鐵尾礦微粉復(fù)合礦物摻合料的試驗研究

馮永存，宋少民

(北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京市100044)

隨著我國大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進行，資源與生態(tài)環(huán)境壓力日益凸顯［1］。作為選礦廢料的鐵尾礦，因其儲量大，利用率低等問題，已造成嚴重的環(huán)境問題，如何提高鐵尾礦的利用率，也一直是各國學(xué)者的研究重點［2］。當前國內(nèi)外學(xué)者對鐵尾礦的研究主要集中在尾礦再選、礦山填充、尾礦砂利用等方面［3］，然而對尾礦的磨細化研究還很少。根據(jù)鐵尾礦自身偏細的特點，將鐵尾礦磨細制備混凝土礦物摻合料，既推進了綠色建筑材料的發(fā)展，滿足混凝土產(chǎn)業(yè)的供應(yīng)，又可以合理利用資源，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境，可謂一舉兩得。本文研究利用鐵尾礦微粉與礦渣粉、粉煤灰復(fù)合，研究復(fù)合摻合料內(nèi)部配比及其在膠凝材料中的摻量對混凝土性能的影響，為鐵尾礦微粉復(fù)合摻合料的工程應(yīng)用提供參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗材料

水泥:采用北京金隅水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，物理力學(xué)性能見表1。鐵尾礦微粉:采用經(jīng)磨細處理的鐵尾礦微粉，比表面積510 m2/kg，需水量比95%，密度3.10 g/cm3?；瘜W(xué)成分見表2。礦渣粉:采用北京生產(chǎn)的S95級礦渣粉，比表面積為440m2/kg，密度2.89g/cm3。粉煤灰:采用 II級灰，比表面積460m2/kg，需水量比98%，密度2.2g/cm3。石子:采用兩級配，5mm～10mm以及10mm～25mm，采用大石子:小石子=7:3的比例。砂:河砂，細度模數(shù)為2.7，屬于Ⅱ區(qū)中砂。外加劑:奈系高效減水劑，含固量為31% ，減水率20%。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 鐵尾礦微粉的化學(xué)成分 /%

1.2 試驗方法

所有試驗混凝土拌合物均采用混凝土攪拌機攪拌，測試和易性并振搗成型，按照 GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法》操作。成型24h后拆模，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至一定齡期測試其抗壓強度，抗壓強度測試按照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》操作。通過混凝土和易性和強度來分析其技術(shù)效果。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 鐵尾礦微粉復(fù)合摻合料的復(fù)配組分對混凝土性能的影響研究

試驗采用鐵尾礦微粉系列復(fù)合摻合料進行混凝土試驗，觀察對混凝土各項性能的影響，相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 鐵尾礦微粉復(fù)配種類的混凝土性能試驗

由表3，可以看出在同樣水膠比下復(fù)合摻合料中礦渣粉對28強度的貢獻值最大，粉煤灰和鐵尾礦微粉對混凝土和易性與28d強度值的影響相當。分析其原因可能是因為礦渣粉的活性本身較粉煤灰高，其在混凝土強度方面的貢獻較粉煤灰大，而粉煤灰在分散與填充的微集料效應(yīng)方面，卻可以由更細粒徑的鐵尾礦微粉粉替代，并對保證混凝土強度方面起到一定作用?？紤]3種摻合料的特點和作用，選擇鐵尾礦微粉與礦渣粉雙摻制備復(fù)合礦物摻合料，從混凝土的和易性和混凝土的強度試驗來看，這一途徑是切實可行的。

2.2 鐵尾礦微粉復(fù)合摻合料的比例對混凝土性能的影響

在確定復(fù)合礦物摻合料的復(fù)配組分后，需要確定鐵尾礦微粉與礦渣粉的最佳復(fù)配比例，保持復(fù)合摻合料摻量不變，調(diào)整其比例，選擇含20% ～80%鐵尾礦微粉的復(fù)合摻合料進行C30混凝土試驗，相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

