鐵尾礦砂對泡沫混凝土力學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的影響

秦 毅

(遼東學(xué)院土木工程系，遼寧 丹東 118003)

0 引 言

混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)和缺陷對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和力學(xué)性質(zhì)影響較大[1-3]。針對混凝土的上述缺點，學(xué)者們研制出了大量的新型混凝土材料來彌補混凝土孔隙結(jié)構(gòu)對其性能的影響，例如再生混凝土、自密實混凝土和纖維混凝土等。與普通硅酸鹽混凝土相比，新型混凝土具有強度高、質(zhì)量輕、耐久性良好等特性，且這些混凝土材料也滿足國家提倡的綠色建筑材料的要求。

泡沫混凝土作為一種新型的環(huán)保建筑材料，被廣泛應(yīng)用在建筑施工行業(yè)中。泡沫混凝土的制備過程不會產(chǎn)生污染環(huán)境的廢液，而且將鐵尾礦等尾礦廢棄物作為制備混凝土的骨料，實現(xiàn)了鐵尾礦的減量化、無害化、資源化應(yīng)用[4]，減少了天然砂石材料的使用，為礦區(qū)的尾礦無害化處理指明了道路，保護了生態(tài)環(huán)境，滿足了建筑物使用要求[5]。

其中，張靜等[6]采用不同發(fā)泡劑制備泡沫混凝土，發(fā)現(xiàn)了采用微生物發(fā)泡制備混凝土的力學(xué)性能和保溫性能優(yōu)于采用動物蛋白發(fā)泡劑的混凝土。劉鑫等[7]研究凍融循環(huán)和澆筑工藝對泡沫混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)整體澆筑混凝土的抗壓強度變化幅度和經(jīng)歷凍融循環(huán)體積變化率均大于分層澆筑混凝土的性能。宋強等[8]著重對泡沫混凝土的保溫和抗壓強度性能的研究成果進行了歸納總結(jié)，并針對現(xiàn)有研究成果的不足指明后續(xù)泡沫混凝土的研究方向。支旭東等[9]研究鋼管泡沫混凝土的力學(xué)性能，并在Perry-Robertson公式的基礎(chǔ)上建立可描述鋼管泡沫混凝土力學(xué)性能的模型。楊俊等[10]開展了泡沫混凝土材料墻板的抗沖擊性能試驗，分析了混凝土內(nèi)部鋼筋直徑和墻板面積對抗沖擊性能的影響。孫小巍等[11]采用石墨尾礦代替天然砂石材料做為骨料，分析了不同石墨尾礦摻量、水灰比和干密度對泡沫混凝土性能的影響。

本文將采用鞍山地區(qū)的鐵尾礦砂，制備新型鐵尾礦砂泡沫混凝土，分析不同水灰比、不同鐵尾礦砂替代量和不同材料表觀密度條件下的鐵尾礦泡沫混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律，以及分析不同尾礦砂顆粒粒徑大小和有無摻加鐵尾礦砂的泡沫混凝土抗凍性能和微觀結(jié)構(gòu)性能。

1 試驗原材料選擇

1.1 鐵尾礦砂的性能

采用S4PIONEER型X-熒光元素分析儀對所選用鐵尾礦砂(取100 g作為試驗對象)的化學(xué)成分進行測試，得到該鐵尾礦砂的化學(xué)成分以及所占總試樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 鐵尾礦砂的化學(xué)成分及含量

由表1可知，該鐵尾礦砂化學(xué)成分以二氧化硅和三氧化二鋁為主，兩者質(zhì)量占尾礦砂總質(zhì)量的81.33%。

采用D/MAX-2400型X光粉粒衍射儀對上述鐵尾礦的礦物成分進行分析，得到該鐵尾礦砂的XRD衍射圖譜如圖1所示。

圖1 鐵尾礦砂的XRD衍射圖譜

經(jīng)過XRD檢測得到該鐵尾礦砂的礦物成分主要有：長石、伊利石、鈣硅石和石英。

1.2 其他材料的基本性能

水泥選取阜新水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥P·O42.5，初凝時間為 1.05 h，終凝時間為 4.25 h，燒失量2.55%，細度3.32%。粉煤灰取自阜新電廠，含水量0.29%，燒失量3.52%，細度90.58%。作為粗細集料的砂、石子就近取材，砂為中砂，石子為王營子煤礦巷道煤矸石，經(jīng)過破碎處理后的級配石子，中砂采用細度為2.5，含泥量為0.96%，表觀密度2 623 kg/m3的河砂。石子的粒徑在 5～15 mm 之間，壓碎指標(biāo)為 5.65%，表觀密度 2 791 kg/m3。發(fā)泡劑采用十二烷基苯磺酸鈉，該發(fā)泡劑為易溶于水白色粉末狀固體。穩(wěn)泡劑采用聚乙烯醇，粘度為6 570～6 565 mPa·s。

