鐵尾礦砂應(yīng)用于混凝土的可行性研究*

朱志剛　李北星　周明凱　劉錦成

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　武漢　430070)

鐵尾礦砂應(yīng)用于混凝土的可行性研究*

朱志剛李北星周明凱劉錦成

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢430070)

摘要：為研究鐵尾礦利用效率、價(jià)值及安全性，對(duì)比了石英砂、河砂、北京密云鐵尾礦砂、河北遷安鐵尾礦砂作為細(xì)骨料制備砂漿與UHPC的性能.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2種尾礦砂物化性能均符合我國(guó)《建筑用砂》(GB/T14684-2011)標(biāo)準(zhǔn)；原始級(jí)配的兩種尾礦砂制備出的標(biāo)準(zhǔn)砂漿強(qiáng)度低于河砂砂漿，除去-0.15 mm部分的尾礦砂制備出的UHPC強(qiáng)度略低于石英砂UHPC，但遠(yuǎn)高于河砂UHPC，證明尾礦砂可作為細(xì)骨料應(yīng)用于混凝土中.

關(guān)鍵詞：尾礦砂；砂漿；UHPC；強(qiáng)度

0引言

尾礦砂是選礦后產(chǎn)生的廢棄物，2010年我國(guó)鐵尾礦的堆積量已接近50億t，占全國(guó)尾礦總量的1/2[1-2].尾礦占用大量土地并會(huì)造成周邊環(huán)境的重金屬污染[3-5]，已變成一種亟待解決的礦產(chǎn)資源.目前，鐵尾礦已被廣泛應(yīng)用于建筑材料，如耐火材料、多孔保溫材料，水泥混凝土骨料、陶瓷及微晶玻璃等[6-7].

李曉光等[8]研究了鐵尾礦水泥砂漿的力學(xué)性能及孔結(jié)構(gòu)特征，倪文等[9-12]做了大量鐵尾礦砂作為細(xì)骨或者粉磨至一定細(xì)度作礦物摻合料料制備混凝土的研究，但是均是直接從宏觀強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，并未詳細(xì)的研究尾礦砂的物化性能、其是符合建筑用砂標(biāo)準(zhǔn)等.

實(shí)驗(yàn)物化性能方面系統(tǒng)研究了2種尾礦砂是否符合我國(guó)《建筑用砂》(GB/T14684-2011)標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)比與河砂制備標(biāo)準(zhǔn)砂漿的強(qiáng)度，并進(jìn)一步對(duì)比與河砂、石英砂制備超高強(qiáng)混凝土(UHPC)的性能，為尾礦砂作為骨料進(jìn)行工程應(yīng)用提供了較為全面的理論依據(jù).

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

1) 采用華新52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能見表1，其化學(xué)成分見表2.由水泥物理性能檢測(cè)結(jié)果來看，所用水泥的基本性能均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)的指標(biāo).

表1　水泥基本物理性能

表2　水泥化學(xué)成分　%

2) 礦物摻合料使用的是黃石某廠生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰，密度為2.36 g·cm-3，比表面積為7 200 cm2·g-1，需水量比為93%；微珠為深圳同成新材料科技有限公司的灰白色微珠，主要粒度分布為0.1～5 μm，自然狀態(tài)表觀密度為0.67 g·cm-3；硅灰為某廠提供的灰白色硅灰，比表面積為22.4 cm2·g-1，平均粒徑為0.2 μm，需水比為113%左右,化學(xué)成分見表3.

表3　粉煤灰的化學(xué)成分組成　%

3) 砂分別為標(biāo)準(zhǔn)石英砂(ISO)，北京密云鐵尾礦砂、河北遷安鐵尾礦砂與河砂.水為武漢自來水.聚羧酸系高效減水劑，減水率30%左右.

1.2成型方式與養(yǎng)護(hù)條件

1) 按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法》(GB17671-1999)測(cè)試方法，水膠質(zhì)量比0.5，膠砂質(zhì)量比1∶3，制備成40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，成型室溫度應(yīng)保持在(20±2) ℃，相對(duì)濕度應(yīng)不低于50%，試件拆模后放入溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度應(yīng)不低于90%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至一定齡期進(jìn)行測(cè)試.UHPC配合比見表4.

