改良鐵尾礦砂混凝土的力學(xué)和耐腐蝕性能研究

程和平，陸璐

(1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

作為鐵礦石開采的附屬產(chǎn)物鐵尾礦砂，通常會(huì)被擱置在開采礦區(qū)周圍或者被運(yùn)至人跡稀少的地方集中堆放，這些廢棄物不僅對(duì)周圍環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，也占據(jù)了大量的土地資源，且鐵尾礦砂一般含有放射性或者有毒性物質(zhì)，長(zhǎng)期存放會(huì)使得這些物質(zhì)經(jīng)過滲透侵入地下水資源以及周圍耕地資源，對(duì)周圍居民的生命安全帶來嚴(yán)重威脅，甚至?xí)雇恋剡^度硬化，導(dǎo)致該區(qū)域的土地?zé)o法進(jìn)行耕種或者用于建設(shè)[1-2]。如何有效科學(xué)地處理尾礦砂是一個(gè)棘手的問題，在國(guó)內(nèi)對(duì)于尾礦廢棄物的處理主要有以下幾種方法[3-5]：（1）通過壓碎、粉碎和分選；（2）焚燒處理、熱解處理、焙燒處理；（3）將尾礦中有毒有害物質(zhì)進(jìn)行穩(wěn)定化處理以及將有毒物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)浸出處理。通過以上各種方法提煉出尾礦中有用物質(zhì)，或者將尾礦與混凝土進(jìn)行摻和制備免燒磚，以及可以通過鐵尾礦和耐火材料的混合制備防火材料等。

本文將采用鐵尾礦砂制備新型混凝土，一方面降低普通混凝土中河砂、石子等天然骨料的使用，避免過度開采石料和砂料造成的水土流失等問題；另一方面也將尾礦廢棄物進(jìn)行循環(huán)利用，避免尾礦砂大量堆積帶來的污染環(huán)境問題。根本上，響應(yīng)了國(guó)家綠色發(fā)展以及建設(shè)綠色生態(tài)的政策，進(jìn)而完善了綠色建筑的概念以及提升了尾礦廢棄物的價(jià)值。同時(shí)，通過研究鐵尾礦砂混凝土的力學(xué)性能和應(yīng)用性能，為后續(xù)鐵尾礦砂混凝土作為建筑材料的使用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 鐵尾礦砂的基本性質(zhì)

1.1 鐵尾礦砂的成分分析

本次實(shí)驗(yàn)所選用的鐵尾礦砂取自河北唐山灤縣鐵礦，主要含有以下礦物：磁鐵礦、赤鐵礦和假象赤鐵礦，石英和綠泥石等。采用XRF實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)該尾礦的化學(xué)成分進(jìn)行分析，得到尾礦砂的化學(xué)組成為SiO2（70.21%）、Fe2O3（18.46%）、Al2O3（7.08%）、CaO（3.34%）、MgO（0.31%）、Na2O（0.39%）和TiO2（0.21%），即該尾礦砂主要成分是二氧化硅和三氧化二鐵，并伴有其他少量的氧化物，故可以將該尾礦砂定義為高硅型鐵尾礦。

1.2 鐵尾礦砂的放射性和有毒性分析

一般尾礦廢棄物中都含有大量有毒、有放射性的物質(zhì)，當(dāng)將尾礦廢棄物作為建筑材料應(yīng)用于建筑物中時(shí)，需要對(duì)其放射性進(jìn)行檢測(cè)，保證尾礦放射性滿足國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)且不會(huì)對(duì)人體健康造成傷害。根據(jù)《建筑材料用工業(yè)廢渣放射性物質(zhì)限制標(biāo)準(zhǔn)》GB 6763-86[6]以及唐山灤縣鐵礦提供的尾礦放射性檢測(cè)結(jié)果（226Ra濃度為0.509 Pci/g、232Th濃度為0.171 Pci/g和40K濃度為9.982 Pci/g）可知，該鐵尾礦砂的放射性物質(zhì)含量符合規(guī)范要求。而該尾礦內(nèi)部的有毒物質(zhì)經(jīng)過檢測(cè)后，得到汞、鉛、鎘、銅、砷、硫化物、氟化物以及氰化物等物質(zhì)的含量均小于《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)及浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)》GB 5085.3-1996[7]中的要求，故可以認(rèn)為該尾礦砂浸出液中各有毒物質(zhì)濃度滿足要求，可放心運(yùn)用于建筑材料中。

