鐵尾礦砂水泥砂漿抗壓強度及微觀結構分析

王 營 顧曉薇 張延年 殷士奇 胥孝川 王 青

(1.東北大學智慧水利與資源環境科技創新中心,遼寧 沈陽 110819;2.沈陽建筑大學土木工程學院,遼寧 沈陽 110168)

鐵礦山尾礦及廢石是礦業固體廢棄物,由于缺乏 有效的處理手段,堆存量正在逐年增加,給社會及環境帶來一系列問題[1]。因此,如何提高鐵礦山尾礦及廢石的利用率,合理地進行利用具有重要的社會、經濟效益[2]。

天然河砂是制備混凝土以及水泥砂漿的重要原料之一,但長期的大量開采導致天然河砂日漸枯竭。而鐵礦山尾礦及廢石的主要成分與天然砂石相似,具備替代天然河砂制備混凝土及水泥砂漿的潛力。李曉光等[3]將鐵尾礦水泥砂漿與天然河砂水泥砂漿進行性能對比,發現隨著鐵尾礦砂取代率的增加,鐵尾礦水泥砂漿的力學性能得到提升,但鐵尾礦的摻入增加了水泥砂漿的總孔隙率及多害孔數量。ZHAO、SHETTIMA、ZHANG等[4-6]采用鐵尾礦砂等質量替代天然河砂制備混凝土,發現隨著鐵尾礦砂替代率的增大,混凝土的孔結構變得粗大,吸水率和氯離子滲透性增加。尹韶寧、黃正均、李曉光等[7-9]對鐵尾礦水泥砂漿的力學性能進行了研究,發現水泥砂漿隨著鐵尾礦砂替代率的增大流動性降低、收縮量增加、抗折強度與抗壓強度提高。康洪震、寧寶寬、馬衛華等[10-12]采用鐵尾礦砂替代天然河砂,發現鐵尾礦混凝土與普通混凝土的應力—應變曲線總體相差不大。

目前,關于鐵尾礦砂替代天然河砂作為細骨料制備混凝土及水泥砂漿的研究,大都集中在鐵尾礦砂摻入量對混凝土與水泥砂漿基本力學性能的影響,而缺乏對鐵尾礦砂與天然河砂在組成成分、粒形、粒徑、級配上的區別進行系統的研究,對鐵尾礦水泥砂漿與天然河砂水泥砂漿的微觀結構,尤其是細骨料與水泥膠體的交界面形態差異關注較少。因此,本研究以某高硅型鐵尾礦廢石制得的砂為對象,按質量替代率0、25%、50%、75%、100%替代天然河砂制備水泥砂漿,分析試件破壞形態、抗壓強度變化規律,并討論了鐵尾礦水泥砂漿與天然河砂水泥砂漿的水化產物及細骨料與水泥膠體交界面間的異同,研究成果可為鐵尾礦砂制備水泥砂漿用于實際工程提供借鑒。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

(1)水泥。建華建材公司提供的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,3、28 d抗壓強度分別為30.4、45.4 MPa,抗折強度分別為4.6、8.3 MPa,主要化學成分見表1。

表1 普通硅酸鹽水泥主要化學成分分析結果Table 1 Analysis results of the main chemical composition of normal cement %

(2)細骨料。天然河砂:細度模數3.0,Ⅱ區中砂,含水率4.2%,含泥量2.2%。鐵尾礦砂:遼寧省本溪市某高硅型鐵尾礦廢石破碎而來的機制砂,細度模數2.6,Ⅱ區中砂,含泥量2.4%,表觀密度2 590 kg/m3,堆積密度1 540 kg/m3,所用鐵尾礦砂符合《建設用砂》(GB/T 14684—2011)中普通混凝土用砂技術指標要求。

天然河砂及鐵尾礦砂的主要化學成分見表2,顆粒形態見圖1,顆粒級配見圖2。

表2 鐵尾礦砂及天然河砂主要化學成分分析結果Table 2 Analysis results of the main chemical composition of the iron tailings sand and natural river sand %

圖1 鐵尾礦砂與天然河砂顆粒形態Fig.1 Grain morphology of the iron tailings sand and natural river sand

圖2 鐵尾礦砂與天然河砂顆粒級配曲線Fig.2 Particles gradation curve of of the iron tailings sand and natural river sand

