尾礦砂高性能混凝土力學性能的研究

段國偉， 林雙艮， 張亮

（1.河北建研工程技術有限公司，石家莊 050227；2.河北省固廢建材化利用科學與技術重點實驗室，石家莊 050227；3.北京華夏建龍礦業科技有限公司，北京 100070）

0 引言

我國鐵礦資源豐富，多年開采積累了大量鐵尾礦。截止2016年，全國鐵尾礦總堆存量超過100億噸，其中當年總產生量7.98億噸，而河北省就占到了41%，位居第一[1]。

目前國內外能大宗消納鐵尾礦砂，處理工藝成熟又不產生二次污染最佳途徑就是將其應用在預拌混凝土中作細集料[2-5]。如果把鐵尾礦砂利用與大規模的預拌混凝土生產結合起來，既解決了鐵尾礦砂的綜合利用問題，又緩解了混凝土行業天然砂資源的匱乏壓力，存在很大的研究利用價值。雖然國家已經開始力推鐵尾礦砂資源的循環再利用，但因不同地區不同類型礦床產生的尾礦成分、粒形、石粉含量等差異較大，限制了鐵尾礦砂在混凝土中的應用[6-9]。因此有必要針對區域內的鐵尾礦砂資源開展性能調查及其在混凝土中的應用研究，推動區域內鐵尾礦資源的應用，解決環境污染問題，促使企業實現可持續發展、產生可觀的經濟效益。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

試驗室自來水；石家莊曲寨水泥有限公司生產的P·O42.5水泥；金泰成公司生產的S95級礦渣粉比表面積429kg/m2活性指數101%；凝灰巖；石灰巖；標準砂。

1.2 試驗方法

（1） 用自制條形孔篩把機制砂中的片狀顆粒篩出，再與無片狀顆粒的機制砂混合，使片狀顆粒含量分別為0%、10%、20%、30%用于膠砂試驗，分析片狀顆粒含量對膠砂和混凝土流動性與強度的影響。

（2） 設計不同摻量石粉配合比及膠砂流動度試驗結果，研究不同石粉摻量對膠砂抗折抗壓強度影響。

（3） C30基準混凝土配合比：水泥286kg、粉煤灰123kg、機制砂773kg、石粉含量4%、碎石984kg、水185kg、減水劑4.09kg；C35基準混凝土配合比：水泥328kg、粉煤灰82kg、機制砂731kg、石粉含量8%、碎石1053kg、水 168kg、減水劑 4.1kg。

2 試驗結果及分析

2.1 機制砂片狀顆粒含量對膠砂和混凝土流動性與強度的影響

文中用自制條形孔篩把機制砂中的片狀顆粒篩出，再與無片狀顆粒的機制砂混合，使片狀顆粒含量分別為0%、10%、20%、30%用于膠砂試驗，配合比如表1，在W/B=0.5、W/B=0.45時，采用凝灰巖和石灰巖機制砂做膠砂流動度和強度實驗，其流動度如表2所示。

表1 膠砂配合基準比

表2 片狀顆粒含量對砂漿流動度的影響

表2為砂漿在0.5、0.45兩種水膠比條件下不同片狀顆粒含量對凝灰巖、石灰巖流動度試驗，結果表明隨著片狀顆粒的增加，兩種砂漿流動度均減小，并且凝灰巖減少幅度高于石灰巖砂漿減小幅度；兩種砂漿，水膠比越小流動性減少幅度越大；由于顆粒容易聚集到一起，降低了砂漿的均勻性，砂漿流動性變差，隨著片狀顆粒增加，流動性減小越明顯；由于石灰巖顆粒表面光滑，凝灰巖顆粒由于靜電作用，顆粒表面吸附更多細顆粒，導致石灰巖砂漿流動性高于凝灰巖砂漿流動性。

表3為不同片狀顆粒含量對石灰巖與凝灰巖機制砂C30與C35混凝土坍落度影響，從同強度混凝土坍落度來看，隨著片狀顆粒含量的增加，兩種混凝土的坍落度均減小，C35混凝土坍落度降低幅度小于C30混凝土坍落度幅度。圖1為在不同片狀顆粒對相同流動度下用水量擬合曲線，片狀顆粒與用水量之間明顯為線性關系，相關系數為0.9956，表明相關程度較高。由試驗可得，保持相同流動性，每增加10%的片狀顆粒，增加的用水量基本在0.45g左右。

表3 不同片狀顆粒含量對機制砂C30、C35混凝土坍落度影響

圖1 不同含量片狀顆粒對不同機制砂C30、C35混凝土坍落度影響擬合曲線

表4、表5為W/B=0.5時不同摻量片狀顆粒，石灰巖與凝灰巖砂漿3、28d砂漿抗折、抗壓強度試驗結果，對于兩種巖型的機制砂來說，隨著片狀顆粒的增加，砂漿的抗折與抗壓強度不斷下降趨勢，在片狀顆粒摻量為0%時，石灰巖砂漿的強度略高于凝灰巖砂漿，但是隨著片狀顆粒摻量的增加，凝灰巖強度略高于石灰巖。由于凝灰巖片狀顆粒表面比石灰巖比表面顆粒粗糙，導致凝灰巖砂漿抗折與抗壓強度略高于石灰巖砂漿強度。因此混凝土用機制砂一定要控制其片狀顆粒含量，否則會影響混凝土力學性能，針對凝灰巖機制砂中片狀顆粒宜在10%以下。

