不同取代類型鐵尾礦混凝土抗壓性能試驗(yàn)研究

李　濤,黨　斌

(1.商洛學(xué)院陜西省尾礦資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西商洛　726000；2.商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛　726000)

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不同取代類型鐵尾礦混凝土抗壓性能試驗(yàn)研究

李濤1,2,黨斌2

(1.商洛學(xué)院陜西省尾礦資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西商洛726000；2.商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛726000)

摘要：為了合理地二次利用鐵尾礦，設(shè)置了2種不同的取代工況，即利用磨碎的粉狀鐵尾礦取代水泥和利用鐵尾礦砂取代細(xì)骨料，研究了不同取代率下鐵尾礦混凝土的工作性能與抗壓性能(3，7，28 d，棱柱體)。試驗(yàn)結(jié)果表明，適量的水泥取代率能夠使混凝土的流動(dòng)性能變強(qiáng)，使其各指標(biāo)抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)降低，齡期越大，降低幅度越??；細(xì)骨料取代工況下，混凝土的流動(dòng)性能變差，摻量越高，流動(dòng)性能損失越大，混凝土抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加有先升高后降低的趨勢(shì)；摻量為50%時(shí)，能獲得較好的抗壓性能。2種工況對(duì)棱柱體與立方體的抗壓強(qiáng)度比值α1的影響大致相同，α1的取值為0.80～0.84。

關(guān)鍵詞：復(fù)合建筑材料；鐵尾礦混凝土；工作性能；破壞特征；抗壓強(qiáng)度

隨著工業(yè)與國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的利用量與日俱增。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國95%的能源以及85%的原材料均依賴于礦產(chǎn)資源[1]，這必然會(huì)導(dǎo)致礦產(chǎn)資源的過度開采，造成此過程中的必然產(chǎn)物尾礦的迅速堆積。據(jù)《中國資源綜合利用年度報(bào)告(2014)》，截至2013年底，中國的尾礦堆存量已高達(dá)146億t，尾礦年產(chǎn)量16.49億t，其中鐵尾礦的占有量高達(dá)50.88%。

改變粗放型的生產(chǎn)方式，變廢為寶，充分發(fā)揮鐵尾礦“二次資源”的特性[2]，已成為礦業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[3]。鐵尾礦重選[4]、鐵尾礦回填[5]、鐵尾礦砌塊[6]、保溫材料[7]等發(fā)展已相對(duì)比較成熟，而有關(guān)將鐵尾礦摻入到混凝土中制備尾礦混凝土的研究相對(duì)還少，陳杏婕等[8]、陳夢(mèng)義等[9]、崔孝煒[10]均進(jìn)行了相關(guān)研究。

文中利用取代率的2種不同工況(取代水泥、取代細(xì)骨料)，研究在不同取代率下鐵尾礦混凝土的流動(dòng)性能及抗壓性能，旨在為鐵尾礦混凝土工程的實(shí)際運(yùn)用打下理論基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)原材料

選用丹鳳某水泥廠生產(chǎn)的PO42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥；商洛某石場(chǎng)生產(chǎn)的人工碎石，粒徑為5～31.5 mm，連續(xù)級(jí)配；細(xì)集料選用天然河砂與陜西柞水大峪山鐵尾礦。鐵尾礦的主要化學(xué)組成見表1，通過篩分試驗(yàn)，其粒度分布見表2。細(xì)集料級(jí)配良好，所選用的粗、細(xì)骨料均符合《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52-2006)要求。

表1　鐵尾礦的主要化學(xué)成分組成

表2　試驗(yàn)用天然河砂與鐵尾礦砂的粒度分布

2配合比設(shè)計(jì)

鐵尾礦中SiO2的含量大于70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，屬于富硅型鐵尾礦。試驗(yàn)設(shè)計(jì)2種不同的方案：一種是利用鐵尾礦中SiO2的活性，增大鐵尾礦的表面積，即將其用球磨機(jī)粉磨后，取直徑小于0.08 mm為目標(biāo)產(chǎn)物取代水泥；另一種是經(jīng)篩分后，直接取代細(xì)骨料，研究不同的取代率對(duì)混凝土工作性能和3，7，28 d立方體抗壓強(qiáng)度與棱柱體抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)，采用的水膠比為0.38，砂率為0.4，鐵尾礦取代率均為質(zhì)量比，其工況組合與配合比設(shè)計(jì)如表3所示。