表4 復(fù)合摻合料復(fù)摻比例的混凝土性能試驗

由表4可知，隨著鐵尾礦微粉摻量的增加，混凝土的流動性逐漸提高，強度逐漸降低。這可能是因為隨著鐵尾礦微粉的增多，其所表現(xiàn)出的惰性填充作用越明顯，降低了膠凝材料的水化反應(yīng)，雖在一定程度上降低了混凝土強度，但可以發(fā)揮鐵尾礦微粉的填充和微珠作用，提高混凝土的工作性能。

我們發(fā)現(xiàn)鐵尾礦微粉與礦渣粉比例低于1:1時的混凝土強度可以滿足C30混凝土強度等級要求;鐵尾礦摻量＞60%時，強度值下降明顯;在目前攪拌站生產(chǎn)技術(shù)條件下，對于尾礦微粉替代粉煤灰和礦渣復(fù)合摻加，尾礦微粉與礦渣粉比例4:6到6:4變化，制備C30混凝土的技術(shù)可行性我們又進行了以下試驗。

2.3 復(fù)合摻合料在膠凝材料中摻量對混凝土性能的影響

根據(jù)實際工程經(jīng)驗，復(fù)合摻合料在膠凝材料中比例過少，則浪費水泥且礦物摻合料無法充分發(fā)揮作用;復(fù)合摻合料過多，則導(dǎo)致活性成分不足，影響強度，因而本試驗選取摻量占膠凝材料30%～40%復(fù)合摻合料進行試驗，相關(guān)數(shù)據(jù)見表5。

表5 復(fù)合摻合料在膠凝材料中摻量的混凝土性能試驗

由表5可知，隨著復(fù)合摻合料摻加比例的增加，混凝土流動性有一定提高;尾礦微粉與礦渣粉比例由4:6到6:4變化，復(fù)合摻合料摻量由30%到40%變化時，混凝土強度可以滿足C30混凝土要求。本試驗沒有變動水膠比，實際生產(chǎn)中摻合料比例增大或低活性摻合料增多會相應(yīng)降低水膠比，強度自然會更有保證。因此尾礦微粉與礦渣粉5:5至6:4是比較理想的比例。

分析認為，鐵尾礦微粉自身強度很高，尾礦微細顆粒均勻分布在水泥漿體基相中，能夠起到微集料作用，其良好的填充作用降低了混凝土的空隙體積，使混凝土密實化，同時鐵尾礦微粉顆?？勺鳛槿苋趹B(tài)CSH的成核場所［4］，加速C3S的水化，當摻合料在合理范圍內(nèi)時，以上作用可以抵消或減弱因膠凝材料活性降低帶來的強度值降低問題，一旦摻量過大，膠凝材料整體活性不足，膠粘性能降低，從而導(dǎo)致混凝土強度的急劇下降。

3 結(jié)語

(1)鐵尾礦微粉對于混凝土和易性和28d強度的影響與粉煤灰相當，可以替代粉煤灰作為混凝土礦物摻合料。

(2)制備鐵尾礦微粉復(fù)合礦物摻合料粉煤灰與礦渣粉的比例宜在5:5至6:4，混凝土技術(shù)性能與摻加同比例粉煤灰相當。

(3)鐵尾礦微粉復(fù)合摻合料摻量建議不超過40%，如果摻加比例增大，需要降低水膠比并考慮應(yīng)用結(jié)構(gòu)和環(huán)境。

［1］ 劉娟紅，宋少民.綠色高性能混凝土技術(shù)與工程應(yīng)用［M］.中國電力出版社，2011

［2］ 陳虎，沈衛(wèi)國，單來，等.國內(nèi)外鐵尾礦排放及綜合利用狀況探討［J］.混凝土，2012(2):88-92.

［3］ 郭敏，盧業(yè)授，賈志紅，等.我國大宗尾礦廢石資源化對策研究［J］.中國礦業(yè)，2009(4):35-37.

［4］ 周金鐘，鄭廣軍，劉勇彰.石灰石粉在普通混凝土中的應(yīng)用研究［J］.建筑節(jié)能，2009(6):31-34.