由表2可知,高硅型鐵尾礦砂與天然河砂的化學組成相近,不同的是高硅型鐵尾礦砂Fe2O3含量為14.37%,而天然河砂不足2%。

由圖1可知,天然河砂外表為土黃色,由于受到河水的常年沖刷導致顆粒形態較為飽滿、渾圓,表面較為光滑;鐵尾礦砂外表呈深灰色,顆粒形態各異,有較多棱角,表面較粗糙。

由圖2可知,天然河砂+4.35 mm粒級含量為10.6%,鐵尾礦砂沒有+4.35 mm粒級顆粒;鐵尾礦砂0.15～2.36 mm粒級含量達92.6%,天然河砂為87.6%;鐵尾礦砂-0.15 mm粒級含量為7.4%,天然河砂僅為0.8%。總體看來,天然河砂粒度較粗。

1.2 配合比設計

參照《水工混凝土配合比設計規程》(DL/T 5330—2015)[13],用一定比例的水洗鐵尾礦砂等質量代替水洗天然河砂,制備水膠比為0.5的水泥砂漿試件,配合比設計如表3所示。

表3 水泥砂漿試件配合比設計Table 3 Mix proportion design of cement mortar specimen

1.3 試驗方法

制作尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試件,養護至既定齡期(3、7、14、28 d)后,用壓力試驗機測試水泥砂漿試件的抗壓強度,分析不同替代率下鐵尾礦砂水泥砂漿與天然河砂水泥砂漿立方體試件破壞形態、抗壓強度與鐵尾礦砂摻量的關系。對28 d齡期試件,用掃描電子顯微鏡觀察完全替代下鐵尾礦水泥砂漿與天然河砂水泥砂漿的細骨料與水泥膠體的交界面形態及兩者的水化產物微觀形貌。

2 試驗結果及分析

2.1 水泥砂漿基本力學特征

2.1.1 水泥砂漿立方體試件的破壞形態

鐵尾礦砂取代率不同時水泥砂漿立方體試件在單軸壓縮下的破壞形態如圖3所示。

圖3 水泥砂漿立方體試樣破壞形態Fig.3 Failure modes of cubic specimen of cement mortar

由圖3可知,鐵尾礦砂取代率為0、25%、50%、75%條件下均可以清晰地看到試件中的天然河砂,在不同的鐵尾礦砂取代率下試件的破壞特征大致相同,均符合典型的砂漿立方體破壞形態,即試件上、下端因受加載墊板的約束而橫向變形變小,中部的橫向膨脹變形最大,靠近中部的砂漿最先出現破碎現象,形成正倒相連的八字形裂縫,進而裂縫向內部擴展,形成正倒相接的四角椎破壞形態。

2.1.2 水泥砂漿試件的抗壓強度

水泥砂漿試件的抗壓強度與鐵尾礦砂替代率及養護齡期的關系如圖4所示。

圖4 水泥砂漿試件抗壓強度與鐵尾礦砂替代率及養護齡期的關系Fig.4 Relationship between compressive strength of cement mortar specimem with iron tailings sand substitution rate and curing age

由圖4可知,養護28 d后水泥砂漿試件的抗壓強度趨于穩定,此時替代率為0、25%、50%、75%以及100%的水泥砂漿試件的抗壓強度分別為46.56、47.67、47.38、47.33、49.01 MPa,不同替代率鐵尾礦砂水泥砂漿試件的抗壓強度較天然河砂水泥砂漿分別提高了2.4%、1.8%、1.6%、5.3%。完全替代下,鐵尾礦砂水泥砂漿試件3、7、14 d抗壓強度較天然河砂水泥砂漿試件分別提高了3.8%、4.3%、3.1%。以上結果表明,鐵尾礦砂可以代替天然河砂制備出基本力學性能優異的水泥砂漿試件,鐵尾礦砂水泥砂漿試件的強度增長與天然河砂水泥砂漿試件具有相似性。

鐵尾礦砂等比例代替河砂,實質是改變了細骨料的粗細程度,本研究中鐵尾礦砂等質量地替代河砂并未大幅度改善或者降低試件力學性能原因是:本研究中使用的普通河砂與鐵尾礦砂均具有較為良好的連續級配且粒徑大小相近,在替代率0、25%、50%、75%、100%的相互等質量替換時并未造成級配不良,且較細鐵尾礦砂加入普通河砂中還可以起到優化級配的作用,使其更加符合最緊密堆積原則。除此之外,由于鐵尾礦砂表面粗糙、棱角較多,形狀具有不規則性,增大了水泥漿界面的機械咬合力,且鐵尾礦砂中Fe2O3含量較高,因此鐵尾礦砂試件較天然河砂試件的強度更高,更具有抵抗外荷載的能力。

