摻高爐除塵灰與尾礦砂復(fù)合混凝土的制備及抗壓強度試驗★

阮小龍 林朝飛

(攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

0 引言

高爐除塵灰是用除塵設(shè)備將工廠排放的顆粒煙塵收集得到的排棄物。它是高溫條件下的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，其性質(zhì)發(fā)生變異，利用難度較大，囤積容易揚塵，在運輸過程中及風(fēng)季季節(jié)對環(huán)境產(chǎn)生污染，其含有的重金屬物質(zhì)對人類健康危害大。目前對除塵灰回收利用是提取可用金屬元素和制灰砂磚，但由于金屬提取技術(shù)不足、成本過高，一直未實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，且灰砂磚利用量較小，故不能有效快速消耗掉大量囤積的除塵灰。目前采取填埋處理方式，易產(chǎn)生二次污染嚴(yán)重，高爐粉灰上覆土過薄會產(chǎn)生塌陷，堆積過厚會產(chǎn)生滑坡危害，安全隱患嚴(yán)重。

尾礦砂是選礦廠將礦石磨細(xì)選取有用成分后排放的廢棄物。目前有企業(yè)利用頁巖與礦渣按比例混合生產(chǎn)保溫隔熱性能好的多孔節(jié)能磚，但使用量少，不能有效消耗掉每年大量排放出的尾礦砂，尾礦砂逐年囤積于尾礦壩，占據(jù)耕地，并造成環(huán)境污染。僅以釩鈦磁鐵礦及鋼鐵工業(yè)城市攀枝花為例，礦渣年排出量超過50萬t，雖有少部分加以回收利用，但利用方式單一。從圖1可以看出，尾礦壩的囤積量逐年增加，尾礦砂回收利用問題亟待解決。

混凝土細(xì)骨料所用天然砂日益匱乏，其占混凝土重量約30%，若以尾礦砂作為天然砂的替代品，既解決了混凝土集料匱乏問題，還可以大量減少尾礦砂囤積，減少尾礦壩中礦渣的庫容量，降低尾礦壩的安全隱患，同時減少了對環(huán)境的污染。

本試驗通過四川省工業(yè)固態(tài)廢棄物綜合利用實驗室立項，研究高爐除塵灰替代水泥，尾礦砂替代天然砂石作為混凝土的細(xì)骨料，形成一種新型復(fù)合混凝土，通過試驗研究其強度、變形性能是否達(dá)到工程使用要求。

1 制備方案

本試驗項目混凝土設(shè)計強度等級為C30;水泥：P.O42.5普通水泥,密度3 100 kg/m3；碎石：最大粒徑20 mm，密度2 800 kg/m3,中砂：級配良好，密度2 600 kg/m3；尾礦砂：表觀密度2 700 kg/cm3，比表面積480 m2/kg，含泥量2.3%；高爐除塵灰:細(xì)度5.2%，燒矢量3.23%，表觀密度2 100 kg/cm3。

根據(jù)JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程計算出基準(zhǔn)配合比為水泥∶用水量∶細(xì)砂∶石子=Mco∶Mwo∶Mso∶Mgo=1∶0.57∶1.84∶2.59。

等量取代法規(guī)則是在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上用相等量的粉煤灰和尾礦砂分別取代等量的水泥及天然砂。根據(jù)GB/T 50146—2014粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，當(dāng)水灰比大于0.4時，普通硅酸鹽水泥礦渣摻量最大45%，除塵灰借鑒粉煤灰最大摻量30%，由于替代率不同于摻入量，高爐除塵灰和尾礦砂設(shè)計替代率分別為0%，5%，10%，20%，30%五個等級。

2 試驗結(jié)果分析

試驗采用HYE-300B型電液伺服壓力試驗機，最大壓力300 t，加載速率0.5 MPa/s，根據(jù)設(shè)計替代率有25個組合，每組3個試塊，試驗共計75個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)土立方體試塊，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗壓強度試驗。加載試驗見圖2。

圖3對比五組不同替代率養(yǎng)護(hù)28 d后的立方體試塊，發(fā)現(xiàn)隨著替代率的增加混凝土逐漸開裂，替代率越高開裂現(xiàn)象越明顯，這由于高爐除塵灰凝結(jié)強度不足和尾礦砂中含有一定量的泥所導(dǎo)致的開裂現(xiàn)象。