1.3 泡沫混凝土的配合比

制備泡沫混凝土?xí)r，需要提前制定出混凝土的配合比，為后續(xù)分析鐵尾礦砂替代量、材料表觀密度和水灰比對混凝土性能影響的分析做鋪墊。混凝土的配合比見表2。

表2 混凝土的配合比 kg/m3

通過控制泡沫的摻量來改變鐵尾礦粉泡沫混凝土的表觀密度，進而分析表觀密度對混凝土性能的影響。表觀密度等級和泡沫摻量見表3，其余材料參量均按照編號8的配合比摻入。

表3 表觀密度等級和泡沫摻量

2 泡沫混凝土的力學(xué)性能分析

2.1 力學(xué)性能試驗方案

抗壓強度試樣尺寸為 150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體，抗折強度試樣尺寸為150 mm×150 mm×550 mm標(biāo)準(zhǔn)小梁。抗壓試驗設(shè)備采用遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院的TAW-2000巖石試驗系統(tǒng)，該設(shè)備由長春市展拓試驗儀器有限公司生產(chǎn)，主要技術(shù)參數(shù)為：最大軸向試驗力2 000 kN，試驗力測量誤差為±1%。抗折試驗設(shè)備采用 5 KN-300 KN門式微機控制電子萬能試驗機，該設(shè)備由菱悅試驗機產(chǎn)品中心生產(chǎn)，主要技術(shù)參數(shù)為：試驗力為5～300 kN，位移測量精度優(yōu)于±1.0%。抗壓和抗折試驗儀器如圖2所示。

圖2 抗壓和抗折試驗儀器

抗壓試驗步驟[12]：1)采用試驗無塵紙將混凝土端面和承壓板擦除干凈后，將混凝土試樣放置在承壓板上；2)施加一個較小的軸向應(yīng)力，使得試驗機的承壓板與試件剛接觸，進而調(diào)整試樣并保證混凝土的軸心與試驗機下壓板中心對準(zhǔn)；3)以一定的速率(0.05 MPa/s)施加軸向荷載直至混凝土試樣破壞為止；4)以1 s的時間間隔保存試驗數(shù)據(jù)，并將破壞后的混凝土試樣編號保存。

抗折試驗與抗壓試驗差異在于抗折試樣需要選定支點和施加荷載點，即從試件一端量起，分別在距混凝土端部的 50，200，350，500 mm處劃出標(biāo)記，分別作為支點 (50 mm和 500 mm處)和加載點(200 mm和350 mm處)的具體位置。抗折試驗的加載示意如圖3[13]所示。

圖3 抗折試驗的加載示意（單位：mm）

2.2 力學(xué)性能結(jié)果分析

根據(jù)試驗方案和試驗步驟繪制出不同鐵尾礦砂替代量、水灰比和表觀密度條件下混凝土的抗壓強度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4。

圖4 混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同鐵尾礦砂替代量、水灰比和不同材料表觀密度條件下，鐵尾礦泡沫混凝土抗壓強度和抗折強度的變化規(guī)律見圖5。

圖5 抗壓強度和抗折強度的變化規(guī)律

由圖5(a)可知，隨著鐵尾礦替代率的不斷增多，鐵尾礦泡沫混凝土抗壓強度和抗折強度的變化規(guī)律都呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢；當(dāng)鐵尾礦替代率為20%時，泡沫混凝土抗壓強度和抗折強度均達到最大值，但是當(dāng)鐵尾礦替代率繼續(xù)增大后，泡沫混凝土抗壓強度和抗折強度的均降低，這是由于鐵尾礦砂充填在混凝土的孔隙內(nèi)部，在一定程度上提升了固體骨架的力學(xué)性能；同時，鐵尾礦砂的強度要高于河砂的強度，可以較好地彌補泡沫水泥硬化過程中河砂強度偏低的缺點。

