鐵尾礦石骨料特征及在混凝土中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究

田 帥，張 功，胡文靜，苗振坤

（遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山114051）

中國露天鐵礦山每年剝離的鐵尾礦石達(dá)數(shù)億噸，堆存在排巖場，不僅占用土地，而且存在安全隱患［1］。為保護(hù)環(huán)境、減少危害，我國對(duì)礦山廢棄資源開展處理和利用研究。礦山廢棄資源可以應(yīng)用在建筑材料中，如粗粒尾礦破碎后可以用作混凝土粗骨料，細(xì)粒尾礦可以直接用作建筑用砂［2］。陳杏婕等［3］利用鐵尾礦石制備高強(qiáng)度混凝土，研究表明，鐵尾礦石符合Ⅰ級(jí)碎石標(biāo)準(zhǔn)，可以完全替代天然砂石骨料。任才富等［4］利用鐵尾礦石制備透水性混凝土。王玉雅等［5］利用鐵尾礦砂作為細(xì)骨料制備C50混凝土，研究表明，當(dāng)鐵尾礦砂取代率為20%時(shí)，鐵尾礦砂對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響不大。王光琦等［6］利用鐵尾礦砂代替天然河砂作為細(xì)骨料應(yīng)用在混凝土中，研究表明，鐵尾礦砂混凝土可以代替普通混凝土用于建筑結(jié)構(gòu)之中。諸多研究說明，鐵尾礦石具有較高的硬度，用作混凝土粗骨料，能夠增強(qiáng)混凝土的骨架特性。如何高效開發(fā)利用鐵尾礦石，提高其在混凝土中的利用率，是當(dāng)前鐵礦山廢棄資源在建筑材料方向研究的一個(gè)課題。本文對(duì)鞍山赤鐵礦尾礦石破碎的骨料進(jìn)行物理特征分析，對(duì)配制的普通混凝土、高強(qiáng)混凝土和無砂混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，對(duì)比鐵尾礦石粗骨料在不同混凝土中的骨架性能差異，為鐵尾礦石用作混凝土骨料的合理利用提供依據(jù)和參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 骨料性能檢測方法

在鞍山某礦山對(duì)赤鐵礦鐵尾礦石取樣、破碎、篩分后，采用光譜儀及氯離子含量測定儀檢測鐵尾礦石中的化學(xué)成分及氯離子含量。依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》［7］《建筑用卵石、碎石》［8］標(biāo)準(zhǔn)，開展鐵尾礦石的骨料性能試驗(yàn)及顆粒形狀與表面特征的統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 混凝土配合比

1.2.1 普通混凝土 采用P·O32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥配制普通混凝土。采用鐵尾礦石破碎的粗骨料，級(jí)配組成為4.75~28 mm，粒徑4.75 mm約占20%、9.5 mm約占35%、19 mm占約35%、28 mm約占10%。細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.73的河砂，表觀密度2 610 kg/m3。

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》［9］，當(dāng)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度小于C60時(shí)，配制強(qiáng)度

式中：fcu,o為混凝土配制強(qiáng)度，MPa；fcu,k為混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)值，MPa；σ為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。

灰水比C/W依據(jù)鮑羅米公式［9］確定

式中：αa、αb為回歸系數(shù)，取αa=0.53，αb=0.20；fb為水泥漿體28 d膠砂抗壓強(qiáng)度值，MPa。

根據(jù)粗骨料最大粒徑以及混凝土塌落度要求，確定用水量及水泥用量。根據(jù)粗骨料品種、最大粒徑及水灰比確定砂率βs。普通混凝土配合比計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 普通混凝土配合比，kg/m3Tab.1 Mix proportion of ordinary concrete，kg/m3

1.2.2 高強(qiáng)混凝土 采用P·O52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥配制高強(qiáng)混凝土。依據(jù)混凝土配合比設(shè)計(jì)及《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［10］，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60~C80時(shí)，鐵尾礦石粗骨料級(jí)配組成與普通混凝土一樣；當(dāng)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)大于C80時(shí)，鐵尾礦石粗骨料最大粒徑應(yīng)低于20 mm；當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)為C90時(shí)，鐵尾礦石粗骨料級(jí)配組成為4.75~19 mm，其中粒徑分布為4.75 mm約占30%、9.5 mm約占35%、19 mm約占35%。細(xì)骨料與普通混凝土相同。