表3　鐵尾礦混凝土工況組合及配合比設(shè)計(jì)

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

混凝土各部分經(jīng)準(zhǔn)確稱量后，按粗骨料、水泥、細(xì)骨料、水的順序人工攪拌，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型，并在混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)箱中養(yǎng)護(hù)至所需的齡期進(jìn)行試驗(yàn)。每種工況制作試塊4組，其中3組試塊為100 mm×100 mm×100 mm，1組試塊為150 mm×150 mm×300 mm，分別用來測(cè)定3，7，28 d立方體抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)棱柱體抗壓強(qiáng)度，立方體抗壓強(qiáng)度采用換算系數(shù)0.95。嚴(yán)格按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行加載與測(cè)定，加載速率控制為0.3～0.5 MPa/s。

3.1工作性能

依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50080—2002)，坍落度與擴(kuò)展度是表征混凝土工作性能的重要指標(biāo)。但試驗(yàn)過程中，坍落度小于220 mm，因此，文中僅取坍落度來衡量鐵尾礦混凝土的工作性能，其與鐵尾礦的取代率的關(guān)系見表4與圖1。

表4　鐵尾礦不同取代率混凝土坍落度值

圖1　鐵尾礦不同取代率混凝土坍落度變化Fig.1　Iron tailings with different substitution 　　　rate variation of concrete slump

由表4及圖1可知，鐵尾礦取代水泥時(shí)，當(dāng)取代率逐漸增大到45%時(shí)，坍落度增加最大，僅為6.5%；當(dāng)取代率由45%增大到60%，坍落度反倒出現(xiàn)了相反的變化。究其原因，與混凝土的粘聚性有關(guān)，而混凝土的粘聚性主要由膠凝材料來決定。利用鐵尾礦取代水泥，雖說鐵尾礦具有一定的活性，但各項(xiàng)研究均表明，此活性需要堿性環(huán)境去激發(fā)[11-12]。因此，混凝土拌合完成后，其活性尚未被激發(fā)，因其為等量的取代水泥，致使水泥水化產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)相對(duì)較少，在一定程度上會(huì)減小混凝土的粘聚性，使其坍落度變大。如果取代率再變大(取代率由45%到60%)，則導(dǎo)致膠凝物質(zhì)過少，保水性變差，使混凝土出現(xiàn)離析分層現(xiàn)象，使坍落度變小。

由表4與圖1可知，鐵尾礦取代細(xì)骨料時(shí)，隨著取代率的增加，其坍落度呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)，但下降幅度不大。與普通混凝土相比，當(dāng)取代率增加到100%時(shí)，其坍落度僅下降了8.7%。其原因是，鐵尾礦粒徑較細(xì)，相對(duì)應(yīng)的比表面積大，需水量變大。當(dāng)混凝土的水膠比不變時(shí)，實(shí)際上相對(duì)于鐵尾礦混凝土的粘聚性增強(qiáng)，且摻量越高，增強(qiáng)的效果就越明顯。

3.2破壞形態(tài)

試驗(yàn)過程中，控制加載速率為0.3～0.5 MPa/s，并維持基本恒定。試驗(yàn)過程中，各組試塊的破壞規(guī)律大致相同，隨著荷載的逐步增大，上、下兩個(gè)底部的側(cè)邊緣基本對(duì)稱位置處首先開裂，并伴隨有開裂的“噼啪”聲，繼而裂縫向中心斜向發(fā)展，大致形成漏斗狀而劈裂破壞。但水泥取代率工況下，混凝土呈現(xiàn)出脆性破壞的特點(diǎn)：裂縫一旦出現(xiàn)，就迅速開展；最終破壞時(shí)，裂縫出現(xiàn)的個(gè)數(shù)與主裂縫的寬度均比較大，脫落的破碎混凝土塊要比細(xì)骨料取代率工況下的多，如圖2所示。

圖2　試塊典型破壞形態(tài)Fig.2　Typical failure pattern of test block

3.3抗壓力學(xué)性能

按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[13]，由YES-2000液壓機(jī)對(duì)達(dá)到齡期的混凝土進(jìn)行加載，可得到不同取代率作用下的抗壓強(qiáng)度值，如表5所示。