1.3 鐵尾礦砂的燒失量分析

為了對(duì)所選用鐵尾礦砂材料的純度和耐火性能進(jìn)行分析，一般采用燒失量來進(jìn)行判斷，即

式中：M為燒失量，%；m為烘干后材料質(zhì)量，kg；m1為容器質(zhì)量，kg；m2為容器和灼燒材料質(zhì)量，kg。不同溫度下該鐵尾礦砂的燒失量變化規(guī)律見圖1。

圖1 鐵尾礦砂的燒失量變化規(guī)律Fig.1 Variation of ignition loss of iron tailings

2 鐵尾礦砂混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》GB/T 17671-1999[8]可知，抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)所用鐵尾礦砂混凝土的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm?；炷量箟簩?shí)驗(yàn)主要采用WDW-300E型微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，在立方體混凝土試樣上端面施加荷載直至試樣破壞為止，得到混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文設(shè)置了五種不同水灰比（0.35、0.40、0.45、0.50和0.55）以及五種不同鐵尾礦砂摻量（0、10%、20%、30%和40%）。繪制出不同條件下鐵尾礦砂混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線見圖2。

圖2 鐵尾礦砂混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線Fig.2 Curves of the compressive strength of iron tailings concrete

由圖2可知，隨著水灰比的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且在水灰比為0.45時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值，這是由于水灰比的增大使得混凝土砂漿的和易性和拌合性更好，且水灰比越大混凝土內(nèi)部礦物成分發(fā)生的水化反應(yīng)越徹底，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物充填在混凝土孔隙內(nèi)，使得混凝土的結(jié)構(gòu)性更加完整；但是隨著水灰比的持續(xù)增大，混凝土砂漿的保氣性下降，且水分的增多使得砂漿更加稀釋，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了下降趨勢(shì)[9]。而隨著鐵尾礦砂摻量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且在鐵尾礦砂摻量為20%時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值，這是由于在鐵尾礦砂摻量小于20%時(shí)，隨著鐵尾礦砂摻量的增大，鐵尾礦混凝土中含有的氧化硅和三氧化二鐵等氧化物質(zhì)會(huì)與混凝土內(nèi)部其他材料進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物充填在混凝土內(nèi)部的孔隙中，可以有效地提升鐵尾礦混凝土整體抗壓強(qiáng)度，但是當(dāng)鐵尾礦砂摻量大于20%時(shí)，氧化物質(zhì)雖然與混凝土內(nèi)部其他材料進(jìn)行反應(yīng)，但是鐵尾礦砂中過量的氧化物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的速度要小于水泥熟料的化學(xué)反應(yīng)速度，使得產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)物減少，無法很好地充填在混凝土固體骨架之間，故鐵尾礦砂混凝土的抗壓強(qiáng)度開始下降[10]。

3 鐵尾礦砂混凝土耐腐蝕性實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

當(dāng)鐵尾礦砂混凝土用于建筑材料時(shí)，混凝土?xí)幱谒嵝曰蛘邏A性環(huán)境中，這會(huì)嚴(yán)重影響混凝土的力學(xué)性質(zhì)，故需要對(duì)混凝土的耐腐蝕性進(jìn)行研究，保證混凝土的力學(xué)性能和耐久性滿足建筑使用要求。配制不同濃度的硫酸鈉溶液和氫氧化鈉溶液，鐵尾礦砂混凝土的尺寸依然為150 mm×150 mm×150 mm；當(dāng)混凝土試樣養(yǎng)護(hù)28 d之后，對(duì)混凝土試樣進(jìn)行稱重，再將混凝土試樣浸泡在上述兩種溶液中，以每30 d為一個(gè)周期，浸泡30 d后取出試樣在自然環(huán)境中放置10 d，以此循環(huán)反復(fù)至4個(gè)周期后將混凝土試樣放在室溫條件下自然風(fēng)干后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，得出不同浸泡天數(shù)作用下混凝土的抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，此時(shí)混凝土的鐵尾礦摻量設(shè)定為20%，水灰比設(shè)定為0.45。在測(cè)定完抗壓強(qiáng)度指標(biāo)之后，將混凝土試樣進(jìn)行烘干后稱重，計(jì)算出不同浸泡天數(shù)作用下混凝土的質(zhì)量損失率。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

