高性能鐵尾礦細骨料混凝土配合比優(yōu)化措施研究

屈琳琳

(河北石油職業(yè)技術(shù)大學 建筑工程系,河北 承德 067000)

礦石經(jīng)過選別、綜合利用處理后,其主要有用組分富集成精礦,而其它剩余固體廢料稱為尾礦[1]。尾礦中含有一定數(shù)量的有用金屬和礦物,具有儲量大、堆存相對集中、顆粒細小、成本較低、可利用性大的特點。尾礦已成為我國目前產(chǎn)出量最大、堆存量最多的固體廢棄物,尾礦堆存不僅造成了土地資源的巨大浪費,而且?guī)砹藝乐氐沫h(huán)境問題和安全隱患,對水源造成嚴重威脅[2]?；炷潦悄壳肮こ探ㄔO(shè)使用中最大宗的建筑結(jié)構(gòu)材料,在當代土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用,將尾礦作為細骨料應(yīng)用在混凝土上是解決尾礦大量堆存問題的有效途徑,不僅可以降低建筑材料成本,還可以實現(xiàn)尾礦減量化、資源化、土地節(jié)約和環(huán)境保護。據(jù)統(tǒng)計,尾礦砂的細度模數(shù)多在1.3～1.8,屬于細砂或特細砂,直接配制混凝土會嚴重影響拌合物的工作性能,故與機制砂配制成合理比例的混合砂作為細骨料是目前尾礦綜合利用制備混凝土的有效途徑。本文針對承德周邊鐵尾礦砂資源,以鐵尾礦砂與機制砂復(fù)合作為細集料配制不同強度的高性能混凝土,對其工作性能、力學性能進行試驗研究分析,繼而進行配合比優(yōu)化措施的探討與研究。

1 試驗材料及配合比設(shè)計

1.1 試驗材料

1)水泥為普通硅酸鹽水泥,強度等級42.5,符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的相關(guān)要求規(guī)定。

2)粗集料為人工碎石,粒徑范圍為6～20 mm,連續(xù)級配。

3)細集料中的機制砂為碎石破碎后的砂子,細度模數(shù)為3.16,符合《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)中Ⅱ區(qū)砂的級配要求。

1.2 試驗過程

C40～C60高性能混凝土設(shè)計配合比如表1所示。

表1 C40～C60高性能混凝土設(shè)計配合比 kg/m3

2 試驗結(jié)果與分析

為更好地分析尾礦機制砂復(fù)合細骨料混凝土的相關(guān)性能指標,將尾礦在細骨料中的摻和比例(10%、20%、30%)作為試驗參考數(shù)據(jù),試驗結(jié)果見表2及圖1～圖3。其中混凝土的工作性能試驗測定方法參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2002),混凝土力學性能試驗測定方法參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)。

由表2可以看出,鐵尾礦在細集料中的所占比例對高性能尾礦砂混凝土的力學性能影響不大,以10%、20%、30%作為不同比例參數(shù)時,混凝土的各齡期強度均呈現(xiàn)一定程度的變化,但變化幅度不明顯。從力學性能的角度來看,混凝土在配制過程中,采用細集料為鐵尾礦與機制砂合成的復(fù)合砂,其混凝土強度要求滿足規(guī)范規(guī)定。

表2 C40-C60高性能混凝土強度試驗結(jié)果

根據(jù)混凝土的配制經(jīng)驗得知,處于Ⅱ區(qū)中砂的細集料配制出來的混凝土工作性能表現(xiàn)較好。鐵尾礦砂細度模數(shù)過小,單獨作為細集料進行混凝土配制,得到的混凝土各項性能較差,同時易出現(xiàn)流動性差以及泌水現(xiàn)象[3],將鐵尾礦砂與機制砂進行混合后,尾礦砂所占比例越大,其細度模數(shù)相應(yīng)也越小。從圖1～圖3中可知,采用尾礦機制復(fù)合砂作為細集料來配制的混凝土在坍落度和性能方面,已基本符合拌合混凝土的施工要求。從試驗結(jié)果中可以明顯看出,C40～C60混凝土中,隨著尾礦占細集料比例的增加,坍落度數(shù)值表現(xiàn)逐漸變差,流動性相對降低。尾礦含量占比在10%～30%時,隨著占比的增加,坍落度數(shù)值也增大。分析其原因,可能由于鐵尾礦機制復(fù)合砂的細度模數(shù)與單純機制砂相比偏小,導(dǎo)致混凝土比表面積加大,使得達到目標坍落度時的需水量增加,從而影響了混凝土的流動性能[4]。試驗過程中高性能尾礦機制復(fù)合砂混凝土未出現(xiàn)泌水現(xiàn)象,工作性能良好,其為鐵尾礦在高性能混凝土領(lǐng)域的的綜合利用提供試驗基礎(chǔ)。