由圖5(b)可知，隨著水灰比的不斷增大，鐵尾礦泡沫混凝土抗壓強度和抗折強度的變化規(guī)律也都呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，且在水灰比在0.40時混凝土的強度達到最大值，這說明了適當(dāng)增大的水灰比可以有效提升泡沫混凝土的強度。

由5(c)可知，隨著表觀密度等級的增大，鐵尾礦泡沫混凝土抗折強度和抗壓強度的變化規(guī)律均呈現(xiàn)增大的趨勢，這說明了表觀密度對鐵尾礦泡沫混凝土的力學(xué)性能影響較大，且表觀密度越大混凝土的強度越大。

3 鐵尾礦砂泡沫混凝土抗凍性分析

3.1 試驗方案

抗凍試驗步驟為：1)按照試驗要求將鐵尾礦砂泡沫混凝土制備成 100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱形試件，并養(yǎng)護28 d后放入水中進行試樣的飽和(一般浸泡7 d左右)；2)在試樣飽和之后取出，并擦去試件表面的水珠，采用精度為0.1 g的電子秤進行稱重；3)將不同配合比的試樣進行編號，再次放入水中，使得水面高出試樣約20 mm；4)將上述試樣放入到抗凍箱中進行抗凍試驗，將抗凍試驗的溫度設(shè)置為-15～5 ℃，試驗凍融循環(huán)一定次數(shù)（25、50、75和100次）后即可停止試驗(必須保證質(zhì)量損失達到5%以上)；5)每一組試樣按照上述步驟反復(fù)凍融N次之后，待試樣內(nèi)部完全消融后稱重。

3.2 抗凍指標(biāo)質(zhì)量損失率的確定

一般混凝土試樣在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，其質(zhì)量會有一定的損失，每一個混凝土試件的質(zhì)量損失率按下式計算：

式中：Woi——初始質(zhì)量；

WNi——凍融循環(huán)i次后的質(zhì)量。

對于每一組試樣的質(zhì)量損失率按下式計算：

其中 Δ由3個試件質(zhì)量損失率的平均值計算得到。

3.3 不同粒徑鐵尾礦砂混凝土的質(zhì)量損失率

按照上述試驗步驟進行不同粒徑鐵尾礦砂泡沫混凝土的抗凍試驗。選取粒徑為15 mm和粒徑為20 mm的兩種鐵尾礦砂，來分析粒徑和凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土質(zhì)量損失率的影響。

繪制出在不同凍融循環(huán)次數(shù)、不同粒徑條件下，鐵尾礦砂混凝土的質(zhì)量損失率變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 不同粒徑和鐵尾礦砂替代率作用下混凝土的質(zhì)量損失率

由圖可知，在不同鐵尾礦砂替代率下，泡沫混凝土質(zhì)量損失率的變化規(guī)律隨著凍融次數(shù)的增大呈現(xiàn)增長的趨勢，但是粒徑為20 mm的鐵尾礦砂泡沫混凝土的質(zhì)量損失率大于粒徑為15 mm的鐵尾礦砂泡沫混凝土的質(zhì)量損失率，造成上述現(xiàn)象的原因是：1)小粒徑的鐵尾礦砂可以更好地填充泡沫混凝土內(nèi)部孔隙，有利于提升泡沫混凝土抗凍性能；2)小粒徑的鐵尾礦砂可以更好地改善泡沫混凝土的傳熱性能，使得混凝土抗凍性能顯著性提升。在同一凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著鐵尾礦替代率的增加，大粒徑鐵尾礦砂泡沫混凝土質(zhì)量損失率變化幅度要小于小粒徑的泡沫混凝土，且在鐵尾礦砂替代率為30%時泡沫混凝土的質(zhì)量損失率最小，造成上述現(xiàn)象的原因是：粒徑為15 mm的泡沫混凝土的抗凍性更容易受到鐵尾礦砂替代率的影響。

綜上所述，在鐵尾礦砂替代率為30%時，鐵尾礦泡沫混凝土的抗凍性能最佳。

3.4 有無鐵尾礦砂泡沫混凝土的質(zhì)量損失率

按照上述試驗步驟進行有無鐵尾礦砂泡沫混凝土的抗凍試驗，得到有無鐵尾礦砂泡沫混凝土的質(zhì)量損失率的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 不同水灰比和有無鐵尾礦砂替代率作用下混凝土的質(zhì)量損失率