參考《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度大于C60時(shí)，配制強(qiáng)度

高強(qiáng)混凝土水灰比計(jì)算仍可采用式（2），但回歸系數(shù)取值與普通混凝土不同，取αa=0.40，αb=0.18。

高強(qiáng)混凝土粗、細(xì)骨料的用量與普通混凝土不同，每立方米混凝土粗骨料用量mgo計(jì)算式

式中：ρg為粗骨料松散堆積密度，kg/m3。

細(xì)骨料用量通過砂率確定。高強(qiáng)混凝土的單位用水量、水泥用量、粗骨料及細(xì)骨料用量的計(jì)算過程與普通混凝土基本相同。高強(qiáng)混凝土配合比計(jì)算結(jié)果詳見表2。

表2 高強(qiáng)混凝土配合比，kg/m3Tab.2 Mix proportion of high strength concrete，kg/m3

1.2.3 無砂混凝土 采用P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥配制無砂混凝土。鐵尾礦石粗骨料分別選用9.5、13.2、19.0、23.0 mm單一粒徑碎石。混凝土中無細(xì)骨料。

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》以及無砂混凝土配合比設(shè)計(jì)資料［4，11］，選擇C40作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度，無砂混凝土配制強(qiáng)度

式中：σv為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。

無砂混凝土水泥用量［11］計(jì)算式

式中：fce為水泥實(shí)測強(qiáng)度（如無實(shí)測值，可按1.13倍水泥強(qiáng)度等級(jí)值取用），MPa。

水灰比通過兩種方式來確定，其一是通過試件成型現(xiàn)象來判別，如果水泥在集料表面包裹均勻，沒有水泥漿下淌現(xiàn)象，而且顆粒有金屬光澤，則說明水灰比合適；其二是通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定。采用兩種方式，水灰比將更加準(zhǔn)確合理。水灰比經(jīng)驗(yàn)公式［11］

為確保無砂混凝土強(qiáng)度，漿集比取0.45。根據(jù)漿集比計(jì)算粗骨料用量。無砂混凝土配合比計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表3 無砂混凝土配合比，kg/m3Tab.3 Mix proportion of non-sand concrete，kg/m3

1.2.4 實(shí)驗(yàn)方法 為準(zhǔn)確對(duì)比鐵尾礦石作為粗骨料對(duì)混凝土性能的影響，試件制作時(shí)，普通混凝土、無砂混凝土不使用外加劑。為確保高強(qiáng)混凝土的塌落度、流動(dòng)性等符合要求，摻入0.5%的聚羧酸減水劑。

抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)用試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)分組，每組3個(gè)試件。按三種混凝土配合比混料拌和，振動(dòng)臺(tái)成型，24 h后脫模。試件養(yǎng)護(hù)溫度為20℃，相對(duì)濕度為95%，養(yǎng)護(hù)28 d。實(shí)驗(yàn)設(shè)備選用100t壓力機(jī)，普通混凝土與無砂混凝土加載速度0.5 MPa/s，高強(qiáng)混凝土加載速度0.8 MPa/s。觀察試件的破壞現(xiàn)象，記錄破壞極限荷載，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 骨料性能分析

鐵尾礦石骨料的化學(xué)成分及鐵含量測定結(jié)果：w（Na2O）=0.293 8%，w（MgO）=0.715 3%，w（BaO）=0.598 8%，w（P）=0.105 4%，w（S）=0.115 9%，w（TiO2）=0.042 7%，w（Fe）=6.053%，w（Zn）=0.030 5%，w（Sc）=0%，w（Cl-）=0.016%。鐵尾礦石中氯離子含量≤0.02%，硫化物及硫酸鹽含量≤0.05%；鐵含量極低，為超貧鐵礦石；礦石中的MgO和Na2O含量很低，不會(huì)對(duì)水泥的技術(shù)性能產(chǎn)生不利影響。將鐵尾礦石用作骨料時(shí)符合相關(guān)規(guī)范要求。