表5　鐵尾礦混凝土抗壓力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖3為各量值間的關(guān)系圖。

圖3　水泥取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的影響Fig.3　Effect of cement replacement 　　　rate on compressive strength

由表5與圖3可以看出，在相同齡期下，隨著水泥取代率的增加，抗壓強(qiáng)度指標(biāo)均出現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，但各水平下混凝土抗壓強(qiáng)度下降的幅度不同。以0水泥取代率(NC)的混凝土為基準(zhǔn)混凝土，當(dāng)摻量由0增加到60%時(shí)，3，7，28 d，棱柱體的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)分別下降32.1%，21.6%，9.8%和9.1%。由此可見，鐵尾礦粉等量的取代水泥，致使其中早期的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)下降較大，而后期強(qiáng)度下降的幅度會(huì)逐漸變小。究其原因，一方面由于鐵尾礦的取代，中早期時(shí)生成的C-S-H凝膠有限，這是強(qiáng)度降低的直接原因；另一方面因中早期水泥水化形成的堿性環(huán)境相對(duì)有限，鐵尾礦的活性尚未被激發(fā)，隨著水化程度的逐步增加，堿性環(huán)境形成，鐵尾礦的活性使后期的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)一定程度的恢復(fù)。

圖4為細(xì)骨料取代率與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，可以看出，細(xì)骨料取代率對(duì)各水平下抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律大致相同：當(dāng)取代率較低(≤50%)時(shí)，各抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)增加；隨著摻量的再降低，反倒出現(xiàn)了不同程度的降低，但變化幅度均不大。以細(xì)骨料取代率為0(NC)為基準(zhǔn)混凝土，當(dāng)取代率由0增加到50%時(shí)，3，7，28 d、棱柱體的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)分別增加11.8%，12.5%，3.5%，7.6%；當(dāng)增加到100%時(shí)，相對(duì)最大值分別又下降了13.1%，11.4%，5.0%，6.6%，但與取代率為0時(shí)的強(qiáng)度相差不大。究其原因，鐵尾礦的粒徑較小，當(dāng)摻量較少時(shí)，小粒徑的鐵尾礦可以填充普通細(xì)骨料的空隙，增大水泥石的密實(shí)度，使混凝土的抗壓強(qiáng)度有所提高；當(dāng)摻量大于50%時(shí)，鐵尾礦占據(jù)了細(xì)骨料的大部分，其粒徑界于普通細(xì)骨料與磨細(xì)的鐵尾礦之間，使細(xì)骨料的總表面積變大，需水量變大，但其活性尚未被完全激發(fā)，因此，摻量增加又使其各水平的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)降低。

圖4　細(xì)骨料取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的影響Fig.4　Effect of replacement rate of fine aggregate 　　　on compressive strength

3.4同齡期軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

在實(shí)際工程中，所用受壓構(gòu)件的高度通常大于邊長(zhǎng)，因此考慮到混凝土的尺寸效應(yīng)，棱柱體的試件更能反映混凝土的實(shí)際抗壓能力[14]。采用普通混凝土理論分析方法[15-16]，用α1表示28 d棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值，其結(jié)果如表6及圖5所示。

表6　鐵尾礦不同取代率混凝土α1值

圖5　鐵尾礦混凝土不同取代率α1值趨勢(shì)圖Fig.5　Trend chart of α1 values with different 　　　substitution rate of iron tailings concrete

由圖5可知，2種不同取代工況對(duì)α1值的影響大致相同，適量的取代使α1值變大，再增加取代率，α1值則會(huì)下降。究其原因，鐵尾礦具有活性，適量的取代率能夠使水泥水化與鐵尾礦的活性相互促進(jìn)，體積大者(棱柱體)堿性強(qiáng)，活性被激發(fā)，促使水泥水化的程度就高；取代率太低，鐵尾礦的活性能力有限；取代率太高，水泥水化所形成的堿性環(huán)境太差，都不能使兩者很好的發(fā)揮各自的特性。細(xì)骨料取代工況下，因活性的促進(jìn)作用與較細(xì)的鐵尾礦的填充作用，能夠使水泥石更加密實(shí)，也就使體積的差異對(duì)強(qiáng)度的影響略為變大。因此，由圖5可以看出，細(xì)骨料取代工況要較水泥取代工況的比值大，但整體的比值集中在0.80～0.84之間，也可以按照普通混凝土(≤C50)的0.80來取值，且安全系數(shù)相對(duì)較高。

