石灰摻量對(duì)鐵尾礦蒸壓混凝土性能的影響

董越，楊志強(qiáng)，2，高謙*，丁向群，楊曉柄，李立濤，肖柏林

1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；

2.金川集團(tuán)股份有限公司鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅金昌737100；

3.沈陽(yáng)建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110168

石灰摻量對(duì)鐵尾礦蒸壓混凝土性能的影響

董越1，楊志強(qiáng)1，2，高謙1*，丁向群3，楊曉柄1，李立濤1，肖柏林1

1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；

2.金川集團(tuán)股份有限公司鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅金昌737100；

3.沈陽(yáng)建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110168

通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)不同配比的鐵尾礦蒸壓混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行極差分析，在得到較優(yōu)配比的前提下，通過(guò)改變石灰摻量研究石灰摻量對(duì)鐵尾礦蒸壓混凝土的力學(xué)性能和抗凍性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：蒸養(yǎng)條件提高了鐵尾礦的活性；在蒸養(yǎng)條件下，石灰摻量對(duì)鐵尾礦蒸壓混凝土的抗壓強(qiáng)度有顯著影響，隨著石灰摻量的增加，其強(qiáng)度先升高后降低，石灰摻量為60%時(shí)取得最高強(qiáng)度值；石灰摻量對(duì)鐵尾礦蒸壓混凝土的抗凍性也有顯著影響，隨著石灰摻量的增加，其質(zhì)量損失、強(qiáng)度損失均先升高后降低，60%石灰摻量試樣的抗凍性最差，50%石灰摻量試樣的抗凍性最好；在蒸養(yǎng)條件下，不同石灰摻量鐵尾礦蒸壓混凝土的主要水化產(chǎn)物為托勃莫來(lái)石、C-S-H和硬硅鈣石，但含量和結(jié)晶程度差異較大；50%石灰摻量試樣中存在結(jié)晶程度較好的托勃莫來(lái)石適量的穿插在C-S-H的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，試樣抗凍性最好.

蒸養(yǎng)；鐵尾礦；石灰摻量；力學(xué)性能；抗凍性能；混凝土

1 引言

隨著各國(guó)節(jié)能減排相關(guān)政策的推行以及人們自身環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，我國(guó)礦山生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量工業(yè)廢棄物的開(kāi)發(fā)利用已成為重要的研究方向，尤其是金屬尾礦的開(kāi)發(fā)利用顯得更為迫切.由于金屬尾礦的主要成分為石英，因此理論上可作為混凝土摻合料或骨料［1］.因此，利用金屬尾礦制備混凝土不僅可以減少金屬尾礦的堆存，還可以降低混凝土生產(chǎn)成本［2-4］，達(dá)到真正意義上節(jié)能減排的目的.

鐵尾礦蒸壓混凝土是以鐵尾礦、石灰、水泥、石膏以及其他少量外加劑為原料，經(jīng)粉料的混合、漿料的攪拌澆筑、蒸壓養(yǎng)護(hù)等工藝過(guò)程制成的實(shí)心混凝土.鐵尾礦蒸壓混凝土是以工業(yè)廢料鐵尾礦為主要原料，以此來(lái)代替砂和部分水泥，是節(jié)能、節(jié)土、廢物利用的新型綠色建筑材料.特別是在民用住宅中，鐵尾礦蒸壓混凝土在隔墻、隔斷等墻體材料方面有著其他建筑材料所不可替代的優(yōu)勢(shì).

鐵尾礦蒸壓混凝土的抗凍性是衡量其耐久性的重要指標(biāo)之一，對(duì)材料的實(shí)用性、可行性等有著重要的指導(dǎo)意義.本實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變石灰摻量，對(duì)不同石灰摻量下的鐵尾礦蒸壓混凝土進(jìn)行強(qiáng)度、吸水率的測(cè)量以及凍融條件下的質(zhì)量損失、強(qiáng)度損失的測(cè)量，并結(jié)合微觀分析，研究了石灰摻量對(duì)鐵尾礦蒸壓混凝土力學(xué)性能和抗凍性的影響.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原材料

鐵尾礦：選自遼寧本溪，化學(xué)組成如表1所示，經(jīng)含水量測(cè)定，其含水率為4.63%；水泥：冀東P·O42.5水泥；石灰：生石灰，市售，氧化鈣含量≥75%；石膏：二水石膏，市售；減水劑：聚羧酸減水劑，減水率＞30%.