鐵尾礦石粗骨料的物理力學(xué)性能測定結(jié)果如表4所示。粗骨料表觀密度略大于普通骨料，空隙率較高，嵌鎖作用較強(qiáng)，堅(jiān)固性較好，抵抗凍融破壞能力較高；壓碎值和磨耗值較低，骨料的力學(xué)特性明顯。與不同規(guī)范中的集料規(guī)定［7-8，12-14］對(duì)比，鐵尾礦石用作混凝土粗骨料時(shí)屬于Ⅰ級(jí)料。

表4 粗骨料物理力學(xué)性能Tab.4 Physical and mechanical properties of coarse aggregate

鐵尾礦石細(xì)骨料的物理力學(xué)性能測定結(jié)果如表5所示。細(xì)骨料堆積密度和表觀密度符合規(guī)范要求；細(xì)度模數(shù)為粗砂；空隙率、壓碎值、石粉及泥塊含量等均接近或超出Ⅰ級(jí)細(xì)骨料規(guī)定［13-15］。因此，將鐵尾礦石用作混凝土細(xì)骨料時(shí)達(dá)不到Ⅰ級(jí)料標(biāo)準(zhǔn)。鐵尾礦石更適宜破碎成粗骨料在混凝土中使用。

表5 細(xì)骨料物理力學(xué)性能Tab.5 Physical and mechanical properties of fine aggregate

鐵尾礦石粗骨料的顆粒形狀統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示，圖中數(shù)字為三維尺寸。骨料主要分為六面體、五面體、四面體及不規(guī)則多面體。圖1a中六面體三維尺寸較為接近，呈塊狀；圖1b中長度方向尺寸遠(yuǎn)大于其他方向尺寸，呈細(xì)條狀。圖1c中五面體三維尺寸較為接近，形狀介于塊狀與細(xì)條狀之間；圖1d中厚度方向尺寸小于其他方向，呈薄片狀。圖1e四面體中三維尺寸較為接近，呈錐狀；圖1f中厚度方向尺寸小于其他方向，呈薄片狀。圖1g為不規(guī)則多面體的典型代表，有內(nèi)凹折面。

圖1 鐵尾礦石粗骨料顆粒形狀統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics on particle shape in coarse iron tail ore aggregate

對(duì)鐵尾礦石粗骨料的顆粒形狀分布進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，并與工程中常用的石灰?guī)r粗骨料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表6。鐵尾礦石骨料呈棱角形，具有粗糙的表面及明顯的棱邊，這與石灰?guī)r骨料基本相同。與石灰?guī)r不同的是，鐵尾礦石骨料顆粒具有片狀塊體特征，粒徑越小，這種特征越明顯，顆粒越容易脆斷。鐵尾礦石顆粒表面粗糙，10%左右顆粒表面具有孔隙特征。鐵尾礦石粗骨料的顆粒形狀與表面特征對(duì)混凝土性能具有很大影響。宏觀上，粗骨料棱角大，雖然使混凝土內(nèi)部骨架的孔隙率較大，但粗骨料自身可形成嵌緊咬合力，使骨架更呈整體。棱角性骨料使混凝土的流動(dòng)性較差。與卵石相比，具有棱角性的粗骨料易與砂漿結(jié)合，使混凝土的界面粘結(jié)強(qiáng)度變大。

表6 顆粒形狀與表面特征Tab.6 Particle shapes and surface characteristics

2.2 硬化混凝土抗壓強(qiáng)度

普通混凝土和高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度平均值均高于標(biāo)準(zhǔn)值；隨著強(qiáng)度等級(jí)提升，抗壓強(qiáng)度也在提高。普通混凝土的抗壓強(qiáng)度是標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的1.39~1.88倍，安全儲(chǔ)備很高。高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度是標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的1.01~1.13倍，安全儲(chǔ)備較小。

圖2 普通混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive strengths of ordinary concrete

圖3 高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strengths of high strength concrete

骨料粒徑和水灰比對(duì)無砂混凝土抗壓強(qiáng)度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。骨料粒徑相同時(shí)，水灰比為0.30時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高，實(shí)測強(qiáng)度是標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的0.9~1.3倍。隨著骨料粒徑的增大，抗壓強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)水灰比為0.30、骨料粒徑為19.0 mm時(shí)，無砂混凝土抗壓強(qiáng)度最高，是標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的1.3倍。