表4　UHPC配合比

2) 將UHPC置于100 mm×100 mm×100 mm，100 mm×100 mm×400 mm模具中成型，成型室溫度應(yīng)保持在(20±2) ℃，相對(duì)濕度應(yīng)不低于50%，1 d后拆模然后置于常溫水中加熱至90 ℃養(yǎng)護(hù)48 h(升溫速度≤15 ℃/h)，然后將試塊放入溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度應(yīng)不低于90%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至一定齡期進(jìn)行測(cè)試.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1鐵尾礦砂的化學(xué)成分

對(duì)鐵尾礦砂的化學(xué)成分與礦物成分進(jìn)行了分析，結(jié)果見表5與表6.由表5可見，2種尾礦砂的化學(xué)成分接近，SiO2的含量均在65%以上，屬于富硅鐵尾礦.由表6可見，鐵尾礦砂的主要礦物是石英巖或花崗巖類礦石.由表7可見，所選的2種尾礦的有害物質(zhì)均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，壓碎值與放射性也是合格，并且無堿集料反應(yīng).

表5　2種尾礦砂的化學(xué)成分　%

表6　2種砂的礦物成分

表7　尾礦骨料性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果　%

2.2鐵尾礦砂的物理性質(zhì)

圖1為北京密云、河北遷安鐵尾礦砂與河砂級(jí)配曲線圖，它們的細(xì)度模數(shù)分別為2.08，2.34與2.96，說明密云鐵尾礦砂為細(xì)沙，河北遷安鐵尾礦砂與河砂均為中砂.

圖1　3種砂級(jí)配曲線圖

由圖1可見，尾礦砂的粒徑分布小于河砂，尾礦砂的粒徑主要集中分布在0.15～1.18 mm范圍內(nèi)，而河砂的分布在各個(gè)區(qū)間雖然也有差異但相對(duì)而言較為平均，且在這個(gè)范圍區(qū)間內(nèi)的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為51%，而2種鐵尾礦由于破碎機(jī)破碎與再篩選的緣故導(dǎo)致其顆粒分布出現(xiàn)“中間大，兩頭小”的現(xiàn)象，在此范圍區(qū)間內(nèi)顆粒的質(zhì)量分布在75%左右，也許在制備標(biāo)準(zhǔn)膠砂時(shí)尾礦砂作為骨料的級(jí)配不是很好，但是其這種粒徑分布較小的特點(diǎn)為其作為細(xì)骨料制備UHPC卻會(huì)保證更大的利用效率.

表8為北京密云、河北遷安鐵尾礦砂與河砂的基本物理性質(zhì).從表觀密度與緊堆密度來看，河砂的表觀密度最小，2種尾礦砂接近，緊堆密度是河砂最大，其次是遷安尾礦砂，最松散的為密云尾礦砂，結(jié)合其細(xì)度模數(shù)來分析，可見在0～4.75 mm范圍內(nèi)河砂的連續(xù)級(jí)配分布最為合理，這點(diǎn)從緊堆空隙率也得到證明；從其作為骨料的“骨架”作用來看，河砂的壓碎值與堅(jiān)固性數(shù)值均最小，說明其顆粒平均強(qiáng)度更高且具有更好的穩(wěn)定性質(zhì)；吸水率方面，河砂最低，密云鐵尾礦砂最高，這是由它們自身的顆粒表面所致，河砂是受水泥長(zhǎng)期沖刷而成，表面圓滑且棱角較少，而鐵尾礦砂是經(jīng)過破碎機(jī)破碎所得，形貌變化多樣且棱角較多，從圖2對(duì)比可見，河砂表面干凈整潔，而尾礦砂則模糊不清且大多為帶棱角顆粒.

表8　3種砂的物理力學(xué)性質(zhì)

圖2　鐵尾礦砂與河砂的外觀形貌

從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)果可得出，原始級(jí)配的尾礦砂在堆積密度、堅(jiān)固性等多數(shù)指標(biāo)不如河砂，但是其化學(xué)性質(zhì)與物理性能均符合我國(guó)《建筑用砂》(GB/T14684-2011)標(biāo)準(zhǔn)，說明在理論上其是可以作為骨料制備混凝土.

2.3鐵尾礦砂制備標(biāo)準(zhǔn)膠砂

試驗(yàn)使用兩種鐵尾礦砂與河砂做為骨料按照標(biāo)準(zhǔn)制備標(biāo)準(zhǔn)砂漿對(duì)比其影響.