由圖可知，隨著凍融次數(shù)的增加，有無鐵尾礦砂泡沫混凝土的質(zhì)量損失率都呈現(xiàn)出增大的趨勢，且在凍融次數(shù)達到100次時，有鐵尾礦的大多在3.5%～4%之間，沒有鐵尾礦大多在4.8%左右。相對于摻加鐵尾礦砂的泡沫混凝土，不摻加鐵尾礦砂的泡沫混凝土質(zhì)量損失率更大，且在水灰比為0.35、凍融50次時，質(zhì)量損失率相差達到最大3.56%，這說明了摻加鐵尾礦砂可以有效地提升泡沫混凝土的抗凍性能。

在泡沫混凝土中摻加鐵尾礦砂后，尾礦砂充填在混凝土孔隙結(jié)構(gòu)中，對骨料與砂漿接觸面結(jié)構(gòu)的相互聯(lián)結(jié)起到增強作用，使得在凍融循環(huán)作用下泡沫混凝土顆粒之間的黏結(jié)作用更好，泡沫混凝土更不容易發(fā)生表面塊體的脫落。對于摻加鐵尾礦砂的泡沫混凝土在水灰比為0.40時質(zhì)量損失率最小，而不摻加鐵尾礦砂的破泡沫混凝土也在水灰比為0.40時質(zhì)量損失率最小，說明了在水灰比為0.40時，鐵尾礦泡沫混凝土的抗凍性能最佳。

反應(yīng)堆壓力容器本體螺孔材質(zhì)為16MND5，主要用于制作核電工程中蒸發(fā)器、穩(wěn)壓器、壓力容器及封頭、支撐部件。螺孔材質(zhì) 16MnD5力學(xué)性能：HB=200，Rm=550-670Mpa，Rp0.2≥400Mpa；螺栓材料為 40NCDV7-0.3力學(xué)性能：Rp0.2≥900Mpa,Rm=1000-1170Mpa，HB=302-375。從力學(xué)性能來看，螺栓材質(zhì)的硬度比法蘭螺紋的硬度（相差約100HB），螺栓在下旋過程中形成積屑瘤產(chǎn)生高溫并在螺紋之間產(chǎn)生塑性變形，使其硬度高于法蘭螺孔材質(zhì)的硬度，積屑瘤在螺栓與螺孔螺紋之間，隨著螺栓的旋入在法蘭螺紋螺牙上留下了溝痕，造成了螺紋損傷。

4 核磁共振微觀結(jié)構(gòu)分析

混凝土在外部環(huán)境發(fā)生改變時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會受到影響而產(chǎn)生變化，故需要通過微觀結(jié)構(gòu)試驗來分析不同粒徑、有無鐵尾礦砂泡沫材料混凝土，在抗凍試驗后的微觀結(jié)構(gòu)變化。本文采用紐邁公司所生產(chǎn)的MacroMR12-150H-I型核磁共振儀來進行微觀結(jié)構(gòu)性試驗，該儀器的磁場大小為0.3 T，共振頻率 50～60 Hz。

4.1 不同粒徑鐵尾礦混凝土的試驗結(jié)果分析

以鐵尾礦替代率為30%時的泡沫混凝土的T2圖譜作為分析對象，繪制出不同粒徑鐵尾礦砂泡沫混凝土的孔隙變化分布規(guī)律如圖8所示。

圖8 不同凍融次數(shù)作用下泡沫混凝土T2圖譜

由圖可知，隨著凍融次數(shù)的增加，泡沫混凝土的T2圖譜峰值點都逐漸增大；在同一凍融次數(shù)下，粒徑為20 mm鐵尾礦砂泡沫混凝土的孔徑分布要大于粒徑為15 mm的鐵尾礦砂泡沫混凝土的孔徑分布，這是由于大粒徑鐵尾礦砂泡沫混凝土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，內(nèi)部孔徑不斷增大導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞造成的；這也側(cè)面說明了粒徑為20 mm鐵尾礦砂泡沫混凝土的抗凍性弱于粒徑為15 mm鐵尾礦砂泡沫混凝土，且粒徑為15 mm的鐵尾礦砂泡沫混凝土可以有效抑制裂隙的發(fā)展，減少孔隙發(fā)育和泡沫混凝土的累積損傷。