表1 鐵尾礦的化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Tab.1Chemical compositions of the iron ore tailings（mass fraction/%）

2.2 研究方法

實(shí)驗(yàn)參照GB50107—2010混凝土強(qiáng)度檢測(cè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行.

將鐵尾礦、石灰、水泥、石膏等粉料分別磨細(xì)至適當(dāng)細(xì)度并進(jìn)行充分混合，按照0.45的水料比加水?dāng)嚢璨仓?00 mm×100 mm×100 mm的模具中，靜停后將試樣進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)，采用RGM-100A試驗(yàn)機(jī)測(cè)量不同石灰摻量試樣的3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度；通過(guò)試樣質(zhì)量的稱量，計(jì)算其吸水率；通過(guò)凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量并計(jì)算其質(zhì)量損失和抗壓強(qiáng)度損失，用以分析石灰摻量對(duì)試樣力學(xué)性能的影響.并利用Ultima IV多功能X射線衍射儀（XRD）分析試樣的水化產(chǎn)物組成，利用NTB-4B掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣的微觀形貌，用以分析石灰摻量對(duì)試樣抗凍性的影響.

3 結(jié)果與討論

3.1 正交試驗(yàn)與極差分析

利用9組方案的正交試驗(yàn)開(kāi)展了不同配比鐵尾礦蒸壓混凝土的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示.利用9組實(shí)驗(yàn)方案及強(qiáng)度結(jié)果作為正交試驗(yàn)樣本，并對(duì)其進(jìn)行了極差分析，極差分析結(jié)果及最優(yōu)決策如表3所示.

表2 鐵尾礦蒸壓混凝土正交試驗(yàn)樣本Tab.2Test orthogonal samples of autoclaved aerated concrete prepared with iron ore tailings

表3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析結(jié)果Tab.3Range analysis results of orthogonal experimental data

由表3可知，對(duì)3 d、28 d和（3+28）d的強(qiáng)度結(jié)果分別進(jìn)行極差分析，其最優(yōu)決策大致相同.在3 d、28 d和（3+28）d強(qiáng)度數(shù)據(jù)的極差分析中，石灰摻量的相對(duì)權(quán)值均為最大，分別是2.7、7.3和6.0，說(shuō)明無(wú)論在哪個(gè)齡期，石灰摻量對(duì)強(qiáng)度的增長(zhǎng)都起主要作用；對(duì)3d強(qiáng)度的極差分析中，石膏摻量的相對(duì)權(quán)值次之，為1.7，說(shuō)明對(duì)于3 d強(qiáng)度，石膏摻量對(duì)強(qiáng)度起次要作用；對(duì)28 d強(qiáng)度和（3+28）d強(qiáng)度的極差分析中，均為鐵尾礦摻量的相對(duì)權(quán)值次之，分別為6.0和3.4，說(shuō)明對(duì)于28 d強(qiáng)度和（3+28）d強(qiáng)度，石灰和鐵尾礦的質(zhì)量比對(duì)強(qiáng)度起主要作用.因此，通過(guò)極差分析得到石灰、水泥、石膏和鐵尾礦的最優(yōu)配比為60∶10∶3∶100.由于石灰的堿激發(fā)作用，使其對(duì)蒸壓混凝土的強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，而對(duì)蒸壓混凝土的中后期強(qiáng)度增長(zhǎng)起主要作用的是石灰與鐵尾礦的質(zhì)量比.因此，為探究石灰摻量對(duì)蒸壓混凝土性能的影響規(guī)律，通過(guò)改變石灰摻量，采用改變單一變量的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案如表4所示.

表4 鐵尾礦蒸壓混凝土實(shí)驗(yàn)方案Tab.4The experimental scheme of autoclaved aerated concrete prepared with iron ore tailings（mass ratio）

3.2 石灰摻量對(duì)試樣物理、力學(xué)性能的影響

不同鐵尾礦蒸壓試樣的物理、力學(xué)性能隨石灰摻量變化的結(jié)果如圖1和圖2所示.

