鐵尾礦微粉混凝土的力學(xué)性能分析

田爾布，康海鑫，連躍宗

（1.三明學(xué)院 福建省工程材料與結(jié)構(gòu)加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 三明 365004；2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木學(xué)院，浙江 杭州310014）

鐵尾礦是一種工業(yè)廢渣，是經(jīng)過(guò)選礦之后形成的品位較低的以硅酸鹽礦物為主的廢渣[1]。鐵尾礦主要以尾礦庫(kù)形式進(jìn)行堆存，對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)很大影響，也給礦企帶來(lái)生存壓力，所以進(jìn)行鐵尾礦的資源化綜合利用是迫切問(wèn)題[2]。根據(jù)相關(guān)研究和鐵尾礦特性，鐵尾礦可被用于改良酸性土壤、制備陶瓷地板磚和墻面磚、加氣混凝土制品、回填料、人工魚(yú)礁混凝土、超高性能混凝土等[3-8]。

鐵尾礦組成礦物以石英、氧化鋁和鐵的氧化物為主，具有很高活性潛力[9]。隨著選礦工藝的改進(jìn)，使得鐵尾礦粒徑越來(lái)越細(xì)，雖然限制了鐵尾礦的應(yīng)用范圍，但是卻為鐵尾礦作為活性摻合料提供了可能性[10]。研究表明，機(jī)械力粉磨使鐵尾礦活性增強(qiáng)的主要原因是鐵尾礦顆粒尺寸迅速減小，機(jī)械能把顆粒晶體結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生的鐵尾礦微粉活性增高[11]。有研究表明，經(jīng)過(guò)研磨成粉末的鐵尾礦微粉與其他活性摻合料（如粉煤灰、礦渣粉）復(fù)摻對(duì)水泥混凝土強(qiáng)度和耐久性均有不同程度的影響[8,12]。但是單摻鐵尾礦微粉作為摻合料取代水泥的相關(guān)研究報(bào)道研究甚少。

本文將鐵尾礦微粉作為摻合料取代部分水泥應(yīng)用于混凝土，研究鐵尾礦微粉對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響，為鐵尾礦微粉的資源應(yīng)用提供借鑒。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 鐵尾礦微粉

鐵尾礦微粉來(lái)自福建省三明市大田縣湯泉鐵礦廠。根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法測(cè)得鐵尾礦微粉的物理化學(xué)指標(biāo)如表1～2。

表1 鐵尾礦微粉的物理指標(biāo)

表2 鐵尾礦微粉的放射性檢驗(yàn)結(jié)果

利用激光粒度儀（Mastersizer2000）測(cè)試鐵尾礦微粉的粒徑分布，測(cè)試結(jié)果如圖1。

圖1 鐵尾礦微粉的粒徑分布

鐵尾礦微粉的粒徑主要分布在1～100 m之間，集中分布45 μm以下。

利用掃描電子顯微鏡對(duì)鐵尾礦微粉進(jìn)行形貌掃描，如圖2所示，可以看到形狀各異，基本無(wú)圓形、片狀、針狀顆粒，顆粒棱角明顯。

圖2 放大5000倍的鐵尾礦微粉形貌

1.2 水泥

本研究所用的紅獅P·O42.5R水泥是由福建省三明市大田紅獅水泥公司生產(chǎn)的。其主要的技術(shù)指標(biāo)均滿足國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，具體主要指標(biāo)和化學(xué)成分如表3～4。

表3 紅獅牌P·O42.5R水泥的主要參數(shù)指標(biāo)

表4 紅獅牌P·O42.5R水泥的主要化學(xué)成分

水泥顆粒的粒徑分布如圖3。對(duì)比圖1與圖3可以看出，鐵尾礦微粉顆粒比水泥顆粒細(xì)。鐵尾礦微粉中，粒徑小于10 m的顆粒占總數(shù)的 60%左右；而水泥中，粒徑小于10 m的顆粒占總數(shù)的45%左右。

圖3 水泥的粒徑分布

1.3 標(biāo)準(zhǔn)砂

標(biāo)準(zhǔn)砂為廈門(mén)艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

1.4 細(xì)集料

細(xì)集料均為天然河沙，屬于中砂，其主要的技術(shù)指標(biāo)均滿足《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(JGJ52-2006)》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，具體的指標(biāo)如表5。

表5 細(xì)集料的主要參數(shù)指標(biāo)

1.5 粗集料

粗集料為5～10 mm和10～30 mm兩種顆粒級(jí)配的碎石按7∶3的比例合配成5～30 mm的連續(xù)級(jí)配，并測(cè)得碎石的表觀密度為：2 661 kg/m3，堆積密度為1 480 kg/m3，計(jì)算得到的空隙率約為42%。碎石的分級(jí)篩余和合成級(jí)配的累計(jì)篩余如表6所示，合成級(jí)配曲線如圖4所示，該級(jí)配粗集料多，在混凝土里易形成骨架結(jié)構(gòu)。

