以攀鋼廢石為骨料制備大壩混凝土試驗(yàn)

呂興棟 董 蕓 王 磊

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北武漢430010）

礦山尾礦、廢石量巨大，綜合利用率低，大部分以溝谷、低地為堆存地進(jìn)行堆存，污染水土，破壞環(huán)境，乃至造成災(zāi)害［1-5］。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)和土地管理的加強(qiáng)，廢石的治理和利用已成為必須解決的迫切問(wèn)題，僅對(duì)其中的有價(jià)元素進(jìn)行回收減量效果十分有限，只有將其作為建筑材料利用才是最根本的出路［6-9］。將礦山廢石與天然砂石混合搭配作為骨料或是直接單獨(dú)作為骨料配制混凝土，不僅在資源上可以緩解天然砂石匱乏的壓力，而且在混凝土中可以改善骨料的級(jí)配分布情況，調(diào)節(jié)混凝土的工作性能，有利于工程施工［10-13］，既符合國(guó)家建材政策，又與建筑材料的發(fā)展方向吻合，尤其在節(jié)約能源、減少耕地?fù)p失、保護(hù)環(huán)境等方面具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

攀鋼鐵礦山廢石堆積量大，約1.2億m3，主要堆積于銀江水電站壩址，與銀江水電站壩址運(yùn)輸距離西北側(cè)約2.5 km，該堆放場(chǎng)廢石顆粒不均，大小混雜。為考察以該廢石為原料制作的骨料配制混凝土的可行性，進(jìn)行了混凝土配制試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原料

1.1 水 泥

采用嘉華特種水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5中熱硅酸鹽水泥（簡(jiǎn)稱嘉華中熱），其物理力學(xué)性能見(jiàn)表1，化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表2。

從表1可以看出，試驗(yàn)用水泥性能達(dá)到GB200-2003中熱42.5水泥標(biāo)準(zhǔn)。

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1.2 粉煤灰

采用攀枝花利源II級(jí)粉煤灰，化學(xué)成分見(jiàn)表2，物理性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

從表3可以看出，試驗(yàn)用粉煤灰達(dá)到DL/T 5055-2007 F類II級(jí)粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)。

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1.3 骨 料

攀鋼廢石化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表4，廢石物理力學(xué)性能見(jiàn)表5。來(lái)樣為廢石經(jīng)破碎—篩分后得到的砂（-5 mm）、小石（5～20 mm）、中石（20～40 mm）、大石（40～80 mm）和特大石（80～120 mm）。細(xì)骨料（砂）性能指標(biāo)見(jiàn)表6，廢石粗骨料（小石、中石、大石和特大石）性能指標(biāo)見(jiàn)表7，廢石細(xì)骨料級(jí)配曲線見(jiàn)圖1，粗骨料顆粒外貌見(jiàn)圖2，可以看出廢石骨料表觀密度較普通人工骨料和天然骨料要大200～300 kg/m3。廢石的化學(xué)成分與普通人工和天然骨料相似，主要成分為SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3，其中Fe2O3的含量較高，但不含有害成分。

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1.4 外加劑

采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的JM-II萘系高效減水劑（緩凝型）和GYQ引氣劑，引氣劑摻量以使混凝土含氣量達(dá)到3.5%～4.5%為準(zhǔn)。

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2 試驗(yàn)方法

廢石骨料混凝土的拌和物性能、力學(xué)性能、熱學(xué)性能、變形性能和耐久性能均按照DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的有關(guān)方法進(jìn)行。試驗(yàn)研究了采用廢石為骨料配制的二級(jí)配、三級(jí)配和四級(jí)配混凝土相關(guān)性能。按照DL/T 5330-2015《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，混凝土配制強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中：fcu，0為混凝土配制強(qiáng)度，MPa；fcu，k為混凝土設(shè)計(jì)齡期立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；t為概率度系數(shù)；σ為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)及配制強(qiáng)度見(jiàn)表8，試驗(yàn)原料配合比見(jiàn)表9。外加劑摻量為其與膠凝材料的質(zhì)量比，粉煤灰摻量為其占膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 拌合物性能試驗(yàn)

圖3是混凝土的實(shí)驗(yàn)室拌合物照片，混凝土拌合物性能見(jiàn)表10。

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從表10可以看出，在合適的減水劑和引氣劑摻量下，配制的混凝土的坍落度和含氣量可以滿足設(shè)計(jì)要求，配制的二級(jí)配、三級(jí)配和四級(jí)配混凝土的拌和物和易性良好，拌和過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)離析和分層的現(xiàn)象；常態(tài)混凝土1 h后坍落度控制在35～55 mm；1 h含氣量在2.5%～3.5%。在減水劑和引氣劑合適的摻量下，配制的碾壓混凝土VC值和含氣量滿足設(shè)計(jì)要求。以廢石為骨料獲得的混凝土拌和物表觀密度較高。

3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

制得的混凝土抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，在合適的水膠比條件下，配制的不同級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度均可滿足設(shè)計(jì)要求。混凝土抗壓強(qiáng)度隨著齡期延長(zhǎng)逐漸增長(zhǎng)，長(zhǎng)齡期混凝土抗壓強(qiáng)度未出現(xiàn)突然降低的異?，F(xiàn)象。