圖1 石灰摻量-抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.1Effects of lime contents on compressive strength

圖2 石灰摻量-吸水率關(guān)系曲線Fig.2Effects of lime contents on water absorption

由圖1可知，石灰摻量對(duì)鐵尾礦蒸壓混凝土的抗壓強(qiáng)度有顯著影響，在石灰摻量為60%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高且28 d內(nèi)的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大.隨著石灰摻量的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度先不斷上升，再急劇下降，且在石灰摻量較高的情況下，強(qiáng)度下降較快.由圖2可知，石灰摻量與鐵尾礦蒸壓混凝土的吸水率也存在著一定的關(guān)系.隨著石灰摻量的增加，試樣的吸水率也增加，并且增加幅度變大.

3.3 石灰摻量對(duì)試樣抗凍性的影響

對(duì)鐵尾礦蒸壓混凝土分別進(jìn)行3、6、9、12、15次凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，并測(cè)量其質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖3和圖4所示.

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同石灰摻量的鐵尾礦蒸壓混凝土的抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì).隨著石灰摻量的增加，試樣的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，其抗壓強(qiáng)度損失率呈現(xiàn)先急劇上升后緩慢下降的趨勢(shì).凍融循環(huán)15次后除石灰摻量60%的試樣質(zhì)量損失率大于5%，且產(chǎn)生了嚴(yán)重的剝落現(xiàn)象之外，其他石灰摻量的鐵尾礦蒸壓試樣的質(zhì)量損失率都小于5%.在凍融循環(huán)15次后，石灰摻量在40%～70%范圍內(nèi)的試樣抗壓強(qiáng)度損失率都小于25%.在以上4個(gè)石灰摻量中，石灰摻量為50%的鐵尾礦蒸壓試樣的抗凍性最好，石灰摻量為60%的鐵尾礦蒸壓試樣的抗凍性最差.

3.4 機(jī)理分析

圖3 石灰摻量-質(zhì)量損失率關(guān)系曲線Fig.3Effects of lime contents on mass loss rates

圖4 石灰摻量-抗壓強(qiáng)度損失率關(guān)系曲線Fig.4Effects of lime contents on strength loss rates

鐵尾礦蒸壓混凝土的水化產(chǎn)物的組成和結(jié)構(gòu)的搭接方式?jīng)Q定了其性能.為了對(duì)鐵尾礦蒸壓混凝土的水化產(chǎn)物種類及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對(duì)不同石灰摻量的試樣進(jìn)行了X射線衍射分析和SEM形貌觀察，結(jié)果如圖5和圖6所示.

圖5 不同石灰摻量鐵尾礦蒸壓混凝土的XRD曲線Fig.5XRD patterns of iron tailings autoclaved concrete with different lime contents

圖6 28d不同石灰摻量鐵尾礦蒸壓混凝土的水化產(chǎn)物Fig.6Hydration products of iron tailings autoclaved concrete with different lime contents at 28 d

由圖5可知，鐵尾礦蒸壓混凝土的水化產(chǎn)物以托勃莫來(lái)石、水化硅酸鈣、硬硅鈣石和方解石為主，并含有少量石英相.

通過(guò)不同石灰摻量試樣的XRD對(duì)比可知，石灰摻量對(duì)水化產(chǎn)物的種類、結(jié)晶狀態(tài)以及含量都有較大的影響［5］.隨著石灰摻量的增加，石英相的含量和結(jié)晶程度都明顯下降，而碳酸鈣的含量與結(jié)晶程度則逐漸上升；水化產(chǎn)物中托勃莫來(lái)石的含量與結(jié)晶程度明顯下降，硬硅鈣石的含量與結(jié)晶程度略有下降.

結(jié)合圖6的掃描電鏡照片可知，石灰摻量40%的試樣中存在著較多未參與水化反應(yīng)的鐵尾礦顆粒，結(jié)構(gòu)搭接松散；石灰摻量50%的試樣中存在著大量結(jié)晶度較低的C-S-H，并且其中穿插著一些結(jié)晶較好的非連生體的托勃莫來(lái)石，這使得在以C-S-H形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，結(jié)晶程度較好的托勃莫來(lái)石穿插在其中，使結(jié)構(gòu)的搭接更為致密；石灰摻量60%的試樣中存在著大量結(jié)晶度較低的C-S-H，形成空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，并且其中穿插的托勃莫來(lái)石晶體明顯減少；石灰摻量70%的試樣中存在著較多長(zhǎng)度小于3 μm的針狀晶體.

