鐵尾礦骨料配制預(yù)拌混凝土應(yīng)用技術(shù)研究

王子龍，翟文周，潘金敢，趙鋒

（南京中聯(lián)混凝土有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

鐵尾礦是選礦后的工業(yè)固體廢棄物，隨著我國(guó)工業(yè)化的迅速發(fā)展，鐵尾礦的產(chǎn)量與日俱增，已成為主要的工業(yè)固體廢棄物[1]。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)鐵尾礦混凝土的研究較多，但大多集中于實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)研究，規(guī)模較小，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究較少，鐵尾礦利用率低。此外，各礦區(qū)尾礦品質(zhì)參差不齊，物化性質(zhì)差異大，配制的混凝土性能差別明顯，研究結(jié)果具有一定的獨(dú)特性。試驗(yàn)使用閃長(zhǎng)玢巖骨料大摻量（50%和100%）替代石灰?guī)r骨料配制C30和C40混凝土，對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能以及骨料吸水率展開(kāi)研究，目的是為了提高鐵尾礦二次資源無(wú)害化利用率，降低商品混凝土的生產(chǎn)成本，為鐵尾礦骨料混凝土大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際工程提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

水泥采用南京中聯(lián)水泥有限公司生產(chǎn)的52.5普通硅酸鹽水泥，實(shí)測(cè)3 d抗壓強(qiáng)度為35.7 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為56.6 MPa；粉煤灰采用南京華能粉煤灰有限公司生產(chǎn)的F類(lèi)級(jí)灰，45 m篩篩余量為7.5%，需水量比為94%，活性指數(shù)為81%；礦粉采用馬鞍山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的S95礦粉，3 d活性指數(shù)為73%，28 d活性指數(shù)為98%；試驗(yàn)用砂為混合砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，級(jí)配Ⅱ區(qū)；對(duì)照組碎石采用安徽石灰?guī)r骨料（L1和L2），鐵尾礦碎石采用安徽閃長(zhǎng)玢巖骨料（D1和D2）；減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸類(lèi)高效減水劑；拌合水取自實(shí)驗(yàn)室普通自來(lái)水。

圖1為D1和L1碎石粒徑分布，圖2為D2和L2碎石粒徑分布，可知D1和L1碎石都接近于5~31.5 mm連續(xù)級(jí)配，但大顆粒較多。L2碎石屬于5~16 mm連續(xù)級(jí)配，D2碎石接近于5~16 mm連續(xù)級(jí)配。

圖1 D1和L1碎石粒徑分布

圖2 D2和L2碎石粒徑分布

閃長(zhǎng)玢巖D1和D2碎石的主要化學(xué)組成見(jiàn)表1，由于只存在破碎粒徑的不同，兩者化學(xué)組成基本沒(méi)有差異，主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3等。圖3為閃長(zhǎng)玢巖碎石粉末的X射線衍射圖譜，由圖3可知，閃長(zhǎng)玢巖中的主要晶相有長(zhǎng)石、方解石、磁鐵礦、綠泥石、石英和透閃石。

表1 閃長(zhǎng)玢巖碎石化學(xué)組成

圖3 閃長(zhǎng)玢巖碎石晶相組成

1.2 混凝土配合比

C30和C40混凝土具體試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2、3。

表2 C30混凝土配合比 單位：kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

按照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 52—2006對(duì)試驗(yàn)用砂、石的顆粒級(jí)配（細(xì)度模數(shù)）、吸水率進(jìn)行測(cè)試；按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50080—2016對(duì)新拌混凝土的坍落度進(jìn)行測(cè)試；按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081—2019對(duì)混凝土進(jìn)行攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)和強(qiáng)度測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

表3 C40混凝土配合比 單位：kg/m3

2.1 鐵尾礦骨料對(duì)混凝土坍落度的影響

混凝土良好的和易性和流動(dòng)性是保證施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵，圖4和5分別為20°C下C30和C40混凝土在2 h內(nèi)的坍落度及其擬合曲線，表4和5分別為兩類(lèi)混凝土坍落度曲線擬合結(jié)果及其狀態(tài)。

圖4 C30混凝土坍落度（20 °C）

圖5 C40混凝土坍落度（20 °C）

表4 C30混凝土坍落度曲線擬合結(jié)果及其狀態(tài)（20 °C）

表5 C40混凝土坍落度曲線擬合結(jié)果及其狀態(tài)（20 °C）

由圖4、5可知：C30和C40混凝土流動(dòng)性良好，初始坍落度大于190 mm和210 mm，隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)和閃長(zhǎng)玢巖骨料摻量的增加，坍落度總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，但2 h后坍落度大于150 mm和180 mm，滿(mǎn)足C30和C40混凝土坍落度要求。閃長(zhǎng)玢巖粗骨料在飽水12 h后可顯著改善混凝土的流動(dòng)性，C30WD1100%和C40WD1100%D2100%初始坍落度分別為220 mm和230 mm，較C30D1100%和C40D1100%D2100%分別增大約15.8%和9.5%，2 h后的坍落度分別為180 mm和200 mm，較C30D1100%和C40D1100%D2100%分別增大約20.0%和11.1%。C30混凝土流動(dòng)性從大到小依次為C30WD1100%＞C30＞C30D50%＞C30D1100%，C40混凝 土流動(dòng)性從大到小依為C40WD1100%D2100%＞C40＞C40D50%D250%＞C40D1100%D2100%，兩類(lèi)混凝土漿體包裹性良好，不存在泌水和離析現(xiàn)象，具有良好的粘聚性和保水性。

