鐵尾礦砂制備農(nóng)村公路混凝土性能

王樂(lè)，張靜，崔芳芮

（華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山063009）

0 引言

農(nóng)村公路建設(shè)是當(dāng)前我國(guó)公路交通事業(yè)的重點(diǎn)工作，改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)農(nóng)村公路的建設(shè)取得了顯著成就，政府也加大了力度來(lái)改善農(nóng)村公路。由于農(nóng)村公路車(chē)速低，車(chē)流量較少，所以對(duì)設(shè)計(jì)等級(jí)要求比較低。對(duì)于農(nóng)村公路，水泥混凝土路面具有群眾參與程度高、可以就地取材和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)，符合農(nóng)村公路建設(shè)需要發(fā)動(dòng)群眾、依靠群眾的方針。但隨之水泥混凝土路面對(duì)于天然砂的需求量也日益增多，天然砂的超量開(kāi)采已經(jīng)對(duì)農(nóng)田、河道造成了嚴(yán)重破壞，國(guó)務(wù)院和相關(guān)政府部門(mén)已經(jīng)出臺(tái)了禁采或限采天然砂的規(guī)定［1－2］。尾礦砂是鐵礦石經(jīng)過(guò)加工粉碎，選出鐵物質(zhì)后剩余的一種產(chǎn)物，其大量堆存填埋不僅需要占用大量土地，并且部分鐵尾礦中含有重金屬等有害物質(zhì)以及細(xì)尾礦顆粒引起的揚(yáng)塵等嚴(yán)重影響了地下水資源和周邊環(huán)境［3］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)金屬尾礦堆存量已達(dá)到50億噸以上，并且每年以6億噸的速度遞增。鐵尾礦的綜合治理和開(kāi)發(fā)利用是我們面臨的重大課題，近年來(lái)尾礦作為二次資源已受到世界各國(guó)的重視［4］。在國(guó)外，很多國(guó)家已經(jīng)意識(shí)到尾礦帶來(lái)的嚴(yán)重后果，他們采取了一定的措施來(lái)解決尾礦帶來(lái)的嚴(yán)重問(wèn)題，國(guó)外的尾礦利用率高達(dá)60%，但是國(guó)內(nèi)對(duì)于尾礦的研究較少，其利用率僅達(dá)7%［5－6］。因此大力推廣尾礦砂在道路工程中的應(yīng)用，對(duì)于尾礦廢物再利用和可持續(xù)發(fā)展有著非常重要的意義。不僅能夠節(jié)約天然砂、降低成本，又能充分開(kāi)發(fā)和利用工業(yè)廢料、節(jié)約資源與能源、提高資源利用率、保護(hù)環(huán)境。

采用鐵尾礦砂替代天然砂配制出了C30農(nóng)村公路混凝土，研究了鐵尾礦砂混凝土的工作性能、力學(xué)性能、抗收縮性能和抗?jié)B性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及性質(zhì)

（1）水泥選用唐山市冀東水泥廠生產(chǎn)的P.S.A32.5普通硅酸鹽水泥，水泥的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

（2）鐵尾礦砂為遷安鐵尾礦經(jīng)過(guò)篩分處理后的人工砂，堆積密度為1 598kg／m3，表觀密度為1 904kg／m3，細(xì)度模數(shù)為3.16。天然砂為普通中砂，堆積密度為1 675kg／m3，表觀密度為1 967kg／m3，細(xì)度模數(shù)為3.3。（3）試驗(yàn)采用5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石。

（4）減水劑為聚羧酸減水劑，減水率為30%，固含量為30%。

（5）試驗(yàn)所用水為自來(lái)水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

表2 配合比設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵尾礦砂摻量對(duì)混凝土坍落度的影響研究

對(duì)鐵尾礦砂摻量分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%的C30混凝土的工作性能進(jìn)行研究。