按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法》(GB17671-1999)測(cè)試方法，水膠比0.5，膠砂比1∶3，制備成40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，成型室溫度應(yīng)保持在(20±2) ℃，相對(duì)濕度應(yīng)不低于50%，試件拆模后放入溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度應(yīng)不低于90%的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至一定齡期進(jìn)行測(cè)試.

圖3為利用北京密云鐵尾礦砂、河北遷安鐵尾礦砂及河砂作為骨料按照標(biāo)準(zhǔn)砂漿的制作方法制備出的砂漿強(qiáng)度對(duì)比圖.

圖3　3種砂制備標(biāo)準(zhǔn)砂漿的強(qiáng)度

由圖3a)可見，3 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，北京密云鐵尾礦砂制備出的砂漿抗壓強(qiáng)度最低為27.7 MPa，其次是遷安尾礦制備出的砂漿抗壓強(qiáng)度為30.1 MPa，比強(qiáng)度最高的河砂砂漿強(qiáng)度僅僅低了0.4 MPa.28 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)三者強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果與3d強(qiáng)度增長(zhǎng)速度一致，密云尾礦、遷安尾礦與河砂三者制備出的砂漿抗壓強(qiáng)度分別為41.8，44.1與46.3 MPa，遷安尾礦砂漿的強(qiáng)度也僅僅比河砂砂漿強(qiáng)度低2.2 MPa.

由圖3b)可見，3 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，北京密云尾礦砂砂漿的抗折強(qiáng)度最低，但是遷安尾礦砂漿的抗折強(qiáng)度還略高于河砂砂漿，這是因?yàn)樵谡駬v成型中難免會(huì)引起各材料在砂漿中的分布不均勻，而3 d時(shí)抗壓強(qiáng)度兩者本來就非要接近，導(dǎo)致尾礦砂的強(qiáng)度高于河砂砂漿.28 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，抗折強(qiáng)度的對(duì)比結(jié)果與抗壓結(jié)果一致.

從試驗(yàn)前面3種砂性能對(duì)比可知，河砂作為細(xì)骨料的其自身的強(qiáng)度與穩(wěn)定性高于尾礦砂，同時(shí)其緊堆密度也大于尾礦砂，河砂表面“圓滑”且干凈，眾所周知，骨料與膠凝材料之間的界面過渡區(qū)是混凝土中的強(qiáng)度最薄弱環(huán)節(jié)，尾礦砂棱角較多，表觀密度較大，含有更多0.15 mm以下的微小顆粒，在混凝土中會(huì)產(chǎn)生更大面積的界面過渡區(qū)，這些因素都會(huì)降低混凝土的致密性與強(qiáng)度.原始級(jí)配的密云尾礦砂在性能上明顯要差于另外兩種砂，但制備出的砂漿強(qiáng)度差別也不是特別大.遷安尾礦性能比較接近河砂并且從制備砂漿的結(jié)果來看，兩者基本上相同，所以利用尾礦砂作為骨料制備砂漿是完全可行的.

2.4鐵尾礦砂制備無纖維UHPC

試驗(yàn)前期已得出尾礦砂作為骨料制備砂漿是可行的，為進(jìn)一步證明尾礦作為骨料的品質(zhì)與普遍的適應(yīng)性，充分利用其顆粒粒度較細(xì)的特點(diǎn)，預(yù)將鐵尾礦砂作為骨料替代石英砂或者河砂制備UHPC，由于前期工作結(jié)果已得出原級(jí)配的尾礦砂0.15 mm以下顆粒較多，并且顆粒表面附著大量的粉塵顆粒，尾礦砂可視為一種機(jī)制砂其級(jí)配容易人工控制，作者在制備UHPC之前對(duì)尾礦砂進(jìn)行了清洗選取0.15 mm以上顆粒，石英砂的級(jí)配按照洗后密云尾礦的級(jí)配人工復(fù)配.

圖4是利用石英砂、密云尾礦砂、遷安尾礦砂與河砂制備UHPC的強(qiáng)度結(jié)果.不論是抗壓強(qiáng)度還是抗折強(qiáng)度，它們都呈現(xiàn)相同的對(duì)比結(jié)果：石英砂制備出的UHPC強(qiáng)度最高，其次是遷安尾礦砂、再其次是密云尾礦砂，強(qiáng)度最低的反而是河砂制備出的UHPC.這主要是UHPC作為一種超高強(qiáng)混凝土，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)很密實(shí)，并且其普遍選用+0.3 mm的石英砂作為骨料，一是可以削弱因?yàn)楣橇吓c膠凝材料之間的界面過渡區(qū)帶來的負(fù)面影響；另一方面就是可以避免泥粉引起混凝土的結(jié)構(gòu)破壞.

