鐵尾礦機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)研究

朱久玉

（天津聯(lián)創(chuàng)混凝土有限公司，天津 301714）

項(xiàng)目組通過試驗(yàn)研究，分析鐵尾礦機(jī)制砂對(duì)預(yù)拌混凝土工作性能、力學(xué)性能及耐久性能的影響，指導(dǎo)混凝土生產(chǎn)企業(yè)合理使用鐵尾礦機(jī)制砂，緩解天然砂資源緊缺的現(xiàn)狀。

1 原材料、儀器設(shè)備

1.1 原材料

（1）水泥：本項(xiàng)目采用唐山金劍水泥有限公司生產(chǎn)的 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其基本物理化學(xué)性能測試結(jié)果見表 1，符合 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中的相關(guān)指標(biāo)要求。

表1 水泥性能檢驗(yàn)結(jié)果

（2）礦粉：本項(xiàng)目采用河北鋼鐵建設(shè)集團(tuán)生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉，其基本物理化學(xué)性能測試結(jié)果見表 2，符合 GB/T 18046—2017《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》中相關(guān)性能指標(biāo)的要求。

表2 礦粉性能檢驗(yàn)結(jié)果

（3）粉煤灰：本項(xiàng)目采用天津北疆環(huán)保建材有限公司生產(chǎn)的 F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰，其基本物理化學(xué)性能測試結(jié)果見表 3，符合 GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中相關(guān)性能指標(biāo)的要求。

表3 粉煤灰基本性能檢驗(yàn)結(jié)果

（4）鐵尾礦機(jī)制砂：本項(xiàng)目采用的鐵尾礦砂產(chǎn)自唐山市宏泰礦業(yè)集團(tuán)有限公司，分為粗砂、細(xì)砂兩種規(guī)格，其基本物理化學(xué)性能測試結(jié)果見表 4。

表4 鐵尾礦砂基本性能檢驗(yàn)結(jié)果

（5）碎石：本項(xiàng)目采用河北省生產(chǎn)的 5～25mm連續(xù)粒級(jí)碎石，其技術(shù)指標(biāo)測結(jié)果見表 5，符合 GB/T 14685—2011《建設(shè)用碎石卵石》中相關(guān)性能指標(biāo)的要求。

表5 碎石技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果

（6）外加劑：本項(xiàng)目采用聚羧酸系高性能減水劑，型號(hào) HK-1，其性能測試結(jié)果符合 GB 8076—2008《混凝土外加劑》中相關(guān)性能指標(biāo)的要求。

（7）水：本項(xiàng)目采用自來水，符合 JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》中混凝土拌合用水相關(guān)性能指標(biāo)的要求。

1.2 儀器設(shè)備

本項(xiàng)目混凝土試驗(yàn)采用 HJW-60 型單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)。

2 試驗(yàn)方案、配合比及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)方案

我公司日常生產(chǎn)多為 C15～C50 范圍內(nèi)的中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，項(xiàng)目組本次試驗(yàn)研究首次嘗試配制 C60高強(qiáng)度等級(jí)鐵尾礦砂混凝土。采用鐵尾礦粗、細(xì)砂配制強(qiáng)度等級(jí) C20、C35、C60 混凝土，試驗(yàn)研究其對(duì)新拌混凝土和易性的影響；分別進(jìn)行硬化試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、軸心抗壓、彈性模量、碳化試驗(yàn)、抗凍試驗(yàn)和收縮試驗(yàn)，研究鐵尾礦砂對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土力學(xué)性能和耐久性能的影響。

鐵尾礦粗砂缺少細(xì)顆粒，若單獨(dú)使用，所配制的混凝土漿體粘聚性較差，容易出現(xiàn)離析、泌水等現(xiàn)象，需要增加大量膠凝材料。根據(jù)我公司實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目組在鐵尾礦粗砂中摻入一定比例的鐵尾礦細(xì)砂混合使用，完善細(xì)骨料顆粒級(jí)配。表 6 為我公司推薦采用的不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土細(xì)骨料中鐵尾礦細(xì)砂摻量范圍。

表6 不同等級(jí)混凝土中細(xì)骨料鐵尾礦細(xì)砂建議摻量

2.2 混凝土配合比

試配選用 C20、C35、C60 三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，將鐵尾礦砂粗砂和細(xì)砂混合作為細(xì)骨料使用。由于鐵尾礦砂的顆粒形狀多成針片狀，含有大量裂隙，對(duì)混凝土的流動(dòng)性有一定的影響，而且鐵尾礦砂中也有一定量的石粉，需要增加拌合用水，才能使配制的混凝土坍落度達(dá)到天然砂混凝土的程度。而且由于鐵尾礦砂的表觀密度比天然砂大，所以混凝土配合比中砂率適當(dāng)提高。C20 混凝土配合比中膠凝材料總量為 340kg/m3，礦粉、粉煤灰摻量均為 20.6%，砂率為 48%，水膠比為 0.60，細(xì)骨料中鐵尾礦細(xì)砂占 30%；C35 混凝土配合比中膠凝材料總量為 400kg/m3，礦粉摻量為 23%，粉煤灰摻量 18%，砂率為 45%，水膠比為 0.50，細(xì)骨料中鐵尾礦細(xì)砂占30%；C60 混凝土配合比中膠凝材料總量為 540kg/m3，礦粉摻量為 19%，粉煤灰摻量為 11%，砂率為 42%，水膠比為 0.31，細(xì)骨料中鐵尾礦細(xì)砂占 27%。三個(gè)不同強(qiáng)度等級(jí)的鐵尾礦砂混凝土配合比見表 7。