2.1 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

通過對75個試塊進(jìn)行抗壓強度試驗，各替代率混凝土立方體抗壓強度試驗平均值和極差統(tǒng)計于表1中。

表1 各替代率混凝土立方體抗壓強度試驗值 MPa

從表1試驗結(jié)果可以看出：

1)當(dāng)高爐除塵灰替代率為0%時，尾礦砂替代率在30%及以下對復(fù)合混凝土強度影響甚微；當(dāng)高爐除塵灰替代率為5%時，尾礦砂替代率在20%及以下復(fù)合混凝土強度滿足要求。由此可見，尾礦砂完全可以替代天然砂石，替代率控制在10%～20%左右為宜。

2)當(dāng)尾礦砂替代率為0%時，復(fù)合混凝土強度在除塵灰替代率為10%及以下時滿足要求；當(dāng)尾礦砂替代率為5%～20%時，復(fù)合混凝土強度在高爐除塵灰替代率為5%及以下時滿足要求?？梢姡郀t除塵灰對復(fù)合混凝土強度影響較大，替代率不可太高，控制在5%～10%左右為宜。

3)尾礦砂替代率恒定時，除塵灰替代率變化對強度影響較大，強度極差平均值高達(dá)10.7 MPa。除塵灰替代率恒定時，高爐除塵灰尾礦砂替代率變化對強度影響較小，強度極差平均值4.5 MPa。

2.2 強度隨替代率變化趨勢對比分析

為了更清晰的分析除塵灰替代率和尾礦砂替代率對混凝土立方體抗壓強度的影響效果，繪抗壓強度隨各替代率變化趨勢圖如圖4,圖5所示。

由圖4可以看出，尾礦砂同一替代率時，復(fù)合混凝土抗壓強度隨高爐除塵灰替代率增加而大幅度減小，變化趨勢線呈現(xiàn)直線型下降趨勢，說明高爐除塵灰粘結(jié)力較水泥相差較大，只能作少量替代，不能夠大量替代水泥。其抗壓強度隨除塵灰替代率變化呈現(xiàn)直線趨勢，變化趨勢線線性回歸方程表達(dá)式：

y=-k0x+b

(1)

其中，y為抗壓強度，MPa；x為除塵灰替代率，%；k0取值范圍：4.63～4.949；b取值范圍：40.47～45.651。

由圖5可以看出，高爐除塵灰同一替代率時，復(fù)合混凝土抗壓強度隨尾礦砂替代率變化平緩，平均極差僅為4.6 MPa，對強度影響非常小，變化趨勢線呈現(xiàn)對數(shù)型或冪指數(shù)型下降趨勢，說明尾礦砂可以作為天然砂的替代品。其抗壓強度隨尾礦砂替代率變化趨勢冪指數(shù)或?qū)?shù)型變化，趨勢線線性回歸方程表達(dá)式：

1)抗壓強度隨尾礦砂替代率冪指數(shù)變化趨勢線性回歸方程：

y=-Klnx+B

(2)

其中，y為抗壓強度，MPa；x為尾礦砂替代率，%；K取值范圍：0.398～5.04；B取值范圍：19.32～39.643。

2)抗壓強度隨尾礦砂替代率對數(shù)型變化趨勢線線性回歸方程：

y=Cx-k

(3)

其中，y為抗壓強度，MPa；x為尾礦砂替代率，%；C取值范圍：19.738～39.644；k1取值范圍：0.01～0.159。

3 結(jié)論

1)本項目通過試驗發(fā)現(xiàn)隨著高爐除塵灰和尾礦砂替代率增加，復(fù)合混凝土強度均不同程度降低，隨除塵灰替代率增加而降低幅度略大。

2)高爐除塵灰比較適宜的替代率是5%～10%，尾礦砂比較適宜的替代率是10%～20%，強度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)混凝土的要求，但其在構(gòu)件中的其他性能尚需繼續(xù)研究。

3)隨著高爐除塵灰和尾礦砂替代率的增加，混凝土逐漸出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，替代率越高開裂越多?？紤]到尾礦砂中含泥、高爐除塵灰粘結(jié)力不強導(dǎo)致復(fù)合混凝土開裂的問題，除塵灰和尾礦砂替代率均要根據(jù)實際情況調(diào)整。

4)在替代率超過一定范圍之后，復(fù)合混凝土強度雖達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，但可以適用于一些輔助性的建筑用材，比如地基找平層、人行道鋪蓋板、室外找平層等范圍。