3.3 極限拉伸值試驗(yàn)

制得的混凝土極限拉伸值見(jiàn)圖5。

從圖6可以看出，混凝土的自生體積變形均為負(fù)值，表明廢石骨料混凝土自生體積變形呈現(xiàn)收縮狀態(tài)?；A(chǔ)混凝土（RCC）180 d自生體積變形為-36.4×10-6，變形量較小，因?yàn)閺U石骨料本身強(qiáng)度和彈性模量較高，限制混凝土收縮作用較為明顯。

3.5 抗?jié)B性能試驗(yàn)

表11是混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果。

圖5表明，混凝土極限拉伸值均滿足設(shè)計(jì)要求，隨著齡期的增長(zhǎng)混凝土極限拉伸值呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。

3.4 自生體積變形試驗(yàn)

在恒溫絕濕條件下，混凝土在硬化過(guò)程中由于膠凝材料水化作用引起的體積變形稱為自生體積變形?；炷恋淖陨w積變形與溫度及濕度變形不同，其取決于膠凝材料的性質(zhì)，只受化學(xué)反應(yīng)和水化歷程的影響。普通硅酸鹽水泥混凝土中水泥水化生成物的體積相比反應(yīng)前物質(zhì)的總體積減小，所以混凝土自生體積變形多呈現(xiàn)為收縮型變形。當(dāng)水泥中含有膨脹組分或在混凝土中摻入膨脹劑時(shí)，可使混凝土產(chǎn)生膨脹型的自生體積變形，可以抵消部分（或全部）的干縮及溫降收縮變形。圖6是混凝土自生體積變形曲線（正值表示膨脹，負(fù)值表示收縮）。

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從表11可以看出，采用廢石為骨料配制的混凝土抗?jié)B性能可以滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)不同級(jí)配的混凝土平均滲水高度比較接近。

3.6 抗凍性能試驗(yàn)

混凝土抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。

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從表12可以看出，采用廢石為骨料配制的混凝

土抗凍性能滿足相關(guān)要求，不同級(jí)配的混凝土質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量差異較小。

3.7 絕熱溫升試驗(yàn)

混凝土的絕熱溫升是指在絕熱條件下，由水泥的水化熱引起的混凝土溫度升高。大體積混凝土由于結(jié)構(gòu)斷面尺寸較大、熱傳導(dǎo)率低，澆筑過(guò)程中膠凝材料水化釋放出的水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部難以散發(fā)出去，當(dāng)內(nèi)外溫差過(guò)大時(shí)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫［14］。所制備混凝土的絕熱溫升見(jiàn)圖7。

從圖7可以看出：膠凝材料用量是影響混凝土絕熱溫升的關(guān)鍵因素，膠凝材料使用量越大，混凝土絕熱溫升值越高；YTX1的膠凝材料用量為196 kg/m3，28 d的絕熱溫升值為22.5℃，YTX4的膠凝材料用量為288 kg/m3，28 d的絕熱溫升值為39.9℃。

3.8 比熱、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)溫、導(dǎo)熱

混凝土的比熱和線膨脹系數(shù)分別指溫度每升高1℃混凝土需要吸收的熱量和混凝土單位長(zhǎng)度的變化率，導(dǎo)溫、導(dǎo)熱系數(shù)主要表征混凝土不同部位溫度趨于一致的速率。這幾項(xiàng)熱學(xué)性能參數(shù)主要與混凝土骨料種類和用量、用水量、混凝土含水率、摻和料等有關(guān)，其中骨料種類與用量是其主要影響因素。尾礦骨料不同級(jí)配的混凝土線膨脹系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13。

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表13表明：以廢石為骨料配制的混凝土的線膨脹系數(shù)較小，在6.2×10-6/℃～6.8×10-6/℃，與人工灰?guī)r骨料配制的混凝土線膨脹系數(shù)接近。

4 結(jié)論

（1）攀鋼廢石表觀密度較普通人工骨料和天然骨料要大，化學(xué)組成與普通人工骨料和天然骨料相似，主要成分為SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3，但廢石Fe2O3的含量較高，同時(shí)不含有害成分。廢石骨料的表觀密度較普通骨料大200～300 kg/m3，但采用廢石為骨料配制的不同級(jí)配混凝土拌和物和易性良好，不會(huì)出現(xiàn)離析和分層的現(xiàn)象。

（2）在合適的水膠比和外加劑摻量條件下，采用廢石為骨料配制的混凝土抗壓強(qiáng)度、極限拉伸值、自生體積變形、抗凍性能和抗?jié)B性能均可滿足設(shè)計(jì)要求。隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土力學(xué)性能呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，長(zhǎng)齡期混凝土抗壓強(qiáng)度不會(huì)出現(xiàn)突然降低的異?，F(xiàn)象。采用廢石為骨料配制的混凝土線膨脹系數(shù)較小，在6.2×10-6/℃～6.8×10-6/℃，與人工灰?guī)r骨料配制的混凝土線膨脹系數(shù)接近。