鐵尾礦砂自密實混凝土工作性能試驗研究

伍 敏 汪秀石

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

1 概述

綠色環(huán)保高性能自密實混凝土是未來混凝土材料發(fā)展的必然趨勢，當(dāng)前隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，對于鋼鐵的需求也迅猛增長。而該種需求直接導(dǎo)致鐵礦石的巨大需求，由于鐵礦石選礦后會產(chǎn)生大量的鐵尾礦廢料，對于礦區(qū)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，并且威脅著人的生命財產(chǎn)安全。因此，開發(fā)利用這些巨大數(shù)量的鐵尾礦廢料成為當(dāng)前國內(nèi)各大礦區(qū)亟待解決的問題。

對于鐵尾礦砂用于配制水泥基混凝土材料，國內(nèi)學(xué)者及工程技術(shù)人員進行了一些嘗試。蔡基偉等[1]利用鐵尾礦砂取代天然砂，研究了鐵尾礦砂混凝土的工作性與抗壓強度，結(jié)果表明利用鐵尾礦砂配制的混凝土能夠滿足工作性和強度方面要求。陳家瓏等[2]利用首鋼遷安鐵尾礦砂配制鐵尾礦砂混凝土，試驗表明，同等條件下，尾礦人工砂混凝土的抗壓強度高于天然砂混凝土。徐寶華等[3]將北京密云鐵尾礦粗砂和細砂按照一定比例進行復(fù)配，并且完全替代天然砂配制混凝土，試驗結(jié)果表明，其性能優(yōu)于天然砂混凝土。何兆芳等[4]研究了以一定比例的尾礦砂代替天然砂制作混凝土，并將其工作性能、力學(xué)性能與天然砂混凝土進行了比較。

由于不同地區(qū)的鐵礦石尾礦所含成分不同，使得采用鐵尾礦砂配制混凝土的性能也各不相同，本文以安徽省霍邱縣特大型鐵礦的尾礦砂為研究背景，采用鐵尾礦砂取代部分天然砂作為細骨料配制高性能自密實混凝土，并進行其工作性能試驗研究，而關(guān)于此方面的試驗研究尚未見文獻報道。

2 原材料及配合比設(shè)計

2.1 主要原材料

水泥:安徽珍珠水泥集團生產(chǎn)的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥;細骨料:安徽省六安產(chǎn)天然砂，細度模數(shù)Mx=2.85，堆積密度1 785 kg/m2;鐵尾礦砂:安徽省霍邱鐵礦大橋灣尾礦庫，其微觀分析結(jié)果如圖1和表1所示;礦物摻合料:安徽合肥電廠產(chǎn)Ⅰ級粉煤灰;外加劑:江蘇蘇州產(chǎn)聚羧酸系高性能減水劑和安徽廬江縣產(chǎn)高效膨脹劑;拌和水:普通自來水。

2.2 試驗配合比設(shè)計

本文進行鐵尾礦砂自密實混凝土工作性能試驗配合比設(shè)計采用以鐵尾礦砂取代天然砂的摻量作為變量，即鐵尾礦砂取代率分別取為 0.0%，20.0%，40.0%，50.0%，60.0%，80.0% 以及100.0%。配合比設(shè)計如表2所示，其中SCC-1作為對比的普通自密實混凝土。

表1 鐵尾礦砂組成元素分析(歸一化)

表2 鐵尾礦砂自密實混凝土主要優(yōu)化配合比設(shè)計

3 試驗方法及試驗結(jié)果

3.1 試驗方法

自密實混凝土在無振搗，僅靠自重作用填充所澆筑構(gòu)件密實的性能是其最大特點，對于自密實混凝土的工作性能，主要采用填充性、粘性、間隙通過性以及抗離析性四個性能指標(biāo)進行描述[5]。根據(jù)EFNARC 2005歐盟規(guī)范、CCES 02-2004自密實混凝土設(shè)計與施工指南[6]以及CECS 203∶2006自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[7]，通常采用坍落擴展度、T500流動時間、V型漏斗流出時間、L型儀高差以及U型儀高差等評價工作性能。

3.2 試驗結(jié)果及分析

本文進行鐵尾礦砂自密實混凝土坍落擴展度(SF)和T500流動時間指標(biāo)要求分別為:650 mm≤SF≤750 mm;3 s≤T500≤20 s。試驗采用測試新拌自密實混凝土在加水?dāng)嚢韬?0 min，20 min，30 min的坍落擴展度和T500流動時間。其中測試坍落擴展度時，采取測量相互垂直的兩個方向直徑D1，D2，最終取(D1+D2)/2作為坍落擴展度(SF);T500流動時間以秒為單位，小數(shù)點后保留一位有效數(shù)字。

現(xiàn)場試驗照片如圖2，圖3所示。

表3 SF，T500試驗結(jié)果

根據(jù)表3和圖4可以看出，隨著鐵尾礦砂取代率的增加，坍落擴展度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，最大值出現(xiàn)在IMT=20.0%時，而當(dāng)IMT≥60.0%時，坍落擴展度明顯降低。而隨著加水時間的增加，相同取代率的坍落擴展度也逐漸降低。相比普通自密實混凝土SCC-1，ISCC-2的坍落擴展度與之相近。