繪制出不同浸泡天數(shù)作用下混凝土的抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律見圖3。

圖3 酸堿條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度Fig.3 Concrete compressive strength under acid-base conditions

由圖3可知，隨著浸泡天數(shù)的增大，在堿性溶液浸泡后的混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，這主要是由于混凝土內(nèi)部原生礦物等物質(zhì)與氫氧根離子會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得水泥土的膠凝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，進(jìn)而使得鐵尾礦砂混凝土的抗壓強(qiáng)度急劇下降[11]。而在酸性條件下，隨著浸泡天數(shù)的增大混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，酸性離子與混凝土內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了大量的非膠凝產(chǎn)物或者是易溶于水的產(chǎn)物，這使得混凝土表面不斷發(fā)生脫落，造成混凝土試樣由外向內(nèi)的破壞；同時(shí)，酸性溶液促使水化硅酸鈣的水解，破壞了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性，進(jìn)而使得混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。但是在酸性溶液浸泡后混凝土的強(qiáng)度要小于堿性溶液浸泡后混凝土的強(qiáng)度，這是由于堿性溶液條件下，混凝土內(nèi)部礦物成分與溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率小于酸性溶液條件下的，且氫氧根離子與水泥中的酸鹽產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧化鈣，在一定程度上可以提升混凝土的抗壓強(qiáng)度。

繪制出不同浸泡天數(shù)作用下混凝土的質(zhì)量損失率的變化規(guī)律見圖4。

圖4 酸堿條件下混凝土的質(zhì)量損失率Fig.4 Concrete quality loss rate under acid-base conditions

由圖4可知，隨著浸泡天數(shù)的增大，在堿性溶液浸泡后混凝土試樣的質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，這主要是由于混凝土內(nèi)部原生礦物等物質(zhì)與氫氧根離子會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量的沉淀物充填在孔隙中使得微觀結(jié)構(gòu)不斷膨脹，混凝土外部表層出現(xiàn)明顯脫落現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土試樣質(zhì)量的損失[12]。而在酸性條件下，隨著浸泡天數(shù)的增大混凝土試樣的質(zhì)量損失率也呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，這也是由于酸性離子與混凝土內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了大量的非膠凝產(chǎn)物或者是易溶于水的產(chǎn)物，使得混凝土表面不斷發(fā)生脫落，即隨著浸泡天數(shù)的增大，混凝土的質(zhì)量損失率越來越大。

4 鐵尾礦砂混凝土滲水性能實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)達(dá)西定律可知[13]，混凝土的滲透系數(shù)K為：

式中：Q為單位時(shí)間內(nèi)溢出的水量，cm3/s；A為混凝土的橫截面積，cm2；L為混凝土的厚度，cm；H為水頭差，cm。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文設(shè)置了五種不同鐵尾礦砂摻量，來研究不同條件下鐵尾礦砂混凝土的力學(xué)滲水性能，不同條件下鐵尾礦砂混凝土滲水系數(shù)變化曲線見圖5。

圖5 鐵尾礦砂混凝土滲水系數(shù)變化曲線Fig.5 Variation law curve of seepage coefficient of iron tailing sand concrete

