖擊作用［16］。

2.3 鐵尾礦砂摻量對混凝土耐久性的影響

2.3.1 吸水率測定試驗

鐵尾礦摻量對混凝土吸水率的影響如圖4所示。

由圖4可知，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，同一浸泡時間下混凝土的吸水率逐漸降低，這主要是由于鐵尾礦砂自身吸水性較差，且鐵尾礦砂中的氧化物和金屬離子與水化反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧化鈣進行二次化學反應(yīng)，產(chǎn)生的化學物質(zhì)會充填在孔隙中，修補混凝土內(nèi)部裂隙［17］，使得混凝土內(nèi)部原有孔隙被充填，導(dǎo)致了混凝土的孔隙率下降，最終使得混凝土的吸水率下降。

2.3.2 抗碳化特性試驗

鐵尾礦摻量對混凝土碳化深度的影響如圖5所示。

由圖5可知，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土的碳化深度先減小后增大，當鐵尾礦砂摻量為20%時混凝土的抗碳化性能最佳。這是因為混凝土的碳化需要水參與，在一定范圍內(nèi)鐵尾礦砂的摻入量增加，可以有效地阻隔水分的遷移和傳輸，且混合料中水泥發(fā)生水化反應(yīng)也會大量消耗水分［18］；隨著鐵尾礦砂摻量的進一步增加，水泥進行水化反應(yīng)的量減少，故混凝土的抗碳化性能又開始降低。

2.3.3 抗?jié)B特性試驗

抗?jié)B特性是表征混凝土耐久性的一個重要指標，它主要指在受到外部壓力時，氣、液或者離子在混凝土內(nèi)部滲透難易程度的性能［19］。鐵尾礦砂摻量對混凝土滲透深度的影響如圖6所示。

由圖6可知，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土的滲透深度先減小后增大，當鐵尾礦砂摻量為20%時混凝土的滲水深度最小。這是因為混凝土在不摻加鐵尾礦砂時內(nèi)部含有大量的過水通道，但是隨著鐵尾礦砂摻入量增加，混凝土內(nèi)部孔隙被填充，孔徑細化［20］；同時，鐵尾礦砂與水化產(chǎn)物進行二次化學反應(yīng)產(chǎn)生的水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣可以較好地進入混凝土內(nèi)部的裂隙中，使得混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)進一步得到細化，形成了更加緊密穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并且使得過水通道堵塞，最終混凝土的抗?jié)B性能增強。隨著鐵尾礦砂摻量的進一步增加，混凝土的抗?jié)B性能下降，這是由于此時混凝土內(nèi)部存在大量的未進行化學反應(yīng)的鐵尾礦砂［21］，它們使混凝土中水泥石變得疏松，孔隙結(jié)構(gòu)的整體性下降。

2.4 鐵尾礦砂摻量對混凝土水化反應(yīng)的影響

不同鐵尾礦砂摻量情況下混凝土的水化放熱速率和水化放熱量如圖7所示。

由圖7（a）可知，隨著水化反應(yīng)的持續(xù)進行，水化放熱速率呈現(xiàn)增、減、增、減的變化趨勢，但同一水化時間下混凝土的水化放熱速率隨著鐵尾礦砂摻量的增大而減小，這是由于鐵尾礦砂摻量增加，越來越多的水泥與鐵尾礦砂中的金屬離子、氧化物發(fā)生化學反應(yīng)，消耗了混凝土內(nèi)部的自由水［22］。由圖7（b）可知，隨著水化時間的延長，混凝土的水化放熱量呈現(xiàn)不斷增大的趨勢；鐵尾礦砂摻量增加，同一水化時間下混凝土的水化放熱量越小，這是由于鐵尾礦砂內(nèi)部的二氧化硅和三氧化二鋁水化活性要小于混凝土混合料中水泥的水化活性，且隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土內(nèi)部的水泥熟料也不斷減少，故混凝土的水化放熱量開始逐漸減小。

3 結(jié)論

（1）隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土抗壓強度與抗折強度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，鐵尾礦砂摻量為10%時抗壓強度最大，鐵尾礦砂摻量為20%時抗折強度最大。

（2）隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土的沖擊功及斷裂吸收能量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，鐵尾礦砂摻量為20%時沖擊功及斷裂吸收能量最大。

（3）隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土的滲透深度先減小后增大，同一浸泡時間下混凝土的吸水率逐漸降低，且當鐵尾礦砂摻量為20%時混凝土的滲水深度最小。

（4）隨著水化反應(yīng)的持續(xù)進行，水化放熱速率呈現(xiàn)增、減、增、減的變化趨勢，但同一水化時間下混凝土的水化放熱速率隨著鐵尾礦砂摻量的增大而減小；隨著水化時間的延長，混凝土的水化放熱量呈現(xiàn)不斷增大的趨勢；鐵尾礦砂摻量增加，同一水化時間下混凝土的水化放熱量越小。