4結(jié)論

本文分別對(duì)磨細(xì)的鐵尾礦取代水泥與普通鐵尾礦取代細(xì)骨料2種類型的工況進(jìn)行了試驗(yàn)，分別對(duì)其工作性能與各水平下的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究，其結(jié)論如下。

1)水泥取代工況下，適量的取代使鐵尾礦混凝土的流動(dòng)性能要比普通混凝土的好(≤45%)；但隨著取代率的再增加，出現(xiàn)了輕微的離析分層現(xiàn)象，使其流動(dòng)性能又出現(xiàn)降低，但均要高于基準(zhǔn)混凝土(NC)。細(xì)骨料取代工況下，隨著取代率的增加，其流動(dòng)性能持續(xù)降低，但降低的幅度不同：取代率較低(≤50%)，降低較為緩慢，取代率再增加，降低的速率較快。

2)2種不同取代工況下的破壞形態(tài)相似，破壞類型相同。但水泥取代工況下，混凝土的脆性增強(qiáng)，開裂較早，裂縫開展較快，裂縫出現(xiàn)的條數(shù)較多，最終破壞時(shí)破碎的混凝土顆粒較多。

3)水泥取代工況下，隨著水泥取代率的增加，各水平下的抗壓強(qiáng)度(3，7，28 d、棱柱體)均出現(xiàn)不同程度的降低，但齡期越高，磨細(xì)的鐵尾礦活性被激發(fā)，使降低的幅度變?。患?xì)骨料取代工況下，對(duì)各齡期的影響不大，影響規(guī)律大致相似，摻量較低(≤50%)時(shí)，使其各水平抗壓強(qiáng)度均有所提高，但摻量較高(>50%)時(shí)，又出現(xiàn)了降低。

4)2種取代工況對(duì)28 d棱柱體抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值α1的影響規(guī)律相似，使α1的值集中在0.80～0.84之間?？紤]到混凝土的離散性，可以參照普通混凝土的α1取值(0.80)

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Experimental study on the compressive strength of iron tailings concrete with different replacement types

LI Tao1,2, DANG Bin2

(1. Shaanxi Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Tailings Resources, Shangluo University, Shangluo, Shaanxi 726000, China; 2.College of Urban, Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo, Shaanxi 726000, China)

Abstract:In order to reuse iron tailings reasonably, by designing two different replacement conditions, using powdered iron tailings to replace cement and using iron tailings sand to replace fine aggregate, the working properties and compressive strength (3, 7, 28 d, prism) of the iron tailings concrete under different replacement rate are studied. The experimental result shows that appropriate cement replacement rate can improve the flow performance of the concrete, and the compressive strength of each index decreases-the later the age, the lower the decrease. Under the fine aggregate substitution condition, the flow performance becomes poor-the higher the amount, the bigger the loss. The compressive strength of the concrete increases first and then decreases with the increasing amount of the fine aggregate. When the adding amount is 50%, better compressive strength can be obtained. The influence of the two replacement conditions on α1, the ratio of compressive strength between the prism and the cube, are roughly the same, and the α1value range is 0.80～0.84.

Keywords:composite building materials; iron tailings concrete; working performance; damage characteristics; compressive strength

文章編號(hào)：1008-1534(2016)03-0240-06

收稿日期：2016-01-18;修回日期：2016-03-16；責(zé)任編輯：馮民

基金項(xiàng)目：陜西省尾礦資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2014SKY-WK014)；商洛學(xué)院科研基金(2014SKY-013)

作者簡(jiǎn)介：李濤(1986—)，男，河南南陽人，講師，碩士研究生，主要從事建筑材料方面的研究。E-mail:litao623114@126.com

中圖分類號(hào)：TU502

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03011

李濤,黨斌.不同取代類型鐵尾礦混凝土抗壓性能試驗(yàn)研究[J].河北工業(yè)科技,2016,33(3):240-245.

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