圖4 無砂混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.4 Compressive strengths of non-sand concrete

2.3 破壞形貌

三種混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)破壞形貌如圖5~圖7所示。普通混凝土受壓破壞時(shí)，試塊能夠保持一個(gè)整體，表面裂縫和脫落的混凝土塊相對(duì)較少。觀察試件內(nèi)部，裂縫大多出現(xiàn)在骨料砂漿界面和砂漿中，C30和C40級(jí)試塊中粗骨料基本沒有破壞，只有C50級(jí)試塊中粗骨料才有極少量的斷裂。破壞形貌表明，粗骨料在普通混凝土中基本沒有發(fā)揮作用。

圖5 普通混凝土破壞形貌Fig.5 Failure morphologies of ordinary concrete

圖7 無砂混凝土破壞形貌Fig.7 Failure morphologies of non-sand concrete

圖6 高強(qiáng)混凝土破壞形貌Fig.6 Failure morphologies of high strength concrete

高強(qiáng)混凝土受壓破壞時(shí)，C80和C90級(jí)試塊崩解，C60和C70級(jí)試塊雖未崩解，但表面裂縫很大，且混凝土塊大量脫落。試件內(nèi)部，鐵尾礦石粗骨料發(fā)生明顯斷裂，且數(shù)量較多。C60和C70級(jí)試件的裂縫以骨料與砂漿界面為主，骨料斷裂為輔；C80和C90級(jí)試件破壞斷面的骨料發(fā)生明顯的斷裂，且斷裂率很高，呈現(xiàn)粗骨料對(duì)稱的破壞面，且加載過程中破壞聲音較大，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。這表明鐵尾礦石粗骨料在C80以上的高強(qiáng)混凝土中得到充分利用。

無砂混凝土受壓破壞時(shí)，試塊仍能保持一個(gè)整體，外觀上破損不嚴(yán)重，試件內(nèi)部的斷裂面中大部分骨料發(fā)生斷裂。骨料粒徑增大對(duì)混凝土的抗壓傳力有利，但是骨料粒徑過大時(shí)，混凝土內(nèi)部空隙變大，界面面積減小，界面或骨料的臨界應(yīng)力使裂縫發(fā)展較快，更易形成貫通裂縫。鐵尾礦石粗骨料在無砂混凝土中較好地發(fā)揮骨架作用。砂漿和骨料粘結(jié)界面始終是混凝土破壞的最薄弱環(huán)節(jié)，無砂混凝土直接用水泥做粘結(jié)材料，恰好彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷。

三種混凝土的破壞現(xiàn)象表明，鐵尾礦石粗骨料在高強(qiáng)混凝土中的自身骨架性能發(fā)揮程度最高，普通混凝土最低，無砂混凝土居中。

2.4 混凝土破壞機(jī)理

促使混凝土破壞的根源在于其內(nèi)部的裂縫體系發(fā)展。在混凝土制備過程中產(chǎn)生的搗實(shí)孔、沁水腔等導(dǎo)致混凝土中存在大量預(yù)裂縫。受到外界荷載后，這些裂縫開始在混凝土內(nèi)部加速擴(kuò)展，逐漸連在一起形成體系。在裂縫擴(kuò)展途中，將有機(jī)會(huì)遇到水泥硬化漿體和粗骨料，而粗骨料的強(qiáng)度和剛度一般都大于硬化水泥漿體，對(duì)混凝土整體性能起到主導(dǎo)作用。

粗骨料對(duì)混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)影響可從以下兩方面進(jìn)行分析。一方面是粗骨料材料本身的特性。鐵尾礦石的強(qiáng)度和剛度都高于普通巖石，阻裂作用更為明顯，從而增強(qiáng)了混凝土的抗壓性能。另一方面取決于粗骨料的斷裂韌度及斷裂能。裂縫在混凝土內(nèi)部的發(fā)展與粗骨料之間關(guān)系存在兩種形式，即貫穿或繞過。依據(jù)斷裂力學(xué)能量理論，假定水泥漿體中存在原始裂縫長度c，當(dāng)外界應(yīng)力達(dá)到δM值時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展條件