2.2 鐵尾礦骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)混凝土力學(xué)性能的重要指標(biāo)，良好的抗壓強(qiáng)度是安全施工的保障。圖6和7分別為C30和C40混凝土在20°C標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度。摻入閃長(zhǎng)玢巖骨料會(huì)略微降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，且隨著摻量的增加降低幅度增大，其中閃長(zhǎng)玢巖骨料飽水12 h后混凝土強(qiáng)度降低明顯，但隨著齡期的延長(zhǎng)降低幅度逐漸減小，所有混凝土的抗壓強(qiáng)度都保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，滿(mǎn)足C30和C40混凝土強(qiáng)度要求。

圖6 C30混凝土抗壓強(qiáng)度（20 °C）

圖7 C40混凝土抗壓強(qiáng)度（20 °C）

由圖6和7可知：C30D1100%和C40D1100%D2100%在28 d抗壓強(qiáng)度分別為40.3 MPa和45.7 MPa，較準(zhǔn)組分別降低約6.9%和3.6%。C30WD1100%和C40WD1100%D2100%在28 d抗壓強(qiáng)度分別為35.5 MPa和44.3 MPa，較C30D1100%和C40D1100%D2100%分別降低約11.91%和3.06%，主要原因是飽水12 h后儲(chǔ)存在碎石里的水量在拌和混凝土?xí)r增加了體系的水膠比，從而降低了混凝土的強(qiáng)度。C30混凝土抗壓強(qiáng)度從大到小依次為C30＞C30D50%＞C30D1100%＞C30WD1100%，C40混凝土抗壓強(qiáng)度從大到小依次為C40＞C40D50%D250%＞C40D1100%D2100%＞C40WD1100%D2100%。實(shí)際生產(chǎn)中可采用飽水、預(yù)潤(rùn)濕或噴淋工藝改善混凝土的工作性能，采用外加劑或優(yōu)化配合比技術(shù)提高混凝土抗壓強(qiáng)度。

2.3 鐵尾礦骨料微觀結(jié)構(gòu)與吸水率

坍落度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明混凝土的力學(xué)性能和工作性能與骨料的吸水率密切相關(guān)，圖8為20 °C下閃長(zhǎng)玢巖碎石在不同飽水時(shí)間的吸水率，表6為吸水率測(cè)試曲線擬合結(jié)果。由圖8可知，D1和D2碎石的吸水率都隨飽水時(shí)間的增加逐漸增大直至達(dá)到飽和狀態(tài)，相同飽水時(shí)間內(nèi)D2碎石的吸水率明顯高于D1，飽水24 h后D2碎石的吸水率約為2.05%，較D1增大約15.2%。

圖8 閃長(zhǎng)玢巖碎石吸水率（20 °C）

表6 閃長(zhǎng)玢巖碎石吸水率曲線擬合結(jié)果（20 °C）

骨料的吸水率與其孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，碎石所含孔體積越大吸水率及飽和吸水量越高[2-3]。閃長(zhǎng)玢巖碎石內(nèi)部存在大量孔隙和縫隙結(jié)構(gòu)為其吸水提供了更多途徑，使其具有一定的吸水率。D2碎石吸水率略高于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用碎石、卵石》GB/T 14685—2011Ⅱ和Ⅲ類(lèi)粗骨料要求（≤2%），對(duì)混凝土的工作性能和力學(xué)性能無(wú)明顯影響，而最新GB/T 14685的征求意見(jiàn)稿中已將Ⅲ類(lèi)粗骨料的吸水率規(guī)定為≤3.0%，高吸水率骨料也可應(yīng)用于預(yù)拌混凝土，通過(guò)配合比優(yōu)化和外加劑使用達(dá)到配制混凝土的技術(shù)要求，鐵尾礦骨料可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

3 結(jié)論

（1）C30和C40混凝土具有良好的流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度，初始坍落度最小值分別為190 mm和210 mm，2 h后的坍落度最小值分別為150 mm和180 mm，20 °C標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d抗壓強(qiáng)度最小值分別為35.5 MPa和44.3 MPa，滿(mǎn)足C30和C40混凝土坍落度和強(qiáng)度要求。

（2）閃長(zhǎng)玢巖骨料飽水后可顯著改善混凝土的流動(dòng)性，但降低抗壓強(qiáng)度，實(shí)際生產(chǎn)中可采用飽水、預(yù)潤(rùn)濕或噴淋工藝改善混凝土的工作性能，采用外加劑或優(yōu)化配合比技術(shù)提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（3）閃長(zhǎng)玢巖骨料內(nèi)部大量的孔隙和縫隙結(jié)構(gòu)使其具有一定的吸水率，且顆粒粒徑越小，骨料吸水率越高，吸水率變化也越大，D2碎石24 h的吸水率約為2.05%，略高于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用碎石、卵石》GB/T 14685—2011Ⅲ類(lèi)粗骨料要求（≤2%），但對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響不大，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)鐵尾礦二次資源化利用。