2.2 微觀結構分析

水泥砂漿中細骨料與水泥膠體交界面、水化產物的微觀結構及孔隙分布等對混凝土抗壓強度以及滲透性均有較大影響。使用SEM著重分析在完全替代下鐵尾礦砂水泥砂漿、天然河砂水泥砂漿細骨料與水泥膠體界面過渡區的形態特征,并觀察水化產物整體結構、微觀形貌,結果如圖5所示。

圖5 天然河砂水泥砂漿及鐵尾礦砂水泥砂漿界面過渡區SEM圖Fig.5 SEM images of interface transition zone of natural river sand cement mortar and iron tailing sand cement mortar

由圖5(a)、(b)可知,天然河砂水泥砂漿中生成了大量的水化硅酸鈣、氫氧化鈣等晶體,存在一定的微小孔洞,水化產物交織成網,呈片層狀分布,密實性較好;鐵尾礦砂水泥砂漿中有部分柱狀產物、少量水化硅酸鈣、未反應的熟料以及肉眼可見的較大孔隙。鐵尾礦砂水泥砂漿水化產物整體性較天然河砂水泥砂漿松散。

由圖5(c)、(d)可知,鐵尾礦砂水泥砂漿、天然河砂水泥砂漿細骨料與水泥膠體界面過渡區均可明顯看到裂縫的存在,天然河砂水泥砂漿的界面過渡區裂縫寬度明顯要小于鐵尾礦砂水泥砂漿,說明天然河砂水泥砂漿的細骨料與水泥膠體的交界面結構要優于鐵尾礦砂水泥砂漿。

以上研究表明,鐵尾礦砂水泥砂漿細骨料與水泥膠體的交界面、水化產物的密實度均要低于天然河砂水泥砂漿,結合文獻[3]中結論,鐵尾礦砂的摻入會增加水泥砂漿的總孔隙率且多害孔含量增多,說明鐵尾礦砂的摻入會導致水泥砂漿內部結構劣化,因而整體性較差。這可能是由于鐵尾礦砂較天然河砂具有較大的比表面積,會吸收更多臨近水泥膠體中的水,使臨近鐵尾礦砂的水泥膠體隨著養護齡期的收縮量較天然河砂大,進而導致鐵尾礦砂與水泥膠體之間產生的裂縫較天然河砂更寬,鐵尾礦砂水泥砂漿保水性較差,導致水化產物整體結構較為松散。但鐵尾礦砂多棱角、表面粗糙,這加大了其與水泥膠體的機械咬合力,另外由于高硅型鐵尾礦砂自身強度較高,所以導致其力學性能仍可滿足要求。

3 結 論

(1)高硅型鐵尾礦砂中SiO2與Fe2O3含量較高,具有較高的強度,采用高硅型鐵尾礦砂等比例替代天然河砂,在不同的比例下混合水泥砂漿立方體試件的破壞形態大致相同,均呈現出典型的正倒相接的四角椎破壞狀態,高硅型鐵尾礦砂可以替代天然河砂配制出符合強度要求的水泥砂漿。

(2)由于高硅型鐵尾礦砂本身強度較高且由于機制原因造成表面粗糙、多棱角,增加了與水泥膠體的機械咬合力,另外,+4.75 mm粒級含量為0,-0.15 mm粒級含量為7.4%,鐵尾礦砂細度模數較天然河砂小,較細的鐵尾礦砂的加入優化了原有天然河砂的級配,使其更符合最緊密堆積原理。因此,不同替代率下鐵尾礦水泥砂漿抗壓強度均優于天然河砂水泥砂漿。

(3)在掃描電子顯微鏡下,天然河砂水泥砂漿水化產物較鐵尾礦砂水泥砂漿豐富,鐵尾礦砂水泥砂漿水化產物結構松散,天然河砂水泥砂漿細骨料與水泥膠體的交界面裂縫寬度明顯要小于鐵尾礦水泥砂漿,鐵尾礦砂的加入劣化了水泥砂漿的內部結構,但是由于高硅型鐵尾礦砂自身強度較天然河砂高,且多棱角、表面粗糙增加了與砂漿的機械咬合力,因此可以彌補由于內部結構帶來的不利影響,仍能滿足基本力學性能要求。