圖4 碎石的合成級(jí)配曲線

表6 合成后的石子篩余情況

1.6 減水劑

試驗(yàn)所用的減水劑采用福建省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率為35%，其各項(xiàng)性能滿足《混凝土外加劑（GB/T8076-2008）》的相關(guān)技術(shù)要求。

1.7 水

自來(lái)水，滿足《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)（JGJ63-2006）》要求。

1.8 試驗(yàn)方法

水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)：試驗(yàn)按照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法（GB/T8077-2012）》進(jìn)行測(cè)試。

水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)：試驗(yàn)按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）（GB/T17671-1999）》進(jìn)行測(cè)試。本試驗(yàn)使用YAW-300微機(jī)控制抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

新拌鐵尾礦微粉混凝土成型及混凝土抗壓抗折試驗(yàn)：抗壓試驗(yàn)成型采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度在（20±2）℃、相對(duì)濕度在95%的條件下）7、28 d；抗折試驗(yàn)成型采用150 mm×150 mm×450 mm的長(zhǎng)方體試模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度在（20±2）℃、相對(duì)濕度在95%的條件下）7、28 d。本試驗(yàn)采用YAW-2000B微機(jī)控制電液式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土抗壓試驗(yàn),另外采用WAW-2000B微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土抗折試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵尾礦微粉對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響

鐵尾礦微粉摻量（等量取代水泥）與減水劑摻量會(huì)對(duì)混凝土的流動(dòng)性產(chǎn)生重大影響，二者的兼容性直接影響混凝土的坍落度測(cè)試值。通過(guò)水泥凈漿流動(dòng)度的試驗(yàn)方法，確定最佳減水劑摻量。本試驗(yàn)鐵尾礦微粉的摻量分別為0%、10%、15%、20%、25%、30%；減水劑的摻量 （與水泥質(zhì)量之比） 分別為：0%、0.4%、0.8%、0.9%、1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%。試驗(yàn)結(jié)果如下圖5。

圖5 水泥凈漿流動(dòng)度的試驗(yàn)結(jié)果

從圖5可以看出，隨著減水劑摻量的增加，水泥凈漿流動(dòng)度整體呈先上升后穩(wěn)定趨勢(shì)。盡管鐵尾礦微粉的摻量不同，水泥凈漿流動(dòng)度趨勢(shì)沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明鐵尾礦微粉摻量在30%以內(nèi)，鐵尾礦微粉與減水劑之間的兼容性良好。當(dāng)減水劑摻量達(dá)0.9%時(shí)，不摻鐵尾礦微粉的水泥凈漿流動(dòng)度首先達(dá)到最大值；鐵尾礦微粉摻量越大，流動(dòng)度相對(duì)小一點(diǎn)，但是在減水劑摻量達(dá)到1.2%時(shí)，均達(dá)到最大值，說(shuō)明鐵尾礦微粉摻量對(duì)凈漿流動(dòng)度具有一定影響。對(duì)于后續(xù)試驗(yàn)，當(dāng)鐵尾礦微粉摻量在30%范圍內(nèi)，減水劑摻量在1.2%時(shí)為最佳摻量。

2.2 鐵尾礦微粉對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響

圖6～7為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，不同鐵尾礦微粉摻量的水泥膠砂抗折、抗壓強(qiáng)度的影響曲線。

圖6 鐵尾礦微粉對(duì)水泥膠砂抗折強(qiáng)度的影響

圖7 鐵尾礦微粉對(duì)水泥膠砂抗壓強(qiáng)度的影響

由圖6～7可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，隨著標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥膠砂抗折、抗壓強(qiáng)度都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；但是在相同的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，隨著鐵尾礦微粉摻量的增加，水泥砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度有小范圍的波動(dòng)，但是總體呈下降趨勢(shì)。不管鐵尾礦微粉的摻量多少，3、7 d屬于早期強(qiáng)度，均比較低，28、56 d屬于后期強(qiáng)度，均有明顯增長(zhǎng)。但是隨著鐵尾礦微粉的摻量增加，特別是早期強(qiáng)度的下降速率明顯，3d的抗折、抗壓強(qiáng)度下降最大的分別達(dá)到53%、47%，7 d的抗折、抗壓強(qiáng)度下降最大的分別達(dá)到26%、42%；而后期強(qiáng)度下降速率較小，28d的抗折、抗壓強(qiáng)度下降最大的為16%、36%，56 d的抗折、抗壓強(qiáng)度下降最大的為15%、29%。隨著齡期增長(zhǎng)，膠砂的抗折、抗壓強(qiáng)度整體下降幅度減少，說(shuō)明鐵尾礦微粉可能參與二次水化作用，使膠砂在后期強(qiáng)度增長(zhǎng)上得到補(bǔ)償。

根據(jù)圖7中鐵尾礦微粉30%取代水泥的抗壓強(qiáng)度，計(jì)算可知測(cè)得鐵尾礦微粉7d活性指數(shù)（《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GBT 51003-2014））為57%（＞55%），達(dá)到礦物摻合料活性指數(shù)二級(jí)；28d活性指數(shù)為63%（＜65%），未達(dá)到礦物摻合料活性指數(shù)二級(jí)。