3 配合比優(yōu)化措施探究

3.1 骨料級配優(yōu)化

均勻骨料級配不僅對新拌混凝土的工作性能具有顯著影響,而且對硬化混凝土的強度、收縮性能、徐變以及耐久性能的影響也非常重要[5]。摻和骨料級配控制采用骨料粗糙度因子—工作性因子圖方法:X軸為骨料粗糙度因子,Y軸為工作性因子。粗糙度因子反映摻和骨料粗顆粒與中等粒徑顆粒之間的關(guān)系,被定義為摻和骨料在9.5 mm篩的篩余與2.36 mm篩的篩余的比值,用百分比來表示。Y軸代表摻和骨料通過2.36 mm篩的百分比?；緢D是依據(jù)水泥基材料用量為335 kg/m3建立的,當水泥基材料用量不是335 kg/m3時,應(yīng)對該圖進行修正,即水泥基材料用量提高或降低時,應(yīng)相應(yīng)減少或增加細骨料用量以保持相同的工作性因子。若細集料用量沒有隨水泥基材料用量的變化而變化,則拌合物的工作性能將產(chǎn)生變化?；炷凉ぷ餍阅芸刂茍D如圖4所示,分為5個區(qū)域,根據(jù)實際工程經(jīng)驗,落入每個區(qū)域的摻和骨料級配具有以下特征:

區(qū)域Ⅰ:該區(qū)域為間斷級配區(qū)域,由于缺少中間粒徑骨料,混凝土在澆注過程中易產(chǎn)生離析現(xiàn)象。

區(qū)域Ⅱ:該區(qū)域為優(yōu)化區(qū)域,處于此區(qū)域的混凝土呈現(xiàn)出和易性好、質(zhì)量高的特點。

區(qū)域Ⅲ:對于骨料粒徑小于等于12.5 mm的混凝土來說,該區(qū)域為優(yōu)化區(qū)域。

區(qū)域Ⅳ:該區(qū)域骨料過細,在混凝土配制過程中易產(chǎn)生離析沁水現(xiàn)象,抗?jié)B性能差,易出現(xiàn)開裂、翹曲以及剝落等現(xiàn)象。

區(qū)域Ⅴ:骨料較多,難澆注。骨料級配優(yōu)化方法根據(jù)骨料粗糙度因子、混凝土工作性因子進行混凝土優(yōu)化設(shè)計,具有簡便而有效的特點,可以同時保證混凝土配制質(zhì)量以及性能優(yōu)化。

3.2 原材料優(yōu)化

混凝土的工作性能與原材料密切相關(guān)。高性能尾礦砂混凝土材料主要包括粗骨料、細骨料、摻和物、外加劑、水泥等,在進行配合比優(yōu)化時,應(yīng)嚴格控制其原材料的品質(zhì)質(zhì)量,并根據(jù)規(guī)范要求進行檢測。尤其是尾礦砂的化學組成成分,按照《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)標準,砂中SO3的含量必須小于0.5%。因此在每一階段施工結(jié)束時都應(yīng)及時進行原材料抽檢工作,抽檢工作完成后再繼續(xù)后續(xù)工作的推進,同時,多重檢測可以增加材料的檢測結(jié)果準確性[6]。

3.3 更改膠凝材料組成比例

根據(jù)工程經(jīng)驗,正常條件下應(yīng)確保高性能混凝土中的水膠比控制在0.40以下。在本文試驗過程中,配制的C40混凝土水膠比為0.40、C50混凝土水膠比為0.33、C60混凝土水膠比為0.29。在水膠比確定之后,可根據(jù)摻和物來進行混凝土配合比的優(yōu)化。在強度等級為C50～C70的高性能混凝土配制中,20%～50%的水泥可用15%～30%的礦渣或優(yōu)質(zhì)粉煤灰代替[7]。

4 結(jié)論

本文通過試驗研究的方式對鐵尾礦含量占比不同的高性能鐵尾礦混凝土進行研究,并探究相關(guān)配合比優(yōu)化方法,得到以下結(jié)論:

1)以10%、20%、30%作為不同比例參數(shù)時,混凝土的各齡期強度的變化幅度相差不明顯,但鐵尾礦與機制砂合成的復(fù)合砂作為細集料配制出的混凝土可以滿足規(guī)范規(guī)定的混凝土強度要求。

2)C40～C60混凝土中隨著尾礦占細集料比例的增加,坍落度數(shù)值表現(xiàn)較差,流動性相對降低。尾礦含量占比在10%～30%時,隨著占比的增加,坍落度數(shù)值也增大。

3)基于骨料粗糙度因子—工作性因子的級配優(yōu)化方法具有簡便而有效的特點,可以同時保證混凝土配制質(zhì)量以及性能優(yōu)化,建議在高性能混凝土配制過程中采用。