表3 鐵尾礦砂摻量對(duì)C30混凝土坍落度的影響

圖1 鐵尾礦砂摻量對(duì)C30混凝土坍落度的影響

從表3和圖1可以看出，對(duì)于C30混凝土，當(dāng)鐵尾礦砂摻量為20%時(shí)，混凝土的坍落度小于基準(zhǔn)組混凝土；當(dāng)鐵尾礦砂摻量在40%～100%之間時(shí)，混凝土的坍落度大于基準(zhǔn)組混凝土；當(dāng)鐵尾礦砂的摻量為20%時(shí)，C30混凝土的坍落度為35mm；當(dāng)鐵尾礦砂的摻量為80%時(shí)，C30混凝土的坍落度為60mm，C30混凝土的坍落度均在35～60mm之間。

2.2 鐵尾礦砂摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能研究

對(duì)鐵尾礦砂摻量分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%的C30混凝土的抗彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究。

圖2 鐵尾礦砂摻量對(duì)C30混凝土抗彎拉和抗壓強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，隨著鐵尾礦砂替代天然砂比例的增加，混凝土3d抗彎拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，7d抗彎拉強(qiáng)度先減小后增大，28d抗彎拉強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)鐵尾礦砂的替代率為0%時(shí)，混凝土3d抗彎拉強(qiáng)度最大；當(dāng)鐵尾礦砂替代率為100%時(shí)，混凝土7d抗彎拉強(qiáng)度最大，當(dāng)鐵尾礦砂的替代率為40%時(shí)，混凝土28d抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大?；炷?d抗壓強(qiáng)度先減小后增大，之后又有所下降，7d抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，28d抗壓強(qiáng)度先減小，后有所增加。當(dāng)鐵尾礦砂的替代率為60%時(shí)，混凝土3d抗壓強(qiáng)度最大；當(dāng)鐵尾礦砂的替代率為0%時(shí)，混凝土7d抗壓強(qiáng)度最大，當(dāng)鐵尾礦砂替代率為100%時(shí)，混凝土28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。

其原因一是鐵尾礦砂來(lái)自于人工的破碎，密度和硬度比較大，兩者集料粗細(xì)搭配形成堅(jiān)固的框架。二是因?yàn)槔饨窍鄬?duì)于天然砂而言比較多，接觸點(diǎn)就多，這樣在水泥水化時(shí)，就能與砂石形成更牢固的骨架，使得混合砂混凝土的抗壓強(qiáng)度高于未摻入鐵尾礦砂的混凝土。

2.3 鐵尾礦砂摻量對(duì)混凝土耐久性能研究

2.3.1 混凝土抗收縮試驗(yàn)

由于裂縫會(huì)加劇混凝土的劣化，所以裂縫對(duì)于公路混凝土有很大的影響，然而在非荷載作用下產(chǎn)生裂縫主要原因是混凝土的收縮變化。本研究中主要考察當(dāng)鐵尾礦砂摻量分別為0%、50%和100%時(shí)，C30混凝土在1d、3d、7d、14d、28d和60d的收縮量。

從圖3可以看出，對(duì)于C30混凝土，摻鐵尾礦砂50%的混凝土的收縮量小于基準(zhǔn)組混凝土，摻鐵尾礦砂100%的混凝土的收縮量大于基準(zhǔn)組混凝土。鐵尾礦砂混凝土的收縮量均是在14d之前增長(zhǎng)較快，28d以后慢慢趨于平緩，而基準(zhǔn)組混凝土的收縮量還在持續(xù)增長(zhǎng)。當(dāng)鐵尾礦砂摻量為50%時(shí)，混凝土的收縮量與基準(zhǔn)組混凝土相比，混凝土1d收縮量降低了62.8%，14d收縮量降低了6.9%，56d收縮量降低了12.5%。2.3.2混凝土抗?jié)B試驗(yàn)

圖3 C30混凝土不同齡期的收縮量

在實(shí)際的工程中，很多混凝土的病害與水有著直接關(guān)系。在混凝土內(nèi)部的水，尤其是冬天比較寒冷的天氣，內(nèi)部產(chǎn)生凍脹，脹裂了混凝土的路面，失去了強(qiáng)度，進(jìn)而加速混凝土路面的破壞。此外，如果冬季積雪比較厚，還會(huì)向路面撒除冰鹽，由于鹽中含有大量的氯離子，從而會(huì)侵蝕混凝土路面，破壞路面結(jié)構(gòu)。因此，抗?jié)B性能對(duì)于路面混凝土至關(guān)重要。