2.3 鐵尾礦微粉對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（JGJ55-2011）》設(shè)計(jì)要求，水灰比取0.37，膠凝材料用量為390kg/m3，鐵尾礦微粉摻量分別為10%、20%、30%。力學(xué)試驗(yàn)配合比及強(qiáng)度如表7所示。

表7 混凝土力學(xué)試驗(yàn)配合比及強(qiáng)度

2.3.1 鐵尾礦微粉對(duì)混凝土抗折試驗(yàn)的影響

鐵尾礦微粉摻量在0%～30%的變化范圍內(nèi)對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表7、圖8所示。

圖8 不同鐵尾礦微粉摻量下的混凝土抗折強(qiáng)度

由表7、圖8可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的齡期為7、28 d，摻有鐵尾礦微粉的混凝土抗折強(qiáng)度均低于普通混凝土，且隨著鐵尾礦微粉摻量增大，抗折強(qiáng)度逐漸減小；另外，隨著鐵尾礦摻量增加，由7～28 d齡期的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度由不摻鐵尾礦的1.2 MPa下降至摻量30%的1.03 MPa，但是7～28 d的后期抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率由沒(méi)摻鐵尾礦的29.6%增長(zhǎng)到33%。說(shuō)明鐵尾礦微粉的摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度雖然影響明顯，但是由于鐵尾礦微粉可能參與二次水化反應(yīng)，使其后期強(qiáng)度得到更多的增長(zhǎng)補(bǔ)償。

2.3.2 鐵尾礦微粉對(duì)混凝土抗壓試驗(yàn)的影響

鐵尾礦微粉摻量在0%～30%的變化范圍內(nèi)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表7、圖9所示。

圖9 不同鐵尾礦微粉摻量下的混凝土抗壓強(qiáng)度

通過(guò)表7、圖9可知，7 d混凝土抗壓強(qiáng)度大于30 MPa，28 d混凝土抗壓強(qiáng)度大于40 MPa。與抗折強(qiáng)度類似，不同鐵尾礦微粉摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)；隨著鐵尾礦微粉摻量提高，混凝土抗壓強(qiáng)度總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，但是鐵尾礦微粉混凝土后期的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率逐漸提高，主要是因?yàn)殍F尾礦微粉參與了二次水化反應(yīng)。圖9同樣說(shuō)明鐵尾礦微粉摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度雖然影響明顯，但后期強(qiáng)度因?yàn)殍F尾礦微粉可能參與二次水化反應(yīng)而得到更大程度的增長(zhǎng)補(bǔ)償。

2.3.3 鐵尾礦微粉對(duì)混凝土抗折/抗壓強(qiáng)度之比的影響

由圖10可以看出隨著鐵尾礦微粉的摻量增大，7、28 d的抗折與抗壓強(qiáng)度之間比值整體均呈下降趨勢(shì)。鐵尾礦摻量為0%、10%時(shí)抗折與抗壓強(qiáng)度之間比值最大，均約11.2%。

圖10 混凝土抗折/抗壓強(qiáng)度之比

混凝土抗折強(qiáng)度主要來(lái)自于凈漿粘結(jié)強(qiáng)度，而抗壓強(qiáng)度除了來(lái)自于凈漿粘結(jié)強(qiáng)度外，骨料的骨架結(jié)構(gòu)對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生有利影響。隨著鐵尾礦微粉的摻量增加，混凝土粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)逐步降低，同時(shí)由圖4可知本研究的級(jí)配為骨架結(jié)構(gòu)，因此隨著鐵尾礦微粉的摻量增加到10%以上時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度的下降速度大于抗壓強(qiáng)度的下降速度，結(jié)果如圖10所示：當(dāng)鐵尾礦微粉摻量大于10%時(shí)，抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論

通過(guò)鐵尾礦微粉取代部分水泥，進(jìn)行水泥凈漿流動(dòng)性試驗(yàn)，水泥膠砂強(qiáng)度、混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)的測(cè)試與分析，可得3點(diǎn)結(jié)論。（1）鐵尾礦微粉摻量對(duì)凈漿流動(dòng)度具有一定影響，當(dāng)鐵尾礦微粉摻量在30%范圍內(nèi)，高效減水劑摻量在1.2%時(shí)為最佳摻量。（2）在相同的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，隨著鐵尾礦微粉摻量的增加，整體呈下降趨勢(shì)；鐵尾礦微粉參與二次水化作用，使膠砂抗折、抗壓后期強(qiáng)度得到補(bǔ)償性增長(zhǎng)。7 d活性指數(shù)達(dá)到礦物摻合料活性指數(shù)二級(jí)；28 d活性指數(shù)未達(dá)到礦物摻合料活性指數(shù)二級(jí)。（3）隨著鐵尾礦微粉摻量的增加，混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)；鐵尾礦微粉摻量超過(guò)10%時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度的下降速度大于抗壓強(qiáng)度的下降速度，抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。