4.2 有無鐵尾礦砂泡沫混凝土的試驗結(jié)果

為更進一步研究有無鐵尾礦混凝土在凍融后微觀結(jié)構(gòu)的變化，繪制出水灰比為0.40的泡沫混凝土T2圖譜曲線如圖9所示。

圖9 有無鐵尾礦砂泡沫混凝土的T2圖譜

由圖可知，隨著凍融次數(shù)的增加，無鐵尾礦砂泡沫混凝土的幅值增加幅度大于有鐵尾礦砂泡沫混凝土的幅值增加幅度，這是由于無鐵尾礦砂混凝土在受到凍融作用后，內(nèi)部孔隙變化、結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞造成的。

有鐵尾礦砂泡沫混凝土的第二峰值點的幅度值遠遠小于無鐵尾礦砂泡沫混凝土的幅值，尤其在未凍融時有鐵尾礦砂泡沫混凝土的第二峰值面積幾乎為零，這說明了摻加鐵尾礦砂的泡沫混凝土可以有效地防止混凝土內(nèi)部裂隙的擴展，并降低了泡沫混凝土在凍融作用下孔徑進一步擴展的可能，進而提升了泡沫混凝土的抗凍性能。

5 泡沫混凝土的流變性能

測定混凝土流變性能的設(shè)備采用美國博樂飛生產(chǎn)的R/S流變儀(見圖10)，該流變儀通過控制物料的剪切應(yīng)力或剪切速率，可以得到物料的流動曲線的變化曲線[14-15]。

圖10 R/S流變儀

圖11 不同鐵尾礦替代率和水灰比的流變曲線和表觀粘度曲線

由圖11可知，在剪切速率一定時，隨著水灰比的增大，泡沫混凝土剪切應(yīng)力呈現(xiàn)增大的趨勢，但是表觀粘度值的變化規(guī)律呈現(xiàn)出減小的趨勢。造成上述現(xiàn)象的原因是：水灰比的增大勢必會造成混凝土內(nèi)部自由水分的增多，使得混凝土內(nèi)部絮凝團數(shù)量減少、體積變小，進而混凝土在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時所受到絮凝結(jié)構(gòu)的阻力也會減小，最后表現(xiàn)為剪切應(yīng)力和表觀粘度都降低。

在剪切速率一定時，隨著鐵尾礦替代率的增大，泡沫混凝土剪切應(yīng)力和表觀粘度值的變化規(guī)律都呈現(xiàn)出減小的趨勢。造成上述現(xiàn)象的原因是：1)鐵尾礦砂內(nèi)部含有大量的球狀小顆粒，這些顆粒在混凝土中起到類似于“滾珠”的作用，使得混凝土內(nèi)部顆粒之間的摩擦力減小；2)鐵尾礦在水泥水化進程中會充填在混凝土內(nèi)部孔隙中，會迫使孔隙內(nèi)部的一些自由水流出，進而提升混凝土漿體的流變性能。

6 結(jié)束語

1)有無鐵尾礦砂泡沫材料混凝土隨著凍融次數(shù)的增加，其質(zhì)量損失率也逐漸增大，在凍融次數(shù)達到100次時，有鐵尾礦的大多在3.5%～4%之間，沒有鐵尾礦在4.8%左右。

2)對于摻加鐵尾礦砂的泡沫混凝土在水灰比為0.40時質(zhì)量損失率最小，而不摻加鐵尾礦砂的破泡沫混凝土也在水灰比為0.40時質(zhì)量損失率最小，說明了在水灰比為0.40時，鐵尾礦泡沫混凝土的抗凍性能最佳。

3)在同凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著鐵尾礦替代率的增加，粒徑為20 mm的鐵尾礦砂泡沫混凝土質(zhì)量損失率變化幅度要小于粒徑為15 mm的泡沫混凝土，且在鐵尾礦砂替代率為30%時泡沫混凝土的質(zhì)量損失率最小，且在鐵尾礦砂替代率為30%時，鐵尾礦泡沫混凝土的抗凍性能最佳。

4)當(dāng)鐵尾礦替代率為20%時，泡沫混凝土抗壓強度和抗折強度的均達到最大值；當(dāng)水灰比在0.40時混凝土的強度達到最大值；而隨著表觀密度等級的增大，鐵尾礦泡沫抗折強度的變化規(guī)律呈現(xiàn)增大的趨勢，且抗壓強度的變化規(guī)律也呈現(xiàn)出增大的趨勢。

5)在剪切速率一定時，隨著水灰比和鐵尾礦替代率的增大，泡沫混凝土剪切應(yīng)力的變化規(guī)律呈現(xiàn)出增大的趨勢，且表觀粘度值的變化規(guī)律也呈現(xiàn)出減小的趨勢。