圖4　4種砂制備UHPC

對(duì)比3 d與28 d抗壓強(qiáng)度，可以看出不論是何種骨料制備UHPC，其28 d強(qiáng)度比3 d強(qiáng)度出現(xiàn)了倒縮現(xiàn)象.這是因?yàn)椴捎?0 ℃熱水養(yǎng)護(hù)，高溫養(yǎng)護(hù)會(huì)加速膠凝材料的水化，促使其早期強(qiáng)度明顯的升高，但同時(shí)熱水養(yǎng)護(hù)會(huì)導(dǎo)致水化產(chǎn)物分布不均或是水化產(chǎn)物集中，水化產(chǎn)物分布低的部位成為混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，水化產(chǎn)物高的區(qū)域包裹在水泥粒子的周圍，妨礙水化產(chǎn)物的進(jìn)行，從而減少水化產(chǎn)物的摻量.同時(shí)混凝土內(nèi)外部溫度差異產(chǎn)生的溫度梯度引起內(nèi)部應(yīng)力，促使混凝土內(nèi)部的氣體通過連通孔往溫度低的外部流出，孔結(jié)構(gòu)的破壞從而導(dǎo)致后期強(qiáng)度的倒縮.

從4種砂制備UHPC的結(jié)果來看，除去石粉與泥粉的尾礦砂作為骨料制備UHPC的強(qiáng)度均高于河砂，雖然低于石英砂但是差距較小.結(jié)果證明尾礦砂是可以作為骨料制備UHPC.尾礦砂也可視為一種機(jī)制砂，在篩選過后容易經(jīng)過人工控制來調(diào)整其粒徑分布，其經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)超河砂與石英砂，這為其作為細(xì)骨料制備超高強(qiáng)混凝土提供了更好的選擇性與可行性.

3結(jié)論

1) 選用的原始級(jí)配北京密云鐵尾礦砂與河北遷安鐵尾礦砂的化學(xué)成分、物理性質(zhì)均符合我國(guó)《建筑用砂》GB/T14684-2011標(biāo)準(zhǔn)，它們的細(xì)度模數(shù)分別為2.08、2.34，屬于中砂.

2) 利用兩種尾礦砂與河砂制備標(biāo)準(zhǔn)砂漿，由于尾礦砂顆粒棱角多、-0.15 mm顆粒多等原因，導(dǎo)致尾礦砂漿3 d、28 d強(qiáng)度均低于河砂砂漿，但自身強(qiáng)度較高的遷安尾礦砂漿28 d抗壓強(qiáng)度僅比河砂低2.2 MPa.

3) 選取+0.15 mm尾礦砂對(duì)比用石英砂及河砂制備UHPC，石英砂制備出的UHPC強(qiáng)度最高，其次是遷安尾礦砂、再其次是密云尾礦砂，強(qiáng)度最低的反而是河砂制備出的UHPC.可見控制尾礦的石粉與含泥量是保證其應(yīng)用于混凝土的有效手段.

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The Feasibility Study of Concrete with Iron Ore Tailings

ZHU ZhigangLI BeixingZHOU MingkaiLIU Jincheng

(StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Abstract：To investigate the utilization efficiency, value and safety of iron ore tailings, the performances of mortar and UHPC with two different kinds of iron ore tailings, river sand and quartz sand as fine aggregate are compared. The experimental results show that the properties of the two kinds of iron ore tailings both conform to the building sand GB/T14684-2011 standard of China. The strength of mortar prepared by the two kinds of iron ore tailings based on the original grading is lower than that prepared by river sand. However, when the -0.15 mm part of iron ore tailings is removed, the strength of UHPC with iron ore tailings is slightly lower than that of UHPC with quartz sand, but far higher than that of river sand, proving that the iron ore tailings can be used as fine aggregate in concrete.

Key words：iron ore tailings; mortars; UHPC; strength

收稿日期：2016-04-10

中圖法分類號(hào)：X753

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.007

朱志剛(1987- )：男，博士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榛炷?/p>

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51372185)