由圖5可知，隨著鐵尾礦砂摻量的增大，混凝土的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，且當(dāng)鐵尾礦砂摻入量超過30%時(shí)，鐵尾礦砂混凝土的抗?jié)B性能下降，這是由于鐵尾礦顆粒的吸水性能要好于天然砂石材料的吸水性能，當(dāng)鐵尾礦砂混凝土在初期硬化過程時(shí)，混凝土內(nèi)部鐵礦砂中礦物成分與自由水之間的化學(xué)反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)物填充在孔隙中，提升了混凝土自身的密實(shí)度，進(jìn)而使得鐵尾礦混凝土的抗?jié)B性能降低[14]。當(dāng)鐵尾礦砂摻量大于30%時(shí)，混凝土內(nèi)部的鐵尾礦砂含量逐漸增多、鐵尾礦砂吸收混凝土內(nèi)部自由水也增多，使得混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)程度減小，進(jìn)而改變了混凝土內(nèi)部的密實(shí)性，最終導(dǎo)致混凝土的滲透系數(shù)增大。

5 鐵尾礦砂混凝土凍融循環(huán)特性實(shí)驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)方案

混凝土凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)中混凝土試樣的尺寸定為100 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣[15]，并將混凝土試樣放置在養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28 d后，放置在室溫條件下。凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)的具體步驟為：（1）將養(yǎng)護(hù)28 d的鐵尾礦砂混凝土放入清水中浸泡至飽和狀態(tài)；（2）將飽和試樣放置在TDS-300凍融實(shí)驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)；（3）本次凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)的消融溫度選取室溫（經(jīng)測(cè)定為23.1℃），按照消融溫度將凍結(jié)溫度設(shè)定為-23.1℃，且凍結(jié)和消融的時(shí)間都設(shè)定為24 h；（4）循環(huán)次數(shù)設(shè)定為0、100、200、300和400次。分析混凝土在凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)中凍融特性的指標(biāo)為抗凍系數(shù)B，采用式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中：RC為凍融循環(huán)n次混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度，MPa；R為未經(jīng)歷凍融循環(huán)混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度，MPa。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將混凝土的鐵尾礦摻量設(shè)定為20%，水灰比設(shè)定為0.45。繪制出不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下混凝土的抗凍系數(shù)變化規(guī)律以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖6。

圖6 應(yīng)力-應(yīng)變曲線與抗凍系數(shù)變化規(guī)律Fig.6 Stress-strain curve and the change law of frost resistance

由圖6可知，隨著凍融次數(shù)的不斷增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度不斷減小且抗凍性指標(biāo)也不斷減小，這是由于將混凝土浸泡至飽和狀態(tài)后進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，在混凝土的凍結(jié)過程中，其內(nèi)部毛細(xì)孔水會(huì)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰，使得混凝土的體積開始向外膨脹變形，且混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔壁受到約束形成的膨脹力也會(huì)使孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞[16]；同時(shí)，在上述過程中膠凝孔中的未凍結(jié)水由于膨脹力產(chǎn)生遷移和重分布，進(jìn)而在孔隙內(nèi)部形成新的滲管壓力，最終導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。即當(dāng)混凝土在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，混凝土內(nèi)部的損傷不斷積累，原有微觀裂隙逐漸發(fā)展成互相連通的裂縫，使混凝土的強(qiáng)度逐步降低[17]。

6 結(jié) 論

（1）隨著水灰比的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且在水灰比為0.45時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到較大值，而隨著鐵尾礦砂摻量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且在鐵尾礦砂摻量為20%時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到較大值。

（2）隨著浸泡酸堿溶液天數(shù)的增大，混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)且混凝土的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)。

（3）當(dāng)鐵尾礦砂摻量大于30%時(shí)，混凝土內(nèi)部的鐵尾礦砂含量逐漸增多、鐵尾礦砂吸收混凝土內(nèi)部自由水也增多，使得混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)程度減小，進(jìn)而改變了混凝土內(nèi)部的密實(shí)性，最終導(dǎo)致混凝土的滲透系數(shù)增大。

（4）隨著凍融次數(shù)的不斷增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度不斷減小且抗凍性指也不斷減小，說明了混凝土在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后內(nèi)部的損傷不斷積累，原有微觀裂隙逐漸發(fā)展成互相連通的裂縫，進(jìn)而造成了混凝土抗壓強(qiáng)度的降低。