鐵尾礦蒸壓混凝土中石灰摻量決定了水化產(chǎn)物的晶型及結(jié)晶程度，水化產(chǎn)物的結(jié)晶程度決定了水化產(chǎn)物的膠凝性能和強(qiáng)度.石灰摻量過(guò)高，試樣強(qiáng)度必然降低，而石灰摻量不足則對(duì)生成的水化產(chǎn)物產(chǎn)生不利影響.試樣的水化產(chǎn)物中，結(jié)晶程度較低的C-S-H中由于有適當(dāng)數(shù)量結(jié)晶程度較好的托勃莫來(lái)石穿插在其中，使得其強(qiáng)度顯著提高.而過(guò)多的托勃莫來(lái)石甚至單一結(jié)晶程度較好的托勃莫來(lái)石連生體的存在，則會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低［6-7］.

鐵尾礦蒸壓混凝土中水化產(chǎn)物的晶型和含量對(duì)試樣的力學(xué)性能有直接的影響，進(jìn)而對(duì)試樣抗凍性的改善起著重要作用.托勃莫來(lái)石的結(jié)晶程度越好，含量越多，收縮越小，強(qiáng)度有所下降，但有助于抗凍性的改善；C-S-H凝膠含量越多，則強(qiáng)度越高，但收縮越大，會(huì)影響其抗凍性能［8-15］.這就解釋了60%石灰摻量的試樣具有28 d齡期最高的強(qiáng)度，其質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率也最大的原因.

4 結(jié)語(yǔ)

1）在石灰摻量40%～70%的范圍內(nèi)，隨著石灰摻量的增加，鐵尾礦蒸壓混凝土的強(qiáng)度先升高后降低，且在石灰摻量為60%時(shí)取得最高強(qiáng)度值.質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度損失率也有著相似的規(guī)律.

2）在石灰摻量40%～70%的范圍內(nèi)，隨著石灰摻量的增加，鐵尾礦蒸壓混凝土的抗凍性能先下降后上升，其中60%石灰摻量試樣的抗凍性最差，50%石灰摻量試樣的抗凍性最好.

3）不同石灰摻量鐵尾礦蒸壓混凝土的主要水化產(chǎn)物為托勃莫來(lái)石、C-S-H和硬硅鈣石，但含量和結(jié)晶程度差異較大.50%石灰摻量試樣中存在結(jié)晶程度較好的托勃莫來(lái)石適量的穿插在C-S-H的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，而60%石灰摻量試樣中存在由大量結(jié)晶程度不好的C-S-H搭接而成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

［1］李琳琳，李曉陽(yáng)，蘇興文，等.鋼渣制備高強(qiáng)度人工魚(yú)礁混凝土［J］.金屬礦山，2012（3）：158-162.

LI L L，LI X Y，SU X W，et al.High strength artificial reefs concrete made from steel slags［J］.Metal mine，2012（3）：158-162.

［2］張靜文.鐵礦礦山充填采礦用膠結(jié)充填料研究［D］.北京：北京科技大學(xué)，2015.

［3］李茂輝.低活性水淬渣基早強(qiáng)充填膠凝材料開(kāi)發(fā)與水化機(jī)理研究［D］.北京：北京科技大學(xué)，2015.

［4］王賢來(lái)，姚維信，王虎，等.礦山廢石全尾砂充填研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)礦業(yè)，2011，20（9）：76-79.

WANG X L，YAO W X，WANG H，et al.The different of R&D on backfill with waste rock and total tailings in underground mine［J］.China mining magazine，2011，20（9）：76-79.

［5］YI Z L，SUN H H，WEI X Q，et al.Iron ore tailings used for the preparation of cementitious material by compound thermal activation［J］.International journal of minerals，metallurgy and materials，2009，16（3）：335-338.

［6］崔可浩，楊偉明，陶有生.加氣混凝土生產(chǎn)技術(shù)實(shí)用講義［M］.北京：中國(guó)加氣混凝土協(xié)會(huì)，1999.

［7］李德忠，倪文，張靜文，等.鐵尾礦在蒸壓養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的物相變化［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2011，39（4）：708-713.

LI D Z，NI W，ZHANG J W，et al.Phase transformation of iron ore tailings during autoclaved curing［J］.Journal of the Chinese ceramic society，2011，39（4）：708-713.