鐵尾礦砂摻量分別為0%、50%和100%的混凝土滲水高度試驗(yàn)斷面如圖4所示。

圖4 C30混凝土滲水高度試驗(yàn)斷面

圖5 C30混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d滲水高度試驗(yàn)

從圖5可以看出，對(duì)于C30混凝土，摻鐵尾礦砂各組混凝土的滲水高度明顯低于基準(zhǔn)組混凝土，基準(zhǔn)組的滲水高度為36mm。當(dāng)鐵尾礦砂摻量為50%時(shí)，混凝土的平均滲水高度為14mm；當(dāng)鐵尾礦砂摻量為100%時(shí)，混凝土的平均滲水高度為10mm。鐵尾礦砂摻量為50%和100%的混凝土與基準(zhǔn)組混凝土相比較，滲水高度分別降低了61.1%和58.3%。

這是因?yàn)殍F尾礦砂中含有微量的石粉微粒，石粉微粒填實(shí)了混凝土中的孔隙，減少有害大孔數(shù)目，明顯改善了混凝土的孔徑大小及分布，強(qiáng)化了水泥漿體－集料的界面結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)了水泥與骨料間的密實(shí)性，提高了混凝土的抗?jié)B性。

3 結(jié)論

（1）隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土的坍落度呈升高趨勢(shì)，且鐵尾礦砂混凝土的坍落度均在2～60 mm之間，能夠滿(mǎn)足農(nóng)村公路混凝土對(duì)于工作性能的要求。

（2）摻加鐵尾礦砂的C30混凝土的28d抗彎拉強(qiáng)度均在5～7MPa之間，能夠滿(mǎn)足農(nóng)村公路混凝土對(duì)于抗彎拉強(qiáng)度的要求。當(dāng)鐵尾礦砂摻量為100%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度與沒(méi)有摻入鐵尾礦砂的混凝土相比提高了11%，混凝土的抗彎拉強(qiáng)度提高了3%。

（3）摻加鐵尾礦砂的混凝土的收縮量隨著齡期的變化呈現(xiàn)出非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，且早期收縮的增長(zhǎng)速率比后期快。與基準(zhǔn)組混凝土相比，摻加50%鐵尾礦砂混凝土的收縮量低于基準(zhǔn)組混凝土，且均能滿(mǎn)足農(nóng)村公路混凝土對(duì)抗收縮性能的要求。

（4）不同摻量鐵尾礦砂混凝土的滲水高度均低于基準(zhǔn)組混凝土，均能滿(mǎn)足農(nóng)村公路混凝土對(duì)抗?jié)B性能的要求。當(dāng)鐵尾礦砂摻量為50%時(shí)，C30混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d齡期的平均滲水高度最小，與基準(zhǔn)組混凝土的滲水高度相比最大可降低61.1%。

［1］楊玉輝.C80機(jī)制砂混凝土的配制與性能研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［2］韋慶東.人工砂石制備高性能混凝土研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2007.

［3］吉少清，王志良，高軍燕.霍邱鐵礦鐵尾礦資源化綜合利用［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2012（9）：78－80.

［4］程琳琳，朱申紅.國(guó)內(nèi)外尾礦綜合利用淺析［J］.中國(guó)資源綜合利用，2005（11）：30－32.

［5］徐鳳平，周興龍，胡天喜.國(guó)內(nèi)尾礦資源綜合利用的現(xiàn)狀及建議［J］.礦業(yè)快報(bào)，2007（3）：4－6.

［6］閆滿(mǎn)志，白麗梅，張?jiān)迄i，等.我國(guó)鐵尾礦綜合利用現(xiàn)狀問(wèn)題及對(duì)策［J］.礦業(yè)快報(bào)，2008（7）：9－13.