表7 混凝土試配配合比 kg/m3

2.3 試驗(yàn)方法

新拌混凝土坍落度檢測依據(jù) GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》；混凝土力學(xué)性能檢測依據(jù) GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)方法進(jìn)行；混凝土耐久性檢測按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中混凝土抗碳化性能、抗凍融性能（慢凍法）和收縮性能的試驗(yàn)方法測試。

3 試驗(yàn)研究結(jié)果分析

3.1 混凝土拌合物性能

鐵尾礦砂混凝土拌合物和易性及坍落度測試結(jié)果見表 8。

表8 試配坍落度擴(kuò)展度記錄表

測試結(jié)果表明采用鐵尾礦砂配制不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的坍落度都超過 200mm，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增大，膠凝材料的增加，水膠比的降低，混凝土拌合物的粘度逐漸增加。C20 混凝土略微有泌水現(xiàn)象。不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土坍落度測試見圖 1。

圖1 鐵尾礦砂混凝土拌合物坍落度測試結(jié)果

3.2 混凝土力學(xué)性能

鐵尾礦砂混凝土力學(xué)性能測試結(jié)果見表 9。

表9 混凝土力學(xué)性能測試結(jié)果（28d）

鐵尾礦砂混凝土力學(xué)性能測試結(jié)果表明：在提高水膠比和砂率的前提下鐵尾礦砂混凝土試件 28d 抗壓強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度；由于鐵尾礦砂顆粒表面粗糙，增加與水泥漿體的機(jī)械咬合力，所以鐵尾礦砂混凝土劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度比相同強(qiáng)度等級(jí)天然砂混凝土略大；三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)鐵尾礦砂混凝土彈性模量與天然砂混凝土相近。

3.3 混凝土耐久性能

鐵尾礦砂混凝土抗凍性和碳化試驗(yàn)測試結(jié)果見表10，干燥收縮試驗(yàn)結(jié)果見圖 2。

表10 鐵尾礦砂混凝土抗凍性能（慢凍法）和抗碳化性能測試結(jié)果（28d）

圖2 天然砂、混合砂混凝土干燥收縮測試結(jié)果

耐久性能測試結(jié)果表明：鐵尾礦砂混凝土 50 次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度損失較小；鐵尾礦砂混凝土碳化深度隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高、密實(shí)度的增加而減??；C60 鐵尾礦砂混凝土經(jīng)過 28d 沒有被碳化；三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)鐵尾礦砂混凝土的干燥收縮率規(guī)律相近，90d 之后基本穩(wěn)定。

4 生產(chǎn)應(yīng)用情況

我公司自使用鐵尾礦砂以來，取得了相當(dāng)好的效益，近兩年來，鐵尾礦砂混凝土年產(chǎn)量達(dá) 80 萬方，其中大項(xiàng)目包括：中冶天工集團(tuán)沐景園項(xiàng)目，使用尾礦混凝土約 15 萬方，天津小站建筑公司采微雅苑項(xiàng)目，約24 萬方。經(jīng)過現(xiàn)場各方面檢測驗(yàn)證，強(qiáng)度性能相當(dāng)理想，完全滿足設(shè)計(jì)要求。鐵尾礦砂混凝土在生產(chǎn)使用過程中，力學(xué)性能較好，雖然生產(chǎn)用水量略有增加，但通過一年的實(shí)體驗(yàn)證強(qiáng)度完全滿足要求。圖 3 為施工現(xiàn)場表觀狀態(tài)，與普通河砂混凝土外觀無差別。工程現(xiàn)場實(shí)體回彈結(jié)果顯示實(shí)體強(qiáng)度完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 中冶項(xiàng)目實(shí)物尾礦砂配制 C35 混凝土

5 結(jié)論

（1）將鐵尾礦粗砂和細(xì)砂混合，作為混凝土細(xì)骨料，適當(dāng)提高水膠比和砂率，制備出的混凝土具有良好的和易性和工作性。

（2）三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的鐵尾礦砂混凝土力學(xué)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度；鐵尾礦砂混凝土劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度比相同強(qiáng)度等級(jí)天然砂混凝土略高；混凝土彈性模量與天然砂混凝土相近。

（3）鐵尾礦砂混凝土抗凍融、抗碳化性能良好；三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)鐵尾礦砂混凝土的干燥收縮率規(guī)律相近，90d 之后基本穩(wěn)定。

（4）通過我公司近八年大量應(yīng)用證明，鐵尾礦砂作為細(xì)骨料制備混凝土，具有與普通混凝土基本相同的性能，用鐵尾礦砂代替天然砂配制混凝土是可行的。