［8］桂苗苗，蔡振哲.蒸壓加所混凝土性能比較及微觀分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（6）：31-35.

GUI M M，CAI Z Z.Analysis of properties and microstructure of autoclaved aerated concrete（AAC）［J］.Journal of Wuhan university of technology，2011，33（6）：31-35.

［9］陳智豐，趙宇平.托勃莫來(lái)石結(jié)晶度加氣砼抗凍性的影響［J］.中國(guó)建材科技，1995，4（2）：18-20.

CHEN Z F，ZHAO Y P.The effect of the degree of crystallinity of tobermorite on the frost resistance of concrete［J］.Chinabuildingmaterialsscience& technology，1995，4（2）：18-20.

［10］LIZARAZO-MARRIAGA J，CLAISSE P，GANJIAN E. Effect of steel slag and Portland cement in the rate of hydration and strength of blast furnace slag pastes［J］. American society of civil engineers，2011，23（2）：153-160.

［11］丁向群，董越.石灰對(duì)鐵尾礦加氣混凝土抗凍性能的影響［J］.硅酸鹽通報(bào)，2014，33（10）：2631-2635.

DING X Q，DONG Y.Study on the effect of lime content on the frost resistance of aerated concrete prepared with iron tailings［J］.Bulletin of the Chinese ceramic society，2014，33（10）：2631-2635.

［12］杜薇.蒸壓粉煤灰加氣混凝土復(fù)合砌塊基本力學(xué)性能及其墻體應(yīng)用研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2014.

［13］彭軍芝.蒸壓加氣混凝土中孔的形成、特征及對(duì)性能的影響研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2011.

［14］彭小芹，黃佳木，丁星.蒸壓硅酸鹽混凝土水化產(chǎn)物的分析及其與性能的定量關(guān)系［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2002，30（6）：798-803.

PENG X Q，HUANG J M，DING X.Analysis of hydratesofautoclavedsilicateconcreteandthe qualitative relations of the hydrates and properties of concrete［J］.Journal of the Chinese ceramic society，2002，30（6）：798-803.

［15］彭軍芝.蒸壓加氣混凝土孔結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2013，27（8）：103-107，118.

PENG J Z.A review on pore structure and properties of autoclaved aerated concrete［J］.Materials review，2013，27（8）：103-107，118.

本文編輯：苗變

Influence of Lime Content on Properties of Autoclaved Concrete Prepared with Iron Ore Tailings

DONG Yue1，YANG Zhiqiang1，2，GAO Qian1*，DING Xiangqun3，YANG Xiaobing1，LI Litao1，XIAO Bolin1
1.Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mine Ministry of Education，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Nickel and Cobalt Resources，Jinchuan Group Co.LTD，Jinchang 737100，China；3.School of Materials Science and Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China

The range analysis of the strength of autoclaved concrete was carried on after the orthogonal experiment，and the optimum ratio was obtained.Then the mechanical properties and frost resistance of autoclaved concrete were studied with different lime contents.The experimental results show that the condition of steam curing improves the activity of iron ore tailings；under steam curing，lime content has a significant influence on the compressive strength of the autoclaved concrete prepared with iron tailings，with the increase of lime content，their strength decreases after the first increases，and the sample of 60%lime content gets the highest strength；lime content also has a significant influence on the frost resistance of the autoclaved concrete prepared with iron tailings，the mass and strength loss of concrete decreases after the first increases with the increase of lime content，and the sample with 60%lime content shows the worst frost resistance，but it has the best frost resistance with 50%lime content；In steam curing condition，the main hydration products of iron tailings autoclaved concrete with different lime contents are tobermorite，C-S-H and xonotlite，but their contents and the degrees of crystalline are different.The tobermorite with better degree of crystallization interspersed in the network structure of C-S-H appropriately in the sample of 50%lime content，and the sample obtained the best frost resistance.

autoclaved curing；iron ore tailings；lime content；mechanical property；frost resistance；concrete

TD861

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.06.011

1674-2869（2016）06-0571-06

2016-03-15

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（SS2012AA062405）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51078241）

董越，博士研究生.E-mail：B20150050@xs.ustb.edu.cn

*通訊作者：高謙，教授.E-mail：gaoqian@ces.ustb.edu.cn