表4 凝灰巖片狀顆粒摻量對砂漿強度影響（水膠比為0.5）

表5 石灰巖片狀顆粒摻量對砂漿強度影響（水膠比為0.5）

表6為W/B=0.45時不同含量片狀顆粒，石灰巖與凝灰巖砂漿3、28d砂漿抗折、抗壓強度，不同片狀顆粒對砂漿強度的影響試驗結果。由表4～表6可得水膠比為0.45的砂漿強度高于水膠比為0.5砂漿的強度。主要原因是水膠比降低，增加了砂漿中空隙含量，提高了砂漿強度。

表6 片狀顆粒含量對凝灰巖漿強度影響（水膠比為0.45）

表7、表8為不同片狀顆粒對石灰巖與凝灰巖C30、C35混凝土3、28d抗壓強度影響的試驗結果表明，隨著片狀顆粒的增加，兩種混凝土的3、28d強度不斷降低，另外凝灰巖機制砂混凝土強度略高于石灰巖混凝土強度。是由于片狀顆粒的機制砂強度比規則的機制砂強度低，而且與片狀顆粒的定向排列也有關系，隨著片狀顆粒的增加，片狀顆粒在漿體中定向排列，使得砂漿中空隙增加，導致砂漿強度增加。

表7 針片狀顆粒含量對石灰巖C30、C35混凝土強度影響

表8 針片狀顆粒含量對凝灰巖C30、C35混凝土強度影響

2.2 不同含量石粉對砂漿流動性、混凝土強度影響

表9是不同摻量凝灰巖石粉配合比設計及膠砂流動度試驗結果，隨著石粉摻量的增加，膠砂流動度從168mm降低到150mm。表10是不同石粉摻量對膠砂抗折抗壓強度影響結果，隨著摻量增加，砂漿的7、28d強度逐漸降低，在石粉摻量為10%以內，摻加了凝灰巖石粉的膠砂比不摻加石粉的強度降低幅度很小，為了保證機制砂有較好的級配，必須含有一定量的石粉，減少混凝土的泌水、提高混凝土的和易性。并且，機制砂在制備過程中，石粉不可能100%去除，在盡量降低石粉量對砂漿流動性與強度影響前提下，機制砂中保留10%以內的石粉，還能優化機制砂去除粉體工藝，降低機制砂制備成本。表11是不同石粉含量對C30、C35混凝土流動性影響實驗結果，隨著石粉摻量增加，混凝土坍落度與擴展度不斷降低，但是石粉摻量為4%、8%時候，坍落度與擴展度降低幅度很小，大于8%時候，混凝土的坍落度與擴展度降低幅度增高。另外，同條件下相比，C35坍落度與擴展度降低幅度大于C30混凝土坍落度與擴展度值。由于凝灰巖石粉的需水量比大于石灰石粉與粉煤灰，使得漿體在相同用水量的情況下，需要的水量更多；其次隨著凝灰巖石粉加入，砂漿與混凝土的漿體粘度增加，初始流動度、擴展度減小。

表9 膠砂配合比與膠砂流動度

表10 不同石粉摻量對膠砂強度的影響

表11 不同石粉含量對混凝土流動性影響

表12、表13是不同石粉摻量凝灰巖混凝土對3、7、28d強度的影響，隨著石粉摻量的增加，混凝土強度值增加，再降低，在石粉摻量為10%與12%時，兩種混凝土強度達到最大，其中C30混凝土強度最大值：3d為 20.2MPa、7d 為 46.6MPa、28d 為 55.2MPa，與石粉摻量為10%時差值很小，C35混凝土強度值最大值，3d為 20.1MPa、7d 為 46.9MPa、28d 為 54.1MPa。由于凝灰巖石粉在砂漿與混凝土中主要起到摻合料作用，由于凝灰巖石粉的活性較低，在水泥水化早期，石粉主要為惰性摻合料，起到微集料填充效應，在C30與C35高水膠比的情況下，對后期砂漿與混凝土強度貢獻較小；另外由于石粉需水量比大，石粉在漿體不能有效地分散均勻，導致砂漿與混凝土強度降低。

表12 不同石粉摻量對C30混凝土強度影響

表13 不同石粉摻量對C35混凝土強度影響

3 結語

（1） 機制砂的片狀顆粒含量會使拌合物粘滯力增大，流變性能變差，導致混凝土和易性差，坍落度降低。

（2） 隨著片狀顆粒的增加，砂漿的抗折與抗壓強度不斷下降；在石粉摻量為0%時，石灰巖砂漿的強度略高于凝灰巖砂漿，但是隨著石粉摻量的增加，凝灰巖強度略高于石灰巖；水膠比為0.45的砂漿強度明顯高于水膠比為0.5強度。

（3） 凝灰巖石粉摻量為10%與12%時，混凝土強度達到最大。