式中：δM為外界應(yīng)力，MPa；y1為水泥漿體斷裂能，J；E為混凝土彈性模量，MPa。

假設(shè)裂縫擴(kuò)展Δc后遇到骨料，則裂縫沿著端部繼續(xù)擴(kuò)展的條件

式中：yA為粗骨料斷裂能，J。

只有當(dāng)外界應(yīng)力達(dá)到δA時(shí)，裂縫才有機(jī)會(huì)貫穿骨料擴(kuò)展。在大多數(shù)情況下，裂縫繞過骨料擴(kuò)展比貫穿骨料所需的能量要小。也就是在應(yīng)力還未增加到δA之前，裂縫會(huì)繞過骨料而擴(kuò)展。這種擴(kuò)展方式偏轉(zhuǎn)了裂縫原本的擴(kuò)展方向，增加了裂縫引申長度c，因而需吸收更多能量，起到阻裂混凝土破壞作用。

當(dāng)裂縫貫穿粗骨料發(fā)展時(shí)，粗骨料本身具有一定斷裂韌性及斷裂能，在能量平衡上起到主要作用。當(dāng)一條裂縫橫向貫穿混凝土內(nèi)部時(shí)，依據(jù)貫穿骨料數(shù)量可以估算骨料的穿透率。穿透率越大，骨料被利用的就越多，平衡的能量就越多，混凝土性能就越好。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果，繪出三種混凝土裂縫擴(kuò)展方式及粗骨料穿透率，如圖8所示。普通混凝土中，鐵尾礦石粗骨料斷裂較少，主要以硬化水泥砂漿斷裂表面能平衡及吸收能量，穿透率只有15%。高強(qiáng)混凝土中，粗骨料發(fā)生了明顯的破壞，平衡能量的主要來源是粗骨料的斷裂能，穿透率達(dá)到50%，使混凝土發(fā)生破壞的極限應(yīng)力值增大，抗壓性能增強(qiáng)。無砂混凝土內(nèi)部存在一定的孔隙，使用水泥做粘結(jié)材料，由水泥漿體和部分粗骨料一起平衡能量，粗骨料的穿透率介于普通混凝土與高強(qiáng)混凝土之間。

圖8 三種混凝土內(nèi)部穿透Fig.8 Internal penetrations of three concretes

3 結(jié)論

本文對(duì)鐵尾礦石骨料進(jìn)行特征分析，并將其作為骨料制作普通混凝土、高強(qiáng)混凝土和無砂混凝土，開展抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

（1）鐵尾礦石骨料的化學(xué)成分中，氯離子、MgO、Na2O等含量很低。鐵尾礦石粗骨料力學(xué)特性明顯，棱角性較強(qiáng)，符合Ⅰ級(jí)料要求，適合在混凝土中使用。

（2）三種混凝土具備良好的抗壓性能。普通混凝土的抗壓強(qiáng)度是標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的1.39~1.88倍，安全儲(chǔ)備很高。高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度是標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的1.01~1.13倍，安全儲(chǔ)備較小。當(dāng)水灰比為0.30、骨料粒徑為19.0 mm時(shí)，無砂混凝土抗壓強(qiáng)度最高，是標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的1.3倍。

（3）三種混凝土破壞形貌不同。C50級(jí)試件粗骨料有極少量的斷裂。C60和C70級(jí)試件的裂縫以骨料與砂漿界面為主，骨料斷裂為輔。C80和C90級(jí)試件破壞斷面的骨料發(fā)生明顯斷裂。無砂混凝土試件內(nèi)部大部分骨料斷裂。鐵尾礦石粗骨料在高強(qiáng)混凝土中的自身骨架性能發(fā)揮程度最高。

（4）三種混凝土破壞機(jī)理不同。普通混凝土以硬化水泥砂漿斷裂表面能平衡及吸收能量。高強(qiáng)混凝土以粗骨料的斷裂能平衡能量，增強(qiáng)混凝土的抗壓性能。無砂混凝土以水泥漿和部分粗骨料一起平衡能量。高強(qiáng)混凝土穿透率最高，無砂混凝土粗骨料的穿透率介于普通混凝土與高強(qiáng)混凝土之間。