根據(jù)表3和圖5可以看出，隨著鐵尾礦砂取代率的增加，T500流動時間呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，最低點出現(xiàn)在IMT=20.0%時，而當(dāng)IMT≥60.0%時，T500流動時間明顯增加。而隨著加水時間的不斷增加，相同取代率的T500流動時間也逐漸增加。相比普通自密實混凝土SCC-1，ISCC-2的T500流動時間較為接近。

雖然各配合比的鐵尾礦砂自密實混凝土T500流動時間均未超過20 s，但根據(jù)現(xiàn)場試驗觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)T500流動時間超過8 s時，自密實混凝土拌合物流動性明顯降低，從表3可以看出，當(dāng)加水時間為20 min時，ISCC-6出現(xiàn)了坍落擴展度SF未達到500 mm，加水時間30 min時，ISCC-5也出現(xiàn)了坍落擴展度SF未達到500 mm的情況。

參照CCES 02-2004自密實混凝土設(shè)計與施工指南進行，L型儀試驗鋼筋柵凈間距為40 mm，指標(biāo)要求為:H2/H1≥0.8;U型儀指標(biāo)要求:Δh≤30 mm。圖6，圖7分別給出了L型儀和U型儀試驗照片。

根據(jù)表4和圖8可以看出，隨著鐵尾礦砂取代率的增加，L型儀試驗高差H2/H1呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，最高點出現(xiàn)在IMT=20.0%時，而當(dāng)IMT≥60.0%時，L型儀試驗高差 H2/H1明顯降低。ISCC-1，ISCC-2現(xiàn)場試驗現(xiàn)象良好，能順利通過鋼筋柵，其中ISCC-1出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。而ISCC-5，ISCC-6現(xiàn)場試驗流動性較差，出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，不能順利通過鋼筋柵。

表4 L型儀、U型儀、J型環(huán)和V型漏斗試驗結(jié)果

根據(jù)表4和圖9可以看出，隨著鐵尾礦砂取代率的增加，U型儀試驗高差Δh=h1－h(huán)2呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，最高點出現(xiàn)在IMT=20.0%時，而當(dāng)IMT≥60.0%時，U型儀試驗高差Δh=h1－h(huán)2明顯升高。同L型儀一樣，ISCC-1，ISCC-2現(xiàn)場試驗現(xiàn)象良好，能順利通過鋼筋柵，其中ISCC-1出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。而ISCC-5，ISCC-6現(xiàn)場試驗流動性較差，出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，不能順利通過鋼筋柵。

根據(jù)EFNARC 2005歐盟標(biāo)準(zhǔn)和CCES 02-2004自密實混凝土設(shè)計與施工指南關(guān)于V型漏斗試驗指標(biāo)要求，對比反映鐵尾礦砂自密實混凝土粘性指標(biāo)。試驗現(xiàn)場照片如圖10所示。

根據(jù)表4和圖11可以看出，隨著鐵尾礦砂取代率的增加，V型漏斗流出時間呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，最低點出現(xiàn)在IMT=20.0%時，而當(dāng) IMT≥60.0%時，V型漏斗流出時間明顯增加。SCC-1，ISCC-1，ISCC-2現(xiàn)場試驗拌合物流動性較好，流出V型漏斗較順暢，ISCC-5和ISCC-6出現(xiàn)了明顯的堵塞現(xiàn)象，拌合物粘性較大，ISCC-6出現(xiàn)了拌合物未完全流出的情況。

4 結(jié)語

采用五項試驗方法評價了鐵尾礦砂自密實混凝土工作性能指標(biāo)，得出如下結(jié)論:1)隨著鐵尾礦砂摻量的增加，鐵尾礦砂自密實混凝土流動性先增加后降低，在鐵尾礦砂取代率為20%，流動性達到最大，但此時拌合物出現(xiàn)了泌水現(xiàn)象。2)當(dāng)鐵尾礦砂摻量超過60%時，自密實混凝土的流動性和填充性明顯降低，在摻量為80%，100%時，L型儀、U型儀以及V型漏斗試驗出現(xiàn)了堵塞現(xiàn)象。3)試驗發(fā)現(xiàn)，鐵尾礦砂摻量為40%～50%時，鐵尾礦砂自密實混凝土的工作性能與普通自密實混凝土SCC-1較為接近，具有良好的工作性。

[1] 蔡基偉，張少波，侯桂香，等.鐵尾礦砂對混凝土工作性和強度的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009，31(7):104-107.

[2] 陳家瓏，宋少民，路宏波.尾礦配制商品混凝土的應(yīng)用研究[J].建筑技術(shù)，2004，35(1):42-44.

[3] 徐寶華，宋 姍.尾礦砂復(fù)配在混凝土生產(chǎn)中的研究及應(yīng)用[J].商品混凝土，2010(1):23-25.

[4] 何兆芳，鄧初首.尾礦在預(yù)拌混凝土中應(yīng)用的試驗研究[J].混凝土，2009，239(9):115-118.

[5] EFNARC.The European Guidelines for Self-compacting Concrete[Z].2005.

[6] CCES 02-2004，自密實混凝土設(shè)計與施工指南[S].

[7] CECS 203∶2006，自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